本文是L.X. Zhou在*International Journal of Multiphase Flow*（2010年第36卷）发表的一篇关于分散多相流中两相湍流研究的综述论文。作者来自清华大学工程力学系。论文系统地总结了作者近20年来在分散多相流（包括气-粒、液-泡等体系）中两相湍流研究的理论模型、实验验证与应用进展。
学术背景
分散多相流（如气-固、液-泡等）在能源、化工、冶金等领域广泛存在。传统理论（如Hinze-Tchen的”粒子跟随流体”理论）认为颗粒湍流强度始终低于流体湍流，且颗粒越大湍流越弱。但作者通过实验发现，在某些流动区域（如受限射流或回流区），颗粒湍流可能强于流体湍流，且大颗粒湍流更强。这一现象促使作者提出新的两相湍流理论模型，旨在更准确地预测颗粒波动、扩散及其对流体湍流的调制作用。
主要理论与模型
统一二阶矩模型（USM, Unified Second-Order Moment）
- 通过雷诺展开和时间平均，推导了流体和颗粒相的雷诺应力输运方程（式6-7），引入相间相互作用项（如流体雷诺应力生产/破坏项）。
- 提出各向异性的颗粒湍流模型，证明颗粒湍流的各向异性可能强于流体湍流（图2显示气泡柱中气泡湍流强度高于液体湍流）。
- 验证实验：通过LDV（激光多普勒测速）和PDPA（相位多普勒粒子分析）测量，对比了受限射流和旋流场中颗粒湍流强度的分布（图1显示k-ε-kp模型比传统k-ε-ap模型更准确预测颗粒浓度分布）。
颗粒-壁面碰撞模型
- 考虑摩擦、恢复系数和壁面粗糙度的影响（式18-20），修正了传统零梯度边界条件（式17）的不足。
- 实验验证：Sommerfeld和Qiu的旋流气-粒流动测量表明，考虑碰撞能量的模型（BC2）能更准确预测近壁颗粒切向速度和脉动速度（图3-4）。
稠密气-粒流的USM-θ模型
- 结合USM模型（大尺度湍流波动）和Gidaspow动力学理论（小尺度碰撞波动），提出耦合方程（式21-26）。
- 实验验证：Wang等人的下行床测量显示，USM-θ模型能同时预测颗粒体积分数和速度的非均匀分布（图5-6），而忽略碰撞或湍流的模型均存在偏差。
颗粒尾流效应与湍流调制
- 通过LES（大涡模拟）和RANS（雷诺平均模拟）分析单颗粒尾流，提出湍流增强模型（式27-28），表明尾流效应与颗粒尺寸和相对速度平方成正比。
- 实验验证：Tsuji等人的垂直管道流测量证明，1 mm颗粒增强湍流，0.2 mm颗粒衰减湍流，而0.5 mm颗粒在不同区域表现不同（图9）。
两相LES验证
- 采用Smagorinsky亚网格模型（式34）模拟突扩流场，统计结果验证了USM模型的可靠性（图10-12），但发现气体-颗粒速度相关性预测仍有改进空间。
研究意义与价值
- 理论创新：突破了传统Hinze-Tchen理论的局限性，揭示了颗粒湍流可能强于流体湍流的物理机制，提出了更普适的输运方程理论。
- 模型应用：USM系列模型被证明适用于稀相和稠密多相流，尤其在预测各向异性湍流、壁面碰撞效应和湍流调制方面具有优势。
- 工程指导：为燃烧效率优化、污染物控制、流体机械设计等提供了理论工具，例如在风沙流（图1）和气泡柱（图2）中的成功应用。
研究亮点
- 多尺度耦合：首次在稠密流中统一了大尺度湍流和小尺度碰撞的建模（USM-θ模型）。
- 实验与模拟结合：通过LDV、PIV（粒子图像测速）等先进测量技术验证模型，并利用LES为RANS模型提供验证基准。
- 物理机制深化：揭示了颗粒尾流对湍流调制的尺寸依赖性（图9），为工业颗粒尺寸选择提供依据。
未来方向
作者指出，稠密气-粒流中的湍流调制机制仍需进一步研究，且需要发展更先进的两相亚网格应力模型以提升LES精度。这些工作将为多相流理论的完善和工业应用拓展奠定基础。