一种气泡羽流湍流闭合的方法技术

本发明专利技术公开了流体工程技术领域的一种气泡羽流湍流闭合的方法，基于气液两相的双向力耦合，从气泡羽流的控制方程推导出湍流输运方程中与气泡相关的源项并模型化；构建自由界面湍流模型，并推导出自由界面对湍流影响的源项；基于标准的k‑epsilon湍流方程、湍流输运方程中与气泡相关的源项和自由界面对湍流影响的源项，构建新的湍流模型；采用欧拉‑拉格朗日‑自由界面追踪的CFD模型模拟气泡羽流，结合物理实验，验证新的湍流模型。本发明专利技术提出的新的湍流模型能更准确地模拟液相的流场和湍流、气相的分布、以及气液动量传递等，进而能够更加深入地研究气泡羽流的动力学特性和运动规律。

A method of turbulent closure of bubble plume

【技术实现步骤摘要】
一种气泡羽流湍流闭合的方法
本专利技术属于流体工程
，具体涉及一种气泡羽流湍流闭合的方法。
技术介绍
气泡羽流在气幕防波堤、冶金工业、水处理和污水处理、天然气泄露以及环保疏浚等领域具有广泛的应用，因此认清气泡羽流的动力学特性及流动规律具有重要意义。湍流和多相流是流体工程中两个最具有挑战性的难题。气液相之间存在动量和能量的交换，气泡对液相的湍流有调节作用，液相湍流反过来会影响到气泡的运动和分布，这使得对气泡羽流的湍流认知更加复杂。湍流的正确刻画关系到气泡羽流中液相的流场、湍流、气泡分布、气泡尺寸和气液动量传递的模拟等。实验中观测到了气泡会给液体增加额外的扰动，但是在实验中很难区分气泡引起的湍流和剪切力引起的湍流。模型工作者把气泡引起的湍流，以脉动速度或者湍动能的形式，线性叠加在普通意义上的湍流上。然而这些经验和物理推理的方法不能揭示气泡引起的湍流机制。因此亟需一种更加严谨科学的方法。k-epsilon二方程湍流模型具有运行速度快、较高计算精度、以及稳定性的特点，成为流体工程的主要计算工具之一，广泛地应用于气泡羽流的工程应用中。然而标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气泡羽流湍流闭合的方法，其特征是，包括：/na、基于气液两相的双向力耦合，从气泡羽流的控制方程推导出湍动能输运方程中与气泡相关的源项，并模型化；/nb、构建自由界面湍流模型，并推导出自由界面对湍流影响的源项；/nc、基于标准的k-epsilon湍流方程、湍流输运方程中与气泡相关的源项和自由界面对湍流影响的源项，构建新的湍流模型；/nd、采用欧拉-拉格朗日-自由界面追踪的CFD模型模拟气泡羽流，结合物理实验，验证新的湍流模型。/n

【技术特征摘要】
1.一种气泡羽流湍流闭合的方法，其特征是，包括：
a、基于气液两相的双向力耦合，从气泡羽流的控制方程推导出湍动能输运方程中与气泡相关的源项，并模型化；
b、构建自由界面湍流模型，并推导出自由界面对湍流影响的源项；
c、基于标准的k-epsilon湍流方程、湍流输运方程中与气泡相关的源项和自由界面对湍流影响的源项，构建新的湍流模型；
d、采用欧拉-拉格朗日-自由界面追踪的CFD模型模拟气泡羽流，结合物理实验，验证新的湍流模型。


2.根据权利要求1所述的气泡羽流湍流闭合的方法，其特征是，所述步骤a包括：从气泡羽流的质量和动量守恒方程出发，推导获得湍动能输运方程中与气泡相关的源项，并模型化湍流耗散率方程中对应的源项。


3.根据权利要求2所述的气泡羽流湍流闭合的方法，其特征是：依据牛顿第三定律，动量方程中气泡对单位体积液相的拖曳力通过统计气泡所受到的拖曳力获得：



式中，为气泡作用在单位体积液相f上的拖曳力，Vcell为液相单元的体积，FD,m为第m个气泡所受到的拖曳力，N为液相单元内的气泡的个数，FD为单个气泡受到的拖曳力，αb为液相单元内气泡的体积占比，Vb为单个气泡的体积，db为气泡的直径，CD为拖曳系数，ρf为液相的密度，为液相的平均速度，为液相单元内气泡的平均速度。


4.根据权利要求2所述的气泡羽流湍流闭合的方法，其特征是：通过对质量和动量守恒方程的推导，得到拖曳力在湍动能输运方程中的源项



式中，为气液相间的平均滑移速度。


5.根据权利要求2所述的气泡羽流湍流闭合的方法，其特征是：所对应的湍流耗散率方程中的源项通过特征时间τwake以及系数获得，其中特征时间由气泡引起湍流的特征长度lwake除以气泡引起的湍流均方根速度得到；
lwake＝κdb(3)


<...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘青青，
申请(专利权)人：国家海洋环境预报中心，
类型：发明
国别省市：北京;11