二相(或多相)流体力学是流体力学的一个新的分支。它的提出至今也就有半个多世纪的历史,而迅速地发展起来则是近30年来的事。下面我们先来了解一下二相流的一些基本概念。先来看看:“相”是什么,它又是怎样分类的?相,不是相貌的相,也不是相声的相,它是一个物理学的概念。相是指某一系统中物理性质均匀的部份,它与其他部分之间有一定的分界面隔离开来(狭义)。但有时也可融合在一块,没有明显的分界面(广义)。例如,物理学上把气(体)态、固(体)态,液(体)态和等离子(体)态称为物质的四个态或四个相;而化学上除上述的四相外,又把不同点阵结构的晶体,其物理性质不同,因而属于不同的相。如 铁、 铁、 铁和 铁是铁晶体的4个相;至于多相流体动力学上,除了上述4个相外,又把气固混合物中,因固体颗粒粒径很分散,研究不方便,就把颗粒按同样大小(其实是较小的粒径间距)分成几个组。这样每个组由颗粒大小相近,动力学性质相似,可以用同一组动力学方程组来加以描述。因此,有时也称这样的气固混合物的流动为多相流动。即混合物是由多个相近颗粒相所组成的。总之,相就是指系统中物理、化学或力学性质均匀的那一部分。至于相到底有没有分界面,并不是最重要的。因此,我们称风沙、风雪流体,可称其为风沙、风雪气固二相流体,也可称之为风沙、风雪多相流体。因为沙尘和雪粒的粒配都是较宽的,按动力学上可分为好几个相。
这样,最常见的就有气固(即气体和固体颗粒拟流体组成的二相流体。下面类推)、气液、液固、液液等二相流体。当然,气气和固固二相流体也是有的,譬如氨气在空气中的扩散,冰川在山谷中蠕动,等等,只是较特殊和少见而已。如果我们把等离子体也算进去的话,那么自然界的二相或多相流体在大类就可分为更多。而在实验室里或管道物料输送时,每一大类,又可分为许多小类,小类之间又有过渡带。因此可认为,事实上二相流的流动形态可说是无穷的。当然在科学研究上,人们只能在大类上分,否则研究将无法进行。下面我们再来看看气固和液固二相流的多相流体力学分类。
按照华裔美籍学者柏实义(1985)的分类,气固二相流体可分为两类:一是气固两相均匀或不均匀混合的气固两相流体,二是在气固两相交界面上,由于相互作用而形成的非均匀混合的气固两相流体。就是说,第一种是在空中运动,不着边界的,没有边界的影响;第二种是在边界上,如沙地或雪地上,由于风一吹,带起沙、雪颗粒来;或在河里,水一流,带起泥沙来,而形成的风沙、风雪和泥沙(事实是水和泥沙颗粒拟流体的混合物,在水力学上,习惯称为泥沙)二相或多相流体。而且按两相容积比的不同,其运动又可分为三种:一是固相,如沙雪泥沙颗粒体积比气、液相??运动的空气和水的体积少得多,其运动称为沉移运动;二是固相体积比气相大得多,其运动称为孔隙介质运动;三是气固两相所占体积差不多的运动,称为流化运动。说得通俗点,就是当固体颗粒的沙雪量比空气流和水流流量少得多,由于沙雪颗粒比水特别是比空气密度大得多,因此,一遇合适的环境条件,它就会沉降堆积下来。而当相反的情形:固体颗粒比流体(液体或气体)多得多,如水从土壤中渗下去,风从沙雪层中钻进去等等,都属于流体在有孔隙的固体颗粒介质中的渗流运动;而当两相介质容积差不多时,如化工方面的流化床,为了让两相的化学反应进行得均匀和迅速,就让流体从由颗粒组成的床底窜出来,来达到目的。并且随着流体上升速度的不同,流化床会发生变化,即可以由密相变成弹性化和稀相三种状态。就是说,随着从颗粒床冲出流体量的不同,流化床可以还是密密固定的床,流体只能从其中的孔隙钻出来;而当流量加大时,它可以把颗粒床挤动,两相相争,一鼓一缩,这就是弹性化阶段;而流体量很大时,如火药爆炸后,火药颗粒被气流冲散,就形成一股烟,这就是空气比火药粒子容积大得多的稀相运动状态。
按照上面的分类,我们所要研究的灾害性天气、灾害性地质和灾害性环境变化所属的二相流动,大多都属于第二类,即在两相边界由于相互作用而产生的气固或液固两相流。而从二相流体的运动来讲,灾害性天气属于沉积运动,灾害性地质属于孔隙介质运动,而灾害性环境则是两种运动都有。但是,自然界中的风沙、风雪及泥沙运动,以及地质灾害、环境灾害中的二相流体运动,都有着比上述分类更加丰富的内涵。
先来谈谈风沙、风雪和泥沙运动,以及环境灾害中的固体颗粒及有害气体对空气的污染。它们并不仅仅是属于两相介面,由于相互作用而产生的二相流体和其运动属于沉积运动,这样两句话所能概括了的。其实它们是十分复杂和全面的二相流复合体和二相流运动的综合体。首先,它们在贴地层处是属于第二类二相流体,属于气固或液固在两相界面相互作用而产生的二相流体。但是在高层上,它们可以是由于湍流剪切、湍流扩散和湍流交换产生的气固或液固两相均匀或不均匀的混合二相流体,像沙尘暴及雪暴的沙尘暴壁和雪暴壁,以及洪水到来的洪峰和有害气体对大气的污染,它们一旦形成,就可脱离地表的影响,独立前行。因此,它们又属于第一类二相流体,是空间中均匀和非均匀混合的二相流体。这是一;其二是风和水流及有毒废液,又可透过地表上的沙雪、泥沙和土层运动,即可作渗流运动;其三是两相交界面,并不仅仅是两相物质的交换,它还有温、湿、压和各种地形地物的变化。因为地球表面是一个活动和变化剧烈的复合型边界面。所以说,自然界的二相流动每一种都几乎包含了上述分类上的所有种类,是一个复杂、综合和非定常的综合二相流动系统。
再来谈谈地质灾害及环境灾害中的二相流动。即在滑坡、泥石流、雪崩和冰川蠕动及跃迁、融化冻土崩塌等的二相流动。一开始,它们是属于少量流体在大量的固体颗粒构成的分散或整体床上(或下)的运动,但一旦整体运动起来,特别是中后期,它们就不是那么温文尔雅的了,而是以排山倒海之势,雷霆万钧之力向山下冲击而去。那高高抬起的龙头一边冲击着所有阻挡它前进的建筑物、树林和沙土丘,一面剧烈地冲刷着沿程一切可以冲带的物质。这难道还是孔隙渗流可以解释得了的吗?当然,对于冰川和融化冻土的滑移,由于它的融变物性,一般不具有快速运动的性质。但是,在其运动的后期,其跃迁、冰崩,其滑溜、滑塌,也是较为剧烈的,破坏性也是十分可怕的。其运动也不是简单的孔隙介质运动可以概括的。
当然,科学研究是可以进行简化的,是要抓主要矛盾的主要影响因素,而放弃次要矛盾和次要因素的。因此,人们把风沙、风雪和泥沙运动按流体速度的大小,分为沉积运动和流体及固体颗粒拟流体混合物双流体的流动两种模型。而地质灾害中的雪崩、滑坡和泥石流运动则归并为颗粒流运动。至于冰川和融化冻土的蠕动,还没见专门的文献讨论,似乎可用滑块的润滑动力学和塑性体重力形变等模型来加以简化。