Flerfasströmning innebär samtidig strömning av gas, vätska och/eller fast fas i olika kombinationer. Flerfasströmning, särskilt tvåfasströmning, är den vanligast förekommande strömningstypen i naturen. Vanliga exempel är blodcirkulationen i vår kropp och moln på himlen. Flerfasströmning är också viktig i de flesta industriella tillämpningar, såsom energiomvandling, papperstillverkning, livsmedelsproduktion och medicinska tillämpningar. Bubblor som stiger i ett glas kallt öl är ett annat gott exempel på flerfasströmning.
Även om flerfasströmning är vanligt förekommande så är området fortfarande relativt nytt som forskningsområde. Internationellt är forskning inom flerfasströmning ett snabbt växande område, men i Sverige har det gjorts ganska spridda ansträngningar, med ett antal tillämpade projekt vid olika högskolor och forskningsinstitut utan större samordning. Det finns ett stort industriellt behov av forskning inom området men en ganska svag akademisk tradition. Inrättandet av en professur i flerfasströmning kan bidra till att både fokusera och utöka forskningsverksamheten inom området.
Flerfasströmning kan förekomma i många olika former beroende på beståndsdelarna och topologin hos strömningen. En av de viktigaste strömningstyperna i tekniska tillämpningar är dispers strömning, med bubblor, droppar eller fasta partiklar utspridda i en kontinuerlig vätske- eller gasfas. Insprutning i förbränningsmotorer, pneumatisk transport av partiklar, transport av pappersfibrer, biokemiska reaktorer och fluidiserade bäddar för dragering, torkning eller förbränning är bara några exempel på viktiga industriella tillämpningar med dispers strömning. En grundläggande förståelse för de komplexa strömningssituationer som kan uppstå är av stor vikt för utvecklingen av industriella tillämpningar inom flerfasområdet. Mängder av experiment har utförts för olika tillämpningar. Denna strategi ger specifika men dyrbara resultat. Med moderna datorresurser är det möjligt att numeriskt lösa de partiella differentialekvationer som beskriver flerdimensionella, tidsberoende flerfasströmningsproblem. Det är därför av stort intresse att utveckla den teoretiska bakgrunden till en högre nivå. Empiriska samband behövs för att sluta ekvationssystemen och en god modellering är således starkt beroende av experimentella data.
Det finns många sätt att modellera flerfasströmning med hjälp av partiella differentialekvationer, beroende på vilka fysikaliska fenomen man är intresserad av och beroende på problemets natur. För glesa dispersa strömningsfall används ofta så kallad Lagrangesk partikelspårning. Med denna metod beskrivs rörelsen för den kontinuerliga fluiden med hjälp av Navier-Stokes ekvationer, medan bubblor, droppar eller partiklar följs i tiden genom strömningsfältet genom att man löser rörelseekvationerna för varje partikel, eller åtminstone för ett antal representativa partiklar. För tätare suspensioner kommer närvaron av partiklar att påverka fluidens strömning, och modulering av turbulensen i fluidfasen kan förekomma. Dessutom blir partikelkollisioner betydelsefulla och detta är troligen den främsta begränsningen för Lagrangesk partikelspårning eftersom det är beräkningsmässigt dyrt att modellera alla partikelkollisioner.
För större strömningsfall eller fall med många partikelkollisioner används ofta Eulerska två-fluidmodeller (eller flerfluidmodeller) i stället för det Lagrangeska angreppssättet. I tvåfluidmodellerna behandlas den dispersa fasen som ett kontinuerligt medium, analogt med fluidfasen. Så betraktas t.ex. partikelfasens densitet som en kontinuerlig storhet och partikelhastigheten är en medelvärderad hastighet över en liten volym som innehåller ett antal partiklar. För en dispers fas i en gas eller vätska löser man således två kontinuitetsekvationer, två impulsekvationer och om nödvändigt två energiekvationer. För industriella strömningsproblem av praktiskt intresse kan tvåfluidmodeller ge stora besparingar i beräkningstid jämfört med det Lagrangeska angreppssättet. Medelvärdesförfarandet i tvåfluidmodellerna leder emellertid till att man får fler obekanta storheter än antalet ekvationer, vilket gör det nödvändigt att använda extra samband för att sluta ekvationssystemet. De flesta av dessa samband är empiriska och därför behövs experimentella data för att ta fram och verifiera modelluttryck för dem.
Såväl de Lagrangeska modellerna som de Eulerska tvåfluidmodellerna behöver kompletterande fysikaliska modeller för fluidfasens turbulens, för turbulensmoduleringen orsakad av den dispersa fasen och för dispersionen av partiklar orsakad av turbulensen. Dessutom behöver tvåfluidmodellerna kompletterande modeller för partikelfasens turbulens. För att validera modeller för de turbulenta processerna i flerfasströmning krävs lokala instantana mätningar av de fluktuerande hastighetskomponenterna och den lokala instantana partikelkoncentrationen. Sådana mätningar ska helst utföras simultant, så att man kan beräkna korrelationer mellan dessa storheter. I allmänhet är det svårt att utföra noggranna mätningar av hastighets- och koncentrationsfält i flerfasströmningar och existerande mätmetoder behöver utvecklas ytterligare. Flerfasströmningar kan innehålla områden med höga eller låga strömningshastigheter, kombinerade med höga eller låga partikelkoncentrationer, vilket kan kräva olika mätmetoder.
Lasermetoder för flödesmätningar är begränsade till någorlunda transparenta medier och har hittills huvudsakligen använts för att mäta den kontinuerliga fasens hastighet i glesa suspensioner. Med "Laser Doppler Velocimetry" (LDV) kan amplituddiskriminering användas för att erhålla den dispersa fasens hastighet och några resultat från mätningar av partikelhastigheter i tvåfasströmningar finns tillgängliga i litteraturen. "Phase Doppler Velocimetry" (PDV) utökar möjligheterna med LDV så att såväl hastighet som storlek på sfäriska partiklar kan mätas. Den kontinuerliga fasens instantana hastighetsfält kan också mätas med hjälp av "Particle Image Velocimetry" (PIV) och med visst utvecklingsarbete kommer det också att bli möjligt att bestämma hastigheten för större partiklar i en fluid med PIV. "Planar Laser Induced Fluorescence" (PLIF) kan användas för att mäta fluktuerande koncentration och genom att kombinera PLIF och PIV kan hastighets/koncentrations-korrelationer erhållas.
Mätningar i tätare flerfasströmningar kräver någon form av störande mätsonder. För strömningar med fasta partiklar kan varmfilmsanemometri sannolikt användas för högre partikelkoncentrationer än vad som är möjligt med lasermetoder. Optiska sonder, baserade på fotoelektriska celler, ger den instantana volymsmedelvärderade partikelkoncentrationen i en liten volym nära sonden, och resultaten är direkt jämförbara med de beräknade lokala koncentrationerna från en Eulersk tvåfluidmodell. Såväl varmfilmssonder som optiska sonder har tillräckligt hög frekvensrespons för att hastighets/koncentrations-korrelationer ska kunna utvärderas direkt från samtidiga mätningar.
Inom industrin är kontroll av flerfasströmning väsentlig för effektivitet, kvalitet och lönsamhet och har ofta stor betydelse från miljösynpunkt. Beräkningsmodeller validerade mot experiment kan ha en mycket direkt användning för optimering och design och flerfasströmning är således ett område där grundläggande teoretisk och experimentell forskning är av omedelbart intresse för industriella tillämpningar.
Texten publicerades i skriften Ny kunskap 2000