二相流

流体力学では、二相流は気体と液体の流れであり、多相流の特定の例です。二相流は、外部加熱の結果として純粋な液体から蒸気に変化する流れ、分離した流れ、および連続キャリア相（ガスまたは液体）内に粒子、液滴、または気泡の形で1つの相が存在する分散二相流など、さまざまな形で発生する可能性があります。

2 相流を分類するために広く受け入れられている方法は、他の相が存在しないものとして各相の速度を考慮することです。このパラメーターは、表面速度と呼ばれる仮説的な概念です。

歴史的に、おそらく最も一般的に研究されている二相流の事例は、大規模な電力システムです。石炭火力発電所やガス火力発電所では、タービンで使用する蒸気を生成するために非常に大きなボイラーが使用されていました。このような場合、加圧された水が加熱されたパイプを通過し、パイプ内を移動すると蒸気に変わります。ボイラーの設計には、単相の場合とは大きく異なる二相流の熱伝達と圧力降下挙動の詳細な理解が必要です。さらに重要なことに、原子炉は二相流を使用して水を使用して炉心から熱を取り除きます。このような場合の二相流の性質については多くの研究が行われており、エンジニアは配管の故障、圧力損失など（冷却材喪失事故（LOCA））の可能性を考慮して設計することができます。^[1]

2 相流が発生する可能性がある別のケースは、ポンプのキャビテーションです。この場合、ポンプは、ポンプで汲み上げられる流体の蒸気圧に近い圧力で作動します。圧力がさらに低下すると (これは、たとえばポンプの羽根の近くで局所的に発生することがあります)、相変化が発生し、ポンプ内にガスが存在する可能性があります。同様の影響は、船舶のプロペラでも発生する可能性があります。どこで発生しても、設計者にとって深刻な問題です。蒸気泡が崩壊すると、非常に大きな圧力スパイクが発生する可能性があり、時間が経つとプロペラまたはタービンに損傷を引き起こします。

上記の二相流のケースは、蒸気と水のように、単一の流体がそれ自体で 2 つの異なる相として存在する場合です。「二相流」という用語は、空気と水、石油と天然ガスなど、異なる相を持つ異なる流体の混合物にも適用されます。固体がかなりの割合で含まれる可能性がある石油およびガスのパイプラインなどでは、三相流が考慮されることもあります。油と水は厳密には異なる相ではありませんが (どちらも液体であるため)、二相流と見なされることがあります。また、石油、ガス、水の組み合わせ (例: 沖合の油井からの流れ) も三相流と見なされることがあります。

二相流が研究される他の興味深い分野としては、水の電気分解^{[2] 、}雲などの気候システム^[1]、土壌を通る水と空気の動きが研究される地下水の流れなどがあります。

2 相流の他の例としては、泡、雨、海の波、泡沫、噴水、ムース、極低温、油膜などがあります。最後の例としては、金属の電気爆発が挙げられます。

二相流は、次のようないくつかの特徴により、流体力学の興味深く、挑戦的な分野となっています。

• 表面張力はすべての動的問題を非線形にする（ウェーバー数を参照）
• 標準温度と圧力における空気と水の場合、 2つの相の密度は約1000倍異なります。同様の違いは、水の液体/水蒸気の密度にも見られます。
• 相変化を起こしている物質では音速が劇的に変化し、桁違いに変わることもある。これにより問題に圧縮効果が導入される。
• 相変化は瞬時に起こるものではなく、液体蒸気系は必ずしも相平衡状態にあるわけではない。
• 相変化とは、流れによって引き起こされる圧力低下がさらなる相変化を引き起こす可能性があることを意味します（例えば、水はバルブを通って蒸発する可能性があります）。これにより、気体の圧縮性媒体の相対的な体積が増加し、出口速度が増加します。これは、バルブを閉じると出口速度が低下する単相の非圧縮性流れとは異なります。
• 静的不安定性の例として、レディネック不安定性、ガイザリング、チャグ、緩和不安定性、流れの不均一分布不安定性、およびその他の動的不安定性など、直感に反する負の抵抗型不安定性を引き起こす可能性がある^[3]

ゴボゴボ音は、ボトルから液体を注ぐときやうがいをするときなど、不安定な二相流体の流れによって生じる特徴的な音です。

• 多相流
• バックリー・レバレット方程式
• 多相流に関するダルシーの法則（土壌などの多孔質媒体を通る流れの場合）
• スリップ比（ガス-液体流）
• 質量流量計

二相流のモデリングはまだ開発中である。既知の方法は

• 流体体積法
• レベルセット法
• グレタル・トリグヴァソンによるフロントトラッキング
• 格子ボルツマン法
• 平滑化粒子流体力学(SPH)