当多相流流体中气泡的含量大于某一临界值时,气泡对于液相流体的动力学特性会有本质性的影响,多相流流体的动力学行为也会变复杂并呈现许多新的现象。
在忽略黏性作用和两相间相对运动的情况下,均质气泡流可采用与单相流流动相同的研究方法。利用质量守恒和动量守恒方程,并配合正压关系式求解。研究中通常采用对声速表达式积分的方法来求解正压关系式,并对均值气泡流分为两类分别进行求解。第一类均质气泡流忽略混合物中两种组分间的质量交换,则气泡流的声阻抗可由各组分的体积含量及其各自的声阻抗加权平均得出。1933年,M.米纳尔最早对此进行了研究,并揭示了此类均质气泡流的一个显著特点,即混合物的声速会远小于其中任何一相的声速(气水混合液声速可低至约20米/秒)。第二类均质气泡流为考虑相变的两相混合物即气液混合物。此时需要附加额外的热力学约束以考虑两相间的质量交换。在实际情况中,此类均质混合物介于均质平衡模型和均质冻结模型之间,即汽液两相只在彼此界面附近的区域内发生有限的热交换并达到热力学平衡状态。对于此种均质气泡流,其声速方程较为复杂,需要额外定义参数。因为采用了相同的研究方法,均质气泡流具有许多与单相气动力学相似甚至相同的现象。例如对于喷嘴流动,也会在喉部出现流动阻塞的现象。利用气体动力学中相关知识,喉部的临界压力与临界含气率等均可以求解。
正压方程在研究中也具有一定的局限性。就空泡流动而言,当空泡在流动中所经历的特征频率远小于空泡自身的固有频率时,空泡呈现准静态特性,混合物适用于正压方程。但是在很多情况下,空泡并不处于平衡态,而其非平衡特性又至关重要,此时就需要考虑空泡的动力学特性。为此,需要在控制方程中引入瑞利-佩里斯特方程,均质气泡流也不再满足正压方程。空泡动力学特性发挥明显作用的一类现象是空泡流的声学问题。当声波的激励频率接近空泡的固有频率时,空泡不再以准静态的方式响应激励,声传播速度和声衰减都会发生显著变化。空泡流中激波的传播和结构也具有鲜明的特点。由于空泡的动力学特性,波后的气泡在经历了最初的破裂后会伴随着回弹和再破裂的现象,因此产生了独特的震激结构,并在激波下游生成独特频率的声辐射;另一个空泡动力学特性会明显影响均质气泡流混合物特性的例子是空泡群动力学特性的研究,包括壁面附近空泡层振荡流动和球形空泡群的动力学特性。研究发现若激励频率小于空泡群中单个空泡在无限液体中单独存在时的固有频率,整个空泡群的受激响应几乎均匀;当激励频率大于此固有频率时,空泡群只在表面会出现显著响应,相当于空泡群内核气泡被外层屏蔽了。
均质气泡流模型在工业多相流动和自由表面破碎波掺气流动机理与流体动力学特性研究中有着广泛的应用背景,开展相关的基础研究与应用研究工作仍是水动力学学科发展的前沿方向之一。