一种基于蒸汽流场计算液滴运动相变参数的方法技术

本发明专利技术属于流体计算技术领域，具体涉及一种基于蒸汽流场计算液滴运动相变参数的方法，包括以下步骤：构建目标结构的几何模型，划分网格并进行局部网格加密；计算蒸汽的流场参数信息；建立KD搜索算法获取目标液滴位置周围最近的M个网格节点的空间坐标；获取最近的M个网格节点所对应的蒸汽流场参数信息，建立快速插值方法获取目标液滴所在位置处的蒸汽流场参数信息；求解液滴运动相变模型，计算得到液滴运动相变参数。本发明专利技术采用局部网格加密与快速插值方法相结合，使计算速度大大提高，并保证了计算精度，同时辅以高效的KD搜索算法，以快速获取蒸汽流场信息，最终实现了一种高效、高精度的液滴运动相变参数计算方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于蒸汽流场计算液滴运动相变参数的方法
本专利技术属于流体计算
，具体涉及一种基于蒸汽流场计算液滴运动相变参数的方法。
技术介绍
汽-液两相流动普遍存在于汽水分离器、安全壳喷淋系统等核反应堆设备的运行过程中，且汽-液两相间的相互作用直接驱动着液滴的传热传质过程即运动相变过程。在蒸汽携带液滴运动的过程中，由于阻力作用或局部结构的改变等会使液滴周围的蒸汽流场参数，如流动速度、温度、浓度或者压力等不断变化，进而引起汽-液两相间的相互作用发生变化，使液滴的运动相变特性发生变化，这与反应堆设备的工作性能如汽水分离效率和安全运行情况密切相关。因此，通过利用计算流体动力学CFD方法对汽水分离器中的液滴运动相变参数进行计算，以分析液滴的运动相变特性，对于提高分离器的分离效率和核反应堆的经济性，指导其结构优化和自主化设计则具有重要意义。采用欧拉—拉格朗日方法对蒸汽流场中液滴运动相变参数进行计算时，首先需要液滴定位算法确定液滴周围的最近的M个网格节点及其对应的蒸汽流场信息，并进一步通过插值方法获得液滴所在位置处的蒸汽流场信息。但由于欧拉—拉格朗日方法计算得到的流场数据十分巨大，网格量从几万到近千万不等，使得流场信息的定位搜索、并通过插值方法获得液滴所在位置处的流场信息是一项耗时巨大的工作。此外，为了保证较高的液滴计算精度，往往需要划分大量的网格，但是划分大量的网格又会造成计算量/计算耗时的增加。因此，如何找到一种计算速度快同时计算精度高的计算方法是研究液滴运动相变过程中的关键问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述方法计算量大且计算耗时长等技术问题，本专利技术通过采用局部网格加密与快速插值方法相结合，使计算速度大大提高，并保证了计算精度，同时辅以高效的KD搜索算法，以快速获取蒸汽流场信息，最终提出一种高效、高精度的液滴运动相变参数计算方法。本专利技术的目的是这样实现的：一种基于蒸汽流场计算液滴运动相变参数的方法，包括以下步骤：步骤1：构建目标结构的几何模型，并进行网格划分，且针对局部位置区域进行网格加密；导出网格文件；步骤2：将所述步骤1导出的网格文件导入流体计算软件，并计算蒸汽的流场参数信息，且网格节点的空间坐标与该网格节点对应的蒸汽流场参数信息之间呈一一对应关系；导出该蒸汽流场参数信息文件；步骤3：将所述步骤2导出的蒸汽流场参数信息文件导入C++程序，建立KD搜索算法获取目标液滴位置周围最近的M个网格节点的空间坐标；步骤4：获取所述最近的M个网格节点所对应的蒸汽流场参数信息，建立快速插值方法以计算目标液滴位置处的蒸汽流场参数信息；其中，M＝1或4；步骤5：利用步骤4获取的目标液滴位置处的蒸汽流场参数信息，求解液滴运动相变模型，以计算液滴运动相变参数。在所述步骤1中，针对管道壁面区域和/或几何形状变化较为剧烈的结构的表面区域进行局部网格加密；所述几何形状变化较为剧烈的结构的表面区域包括：疏水钩表面、孔板表面、肋板表面、旋叶分离器叶片表面、弯道壁面或孔口壁面中的至少一个。进行所述局部网格加密时细化的网格尺寸仅为主流流场区域网格尺寸的1/8-1/2，加密的网格层数为4-8层。在所述步骤4中，获取目标液滴位置周围最近的M个网格节点对应的蒸汽流场参数信息，建立快速插值方法以计算目标液滴位置处的蒸汽流场参数信息，具体包括以下步骤：步骤4.1：当目标液滴的空间位置坐标点与最近的网格节点重合时，根据该重合的网格节点的空间坐标，获取对应的蒸汽流场参数信息，作为该目标液滴所在位置处的的蒸汽流场参数信息；步骤4.2：若目标液滴的空间位置坐标点与最近的网格节点均不重合，则根据已经找出的离目标液滴位置xi距离最近的M个网格点，获取该M个网格节点的空间坐标所对应的蒸汽流场参数信息，并采用距离反比插值方法得到目标液滴位置xi处的蒸汽流场参数信息Fi，插值格式为：式中：lj表示位置矢量xi和第j个网格点的欧式距离。在步骤3中：所述蒸汽流场参数信息包括液滴周围的蒸汽的流动速度、温度、浓度或者压力中的至少一个；所述液滴运动相变参数信息包括液滴的半径、加速度、速度、位置坐标、温度、压力、密度、粘度中的至少一个。在所述步骤5中，利用所述步骤4获取的目标液滴位置处的蒸汽流场参数信息，求解液滴运动相变模型，以计算液滴运动相变参数的过程，具体包括：步骤5.1：将目标液滴位置处的蒸汽流场参数信息在C++程序中传递给液滴运动相变模型；步骤5.2：获取t时刻液滴的运动相变参数，以计算t+Δt时刻液滴的运动相变参数，计算使用的液滴运动相变模型包括以下方程中的至少一个：其中，位于方程左侧的待求量包括：液滴的位置矢量x，液滴的旋转速度ω，液滴的速度v，液滴的半径r，液滴的温度T；位于方程右侧的已知物理量包括：(1)蒸汽流场参数信息，包括：蒸汽密度ρg，蒸汽流动速度u，蒸汽的温度Tg，蒸汽的压力Pg，蒸汽的动力粘度μg，流场旋度Ω，其中(2)t时刻液滴的运动相变参数，包括：加速度a、速度v、位置坐标、温度Td、压力pd、密度ρd、粘度μd、定压比热容cp、汽化潜热γ、摩尔质量M；(3)根据经验关系式计算得到的常数，包括：重力加速度g；气体常数R；蒸发冷凝系数α，对流换热系数h；(4)根据蒸汽和液滴参数求得的相关系数，包括：转矩系数CM，曵力系数CD，升力系数CMa，升力系数CSa；(5)归一化系数λ1～λ5，计算表达式分别为：λ1＝-15ρg/16πρd、λ2＝3ρf/(8ρdr+4ρgr)、λ3＝3ρg(4ρd+2ρg)、λ4＝[1.615(μd+2μg/3)2/(μd+μg)2(μfρg)0.5]/(ρdπr/3+ρgπr/6)、λ5＝2(ρd-ρg)/(2ρd+ρg)。利用所述步骤5得到的液滴运动相变参数计算结果，根据以下表达式计算液滴的分离效率：η＝(min-mout)/min其中，min为入口液滴的总质量，mout为出口液滴的总质量，min-mout为被汽水分离器分离除去的液滴的质量。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术中采用局部网格加密与1点插值方法相结合，使局部区域内计算的蒸汽流场参数更加精细、准确，从而提高1点插值的计算精度；也避免了全局网格加密或4点插值时引起网格计算量快速增加、计算速度下降的情况出现，使得该计算方法高效且高精度；2、本专利技术中采用KD搜索算法，搜索过程中只需要建立一次k-d树结构，大大简化搜索程序、减少耗时，使1点插值计算过程中能够更快速地获取到目标液滴周围最近点的蒸汽流场信息，从而提高计算效率；3、本专利技术不仅适用于采用欧拉—拉格朗日方法进行单个液滴的运动相变过程的计算，也适用于多个液滴或者大量液滴运动相变过程的计算，还适用于固体颗粒等的运动模拟计算中，并行计算过程速度快且精度高，可广泛应用到安全壳喷淋系统、汽水分离器、燃油喷雾系统、喷淋洗涤塔等设备运行过程的性能分析、结构优化设计中。本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明图1为本专利技术实施例的基于蒸汽流场计算液滴运动相变参数的方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例的波纹板汽水分离器的基本结构示意图；图3a为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于蒸汽流场计算液滴运动相变参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建目标结构的几何模型，并进行网格划分，且针对局部位置区域进行网格加密；导出网格文件；步骤2：将所述步骤1导出的网格文件导入流体计算软件，并计算蒸汽的流场参数信息，且网格节点的空间坐标与该网格节点对应的蒸汽流场参数信息之间呈一一对应关系；导出该蒸汽流场参数信息文件；步骤3：将所述步骤2导出的蒸汽流场参数信息文件导入C++程序，建立KD搜索算法获取目标液滴位置周围最近的M个网格节点的空间坐标；步骤4：获取所述最近的M个网格节点所对应的蒸汽流场参数信息，建立快速插值方法以计算目标液滴位置处的蒸汽流场参数信息；其中，M＝1或4；步骤5：利用步骤4获取的目标液滴位置处的蒸汽流场参数信息，求解液滴运动相变模型，以计算液滴运动相变参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于蒸汽流场计算液滴运动相变参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建目标结构的几何模型，并进行网格划分，且针对局部位置区域进行网格加密；导出网格文件；步骤2：将所述步骤1导出的网格文件导入流体计算软件，并计算蒸汽的流场参数信息，且网格节点的空间坐标与该网格节点对应的蒸汽流场参数信息之间呈一一对应关系；导出该蒸汽流场参数信息文件；步骤3：将所述步骤2导出的蒸汽流场参数信息文件导入C++程序，建立KD搜索算法获取目标液滴位置周围最近的M个网格节点的空间坐标；步骤4：获取所述最近的M个网格节点所对应的蒸汽流场参数信息，建立快速插值方法以计算目标液滴位置处的蒸汽流场参数信息；其中，M＝1或4；步骤5：利用步骤4获取的目标液滴位置处的蒸汽流场参数信息，求解液滴运动相变模型，以计算液滴运动相变参数。2.根据权利要求1所述的基于蒸汽流场计算液滴运动相变参数的方法，其特征在于：在所述步骤1中，针对管道壁面区域和/或几何形状变化较为剧烈的结构的表面区域进行局部网格加密；所述几何形状变化较为剧烈的结构的表面区域包括：疏水钩表面、孔板表面、肋板表面、旋叶分离器叶片表面、弯道壁面或孔口壁面中的至少一个。3.根据权利要求1所述的基于蒸汽流场计算液滴运动相变参数的方法，其特征在于：进行所述局部网格加密时细化的网格尺寸仅为主流流场区域网格尺寸的1/8-1/2，加密的网格层数为4-8层。4.根据权利要求1所述的基于蒸汽流场计算液滴运动相变参数的方法，其特征在于：在所述步骤4中，获取目标液滴位置周围最近的M个网格节点对应的蒸汽流场参数信息，建立快速插值方法以计算目标液滴位置处的蒸汽流场参数信息，具体包括以下步骤：步骤4.1：当目标液滴的空间位置坐标点与最近的网格节点重合时，根据该重合的网格节点的空间坐标，获取对应的蒸汽流场参数信息，作为该目标液滴所在位置处的的蒸汽流场参数信息；步骤4.2：若目标液滴的空间位置坐标点与最近的网格节点均不重合，则根据已经找出的离目标液滴位置xi距离最近的M个网格点，获取该M个网格节点的空间坐标所对应的蒸汽流场参数信息，并采用距离反比插值方法得到目标液滴位置xi处的蒸汽流场参数信息Fi，插值格式为：式中：lj表示位置矢量xi和第j个网格点的欧式距离。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵富龙，周娅，卢瑞博，谭思超，余霖，何宇豪，孟涛，曾陈，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23