动量守恒方程为
方程左边表示体积动量随着时间和对流的变化率。注意左边项乘上的是速度矢量Vk,每一项都有3个部分(uki+vk j+wkk)。基于笛卡尔坐标系,则3个方向共有3个动量方程。方程的右边包括重力项、压力项、黏性和湍流剪切力项,由于相变和夹带引起的动量源项,界面曳力项和由于湍流搅混引起的动量传输项。其中假设压力在所有相中是相等的,重力为体积力。CTF中没有包含湍流剪切模型,所以接下来要把此项从动量方程中消除。湍流搅混使用简单的湍流扩散近似值。
黏性应力项展开成壁面剪切和流体-流体剪切两部分,如下所示:
式中,和分别表示液相、蒸汽相和液滴相的体积壁面阻力。注意在这里假设液滴相不接触壁面,因此没有壁面阻力;通过经验关联式得到。液相—液相黏性剪切应力也没有包含在CTF中,所以也将在动量方程中消掉。
项代表由于相变和夹带或者沉积引起的动量源项,其形式如下:(www.daowen.com)
式中,V代表质量流方向的相速度。例如,如果蒸发来自液滴场,然后在动量方程中Γ‴ηVe从液滴动量守恒方程中扣除,同样的动量也需要加入蒸汽动量方程。界面曳力项对于三相分别展开为:
式中,和为体积相间阻力,分别是蒸汽与液体界面、蒸汽与液滴界面。注意:曳力项对于蒸汽场是负值,对于液滴和液相场是正值。这是因为CTF规定蒸汽相速度比液相和液滴相快,这就意味着界面摩擦阻滞蒸汽相,而拖曳液相和液滴相。如果相反成立,如蒸汽相速度比液相和液滴相慢,则相应的项在CTF中相反。界面剪切力与流型相关,关于该项的计算有不少的模型涉及该问题,但还远未成熟,该问题仍然是目前的研究热点,而且也可能是下一阶段两相流研究的突破之处。
方程(5-106)的最后一项是因湍流搅混和空泡漂移引起的动量源项,。注意,只有轴向方向才有由于湍流搅混和空泡漂移引起的对流项。
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