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从冠名模型,到最完整最综合解,再到冠名精神 -- 分支流理论统一

已有 4231 次阅读 2014-12-8 13:22 |系统分类:论文交流

     在许多工农业设计中,流体被均匀地分配,然后,流体被均匀地汇合(图1)。这种分汇流过程称为分支流过程。分支流存在于广泛的工农业的过程中。例如,灌溉,供热通风,锅炉集箱,经向反应器,流化床分布器,微反应器和燃料电池。这些设备的效率往往取决于流体分布的均匀性和压力降。


   由于在工农业中重要性,分支流理论能够追忆到19401950年代。最广泛应用理论是基于伯努利方程,流率,流阻和压力降被比喻为电流,电阻和电压。三者之间成线性关系。然而,流体不象电流,流体有惯性(图2)。



   当两出口阻力相等时,按伯努利理论,两个出口流量相等。但是,如图3所示,这在非常小的流量下(图3左),惯性影响可以忽略,误差不大,但随流量增加(图3右),惯性影响增加,水平方向流量增加,误差就增加。


  在4050年代,分支流的研究主要在土木工程领域,例如,灌溉和通风问题。这些过程对误差不敏感,伯努利方程能够应用。但到50年代末期,随着化工反应器领域应用,伯努利理论就难以提供可靠的支持。既然惯性是动量反映,自然动量修正需要考虑。Acrivoset al. [1] 正是做了这种修正。然而,由于动量项,导致模型复杂无解。在以后50年中,研究者不得不简化过程,不是忽略摩擦影响[2],就是忽略动量影响[3],伯努利途径和动量途径一直混合应用。

  1990年代以来,由于微反应器和燃料电池的发展,小的流动不均匀性将导致放大的误差。对分支流理论提出了更高的要求。王等一直探索开发综合的途径[4-5].  这研究在[6]中被重点介绍,称为Wang模型. 在这个领域,集成地摩擦和动量解是50多年来众所周知的竞争。由于困难,本人也一直没有进展,沉寂8年后,突破在2008[7],这以后一系列的进展统一了分支流理论 [8-10]伯努利途径和动量途径得到了统一,离散途径和连续途径得到了统一。已有的主要模型都成了集成模型的特例。也解释和消除了各种模型间的模糊和矛盾之处Wang2011)。这些研究被称为是该领域最完整最综合的解[11] 和被称为Wang’s spirit [12-13]. 确实,综合,集成和统一是我研究的核心。管流计算要用伯努利理论,分支流计算要用分支流理论。分支流是流体力学的一个重要分支,这个古老的学科各种各样模型现在已经统一在一个理论框架。

 

References

[1] A. Acrivos, B.D.Babcock, R.L. Pigford, (1959). Flowdistributions in manifolds, Chemical Engineering Science. 10: 112~124.

[2] R.A. Bajura, (1971). A model for flowdistribution in manifolds, J. of Eng. forpower, 98: 654–665.

[3] J.M. Commenge, M. Saber, L. Falk. (2011). Methodology for multi-scale design ofisothermal laminar flow networks. Chemical Engineering Journal,  173 (2): 334-340.

[4] J.Y. Wang,Z. L. Gao, G.H. Gan, D.D. Wu, (2001). Analytical solution of flowcoefficients for a uniformly distributed porous channel. ChemicalEngineering Journal,  84(1): 1-6.

[5] 王峻晔,葛晓陵,吴东棣, (1998). 分支流理论研究进展. 力学进展, 28 (3):392-401。 

[6]A.V. Kulkarni, S. S. Roy, J.B. Joshi, (2007). Pressure and flow distribution inpipe and ring spargers: Experimental measurements and CFD simulation. Chemical Engineering Journal 133 (2007) 173–186.

[7] J.Y. Wang,(2008). Pressure drop and flow distribution in parallel-channel ofconfigurations of fuel cell stacks: U-type arrangement, Int. J. of Hydrogen Energy. 33(21): 6339-6350.

[8] J.Y. Wang. (2011). Theory of flowdistribution in manifolds, ChemicalEngineering J  168: 1331-1345.

[9] J.Y. Wang, H.L. Wang, (2012). Flow field designs of bipolarplates in PEM fuel cells: theory and applications, Fuel Cells, 12(6): 989-1003.

[10] J.Y. Wang, H.L. Wang, (2012). Discrete approach forflow-field designs of parallel channel configurations in fuel cells, Int. J. of Hydrogen Energy, 37(14):10881-10897.

[11] D. Tondeur, Y. Fan, J.M. Commenge, L. Luo. (2011). Uniform flows in rectangular lattice networks.Chemical Engineering Science, 66: 5301-5312.

[12] N. Midoux, D.Tondeur, (2014). The theory of parallel channels manifolds (Ladder networks)revisited part 1: Discrete mesoscopic modelling. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 92(10): 1798-1821.

[13] N. Midoux, D.Tondeur, (2015). The theory of parallel channels manifolds (Ladder networks)revisited part 2: Design for uniform cross-flow distribution. The CanadianJournal of Chemical Engineering, 93(1): 121-140.






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