一种含气液力透平内两相流及相变过程数值预测方法技术

本发明专利技术涉及的两相流数值预测技术。技术方案是：一种含气液力透平内两相流及相变过程数值预测方法，包括如下步骤：步骤S1：建立小尺度离散气泡模型、优化的连续界面捕捉方法以及离散气泡和连续界面的转化方法；步骤S2：对计算域网格进行划分并按设定尺寸确定两相流中的大尺度相界面与小尺度相界面，获取两相流中不同介质的物性参数，离散粒子的物理参数；步骤S3：对气液两相之间的界面，采用步骤S1中建立的方法针对可分辨尺度相界面进行边界的捕捉与分辨；步骤S4：建立液相的空化传热传质模型，将液相的空化引入气‑液两相流模型，得到气‑汽‑液多相流模型。该方法能够对含气液力透平中气液两相流与空化联合的瞬变流进行分析。

【技术实现步骤摘要】
一种含气液力透平内两相流及相变过程数值预测方法
本专利技术涉及的两相流数值预测技术，尤其涉及一种含气液力透平内两相流及相变过程数值预测方法。
技术介绍
利用液力透平回收石油化工、海水淡化、钢铁冶金等大型流程工业中的流体能量，对于流程工业系统节能具有重要意义，液力透平结构型式主要是离心泵反转。随着流程工业中传输介质和运行工况的日益复杂，液力透平工作介质由纯液相向易汽化以及气液两相混合介质发展，此时，液力透平内复杂的流道结构以及进出口压力的急剧变化将导致易汽化液体空化，造成其内部气液两相流型的多时空尺度演变并伴有相变的发生，严重影响介质的做功机制与能量回收效率，阻碍液力透平的高效利用和稳定运行。目前针对含气液力透平内部复杂流动结构及空化特性的研究还不完善。气液两相流与空化流均具有特殊的非定常和瞬变特性，有必要针对多尺度的气液两相流型与空化相变过程建立完善的数学模型，为含气液力透平两相流与空化特性以及两者对透平性能的影响机制提供一种可靠的分析方法。含气条件下的液力透平内往往存在多种不同的气液两相流动状态并伴有不同流型的转化以及相变的发生。其复杂的流道结构以及特殊的多相流过程给其实验研究造成了较大困难。此外，含气情况下液力透平入口段可能会含有大量的离散气泡或气团，在叶轮内由于压力释放还可能导致液相的汽化，使气相含量升高，在尾水段可能形成柱塞状甚至是分层流动结构。同时，两相流型的演变还将引起喘振等不利影响。液力透平内气液两相流形态与入口含气率的关联尚未明晰，同时，针对特定工况下液力透平内的空化特性、气液两相来流作用下液体的空化特性也是亟待解决的问题。目前针对两相流过程的模拟方法中，大多采用平均化的数学模型，而平均化处理将导致对其客观现象的描述失真，传统的多相流模型对其流动过程的预测也存在较大困难：基于体积平均的方法只能从宏观上描述气相含量的分布，界面捕捉法也难以描述相界面微细结构。因此，若能针对含气液力透平内部的两相流与相变过程，建立一种可适用于不同两相流型的全特性数值计算方法，并引入液相空化模型，对揭示含气条件下液力透平内气液两相流动形态演变规律与相变特性，及其对液力透平动力特性的影响机制，对于深入研究存在相变的气液两相流问题以及多相介质输运过程中的流动特性及机理均具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述
技术介绍
的不足，提供一种含气液力透平内两相流及相变过程数值预测方法，该方法能够对含气液力透平中气液两相流与空化联合的瞬变流进行分析。本专利技术提供的技术方案是：一种含气液力透平内两相流及相变过程数值预测方法，包括如下步骤：步骤S1：建立小尺度离散气泡模型、优化的连续界面捕捉方法以及离散气泡和连续界面的转化方法；步骤S2：对计算域网格进行划分并按设定尺寸确定两相流中的大尺度相界面与小尺度相界面，获取两相流中不同介质的物性参数，离散粒子的物理参数；其中大尺度为相界面的尺寸大于或等于计算域网格尺寸，小尺度为相界面的尺寸小于计算域网格尺寸；步骤S3：对气液两相之间的界面，采用步骤S1中建立的方法针对可分辨尺度相界面进行边界的捕捉与分辨；步骤S4：对于流动结构，根据不同介质的物性参数，相邻介质组成的界面参数，离散粒子的物理参数，采用VLES大涡模型对液力透平进行计算，确定所述两相流的物理过程，对于离散气泡与连续气体所属的不同计算体系，采用考虑离散相所占体积分率以及引入离散气泡与连续相之间的相互作用力的方法来实现两种计算体系之间的耦合；建立液相的空化传热传质模型，将液相的空化引入气-液两相流模型，得到气-汽-液多相流模型。步骤S1中，所述离散气泡模型中需建立气泡生长与合并破碎模型，以考虑气泡的膨胀及合并破碎；所述合并破碎模型采用vandenHengel模型并进行优化；气泡的合并以接触时间作为判据，当接触时间大于液膜减薄和断裂所需时间时气泡合并；气泡的破碎以气泡所处位置的涡尺度作为判据，当涡尺度小于气泡尺度时气泡破碎。步骤S1中，所述连续界面捕捉方法的控制方程采用公式一：公式一：其中，αg为气相分率，ρg为气体密度，mtrans为由于转化引起的质量源相；为时间；u为流体速度。步骤S1中，离散气泡和连续界面的转化方法的具体步骤如下：在离散气泡与连续界面之间建立相互作用模型，以实现可分辨边界与亚格子离散气泡的混合尺度联合仿真；离散气泡求解方案的控制方程采用公式二：公式二：其中，mb，ub分别代表离散气泡的质量和速度；Fall代表颗粒所受的力；αb为离散气泡所占体积分数；Vb，Vcell分别代表粒子体积和粒子所处位置单元格可分辨体积；L代表网格自适应阶数，若L为0则无细化；当αb≥1时，将离散气泡去除，公式一中由于转化引起的质量源相mtrans为αbρg/Δt，在当前时间步中执行且只执行一次。步骤S3中，针对大尺度相界面进行捕捉时，基于VOF-AMR动态自适应方法及界面的压缩重构以准确捕捉液相边界的变形与分裂现象。步骤S4中，采用VLES大涡模型对液力透平进行计算的具体方法如下：采用基于亚格子湍动能输运模式的VLES大涡模拟方法，同样基于空间离散尺度直接求解主导大尺度涡；对小尺度涡采用亚格子湍流模型计算，亚格子湍流模型采用的是单方程(kSGS)输运模型；所述单方程(kSGS)输运模型控制方程采用公式三和公式四：公式三：公式四：其中，μt代表湍流粘度；Ck代表湍动能系数、Cε代表耗散系数；τij代表亚格子尺度应力；kSGS代表亚格子尺度湍动能；Δf代表过滤尺度；xj代表方向向量。步骤S4中，考虑离散相所占体积分率以及引入离散气泡与连续相之间的相互作用力的方法来实现两种计算体系之间的耦合，其具体方法如下：参考CFD-DEM方法中考虑离散相体积分数的连续相动量方程，将连续相动量方程改写成公式五：公式五：其中，αc代表连续相体积分数，可以表示为(1-αb)，αb为离散气泡所占体积分数；Fs，Fb分别代表表面张力和气泡与连续相的相互作用力；ρc代表连续相密度；u代表流体速度；t代表时间；S代表应变率张量；g代表重力加速度；ΔP代表压力梯度；P代表压力。步骤S4中，所述液相的空化传热传质模型是以Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)模型为基础并结合能量方程建立的温度修正空化模型；该温度修正空化模型采用现有的空化流实验台，通过加热器加热清水控制其温度进行实验，验证修正。步骤S4中的气-汽-液多相流模型，为考虑液相由于压力变化引起的空化相变过程，并对来流所含气体与蒸汽加以区分，需要分别求解气相分率αg和蒸汽相分率αv，并基于所有物料的宏观分布特性计算非均匀的流体物性，根据公式六求解连续相的密度以及根据公式七连续相粘度：公式六：ρc＝ρgαg+ρvαv+ρlαl；公式七：μc＝μgαg+μvαv+μlαl；其中，下标g表示气体，l表示液体，且αl＝1-αg-αv，v表示蒸汽，c表示连续相液体；...

【技术保护点】
1.一种含气液力透平内两相流及相变过程数值预测方法，包括如下步骤：/n步骤S1：建立小尺度离散气泡模型、优化的连续界面捕捉方法以及离散气泡和连续界面的转化方法；/n步骤S2：对计算域网格进行划分并按设定尺寸确定两相流中的大尺度相界面与小尺度相界面，获取两相流中不同介质的物性参数，离散粒子的物理参数；其中大尺度为相界面的尺寸大于或等于计算域网格尺寸，小尺度为相界面的尺寸小于计算域网格尺寸；/n步骤S3：对气液两相之间的界面，采用步骤S1中建立的方法针对可分辨尺度相界面进行边界的捕捉与分辨；/n步骤S4：对于流动结构，根据不同介质的物性参数，相邻介质组成的界面参数，离散粒子的物理参数，采用VLES大涡模型对液力透平进行计算，确定所述两相流的物理过程，对于离散气泡与连续气体所属的不同计算体系，采用考虑离散相所占体积分率以及引入离散气泡与连续相之间的相互作用力的方法来实现两种计算体系之间的耦合；建立液相的空化传热传质模型，将液相的空化引入气-液两相流模型，得到气-汽-液多相流模型。/n

【技术特征摘要】
1.一种含气液力透平内两相流及相变过程数值预测方法，包括如下步骤：
步骤S1：建立小尺度离散气泡模型、优化的连续界面捕捉方法以及离散气泡和连续界面的转化方法；
步骤S2：对计算域网格进行划分并按设定尺寸确定两相流中的大尺度相界面与小尺度相界面，获取两相流中不同介质的物性参数，离散粒子的物理参数；其中大尺度为相界面的尺寸大于或等于计算域网格尺寸，小尺度为相界面的尺寸小于计算域网格尺寸；
步骤S3：对气液两相之间的界面，采用步骤S1中建立的方法针对可分辨尺度相界面进行边界的捕捉与分辨；
步骤S4：对于流动结构，根据不同介质的物性参数，相邻介质组成的界面参数，离散粒子的物理参数，采用VLES大涡模型对液力透平进行计算，确定所述两相流的物理过程，对于离散气泡与连续气体所属的不同计算体系，采用考虑离散相所占体积分率以及引入离散气泡与连续相之间的相互作用力的方法来实现两种计算体系之间的耦合；建立液相的空化传热传质模型，将液相的空化引入气-液两相流模型，得到气-汽-液多相流模型。


2.根据权利要求1所述的含气液力透平内两相流及相变过程数值预测方法，其特征在于：步骤S1中，所述离散气泡模型中需建立气泡生长与合并破碎模型，以考虑气泡的膨胀及合并破碎；
所述合并破碎模型采用vandenHengel模型并进行优化；气泡的合并以接触时间作为判据，当接触时间大于液膜减薄和断裂所需时间时气泡合并；气泡的破碎以气泡所处位置的涡尺度作为判据，当涡尺度小于气泡尺度时气泡破碎。


3.根据权利要求2所述的含气液力透平内两相流及相变过程数值预测方法，其特征在于：步骤S1中，所述连续界面捕捉方法的控制方程采用公式一：
公式一：
其中，αg为气相分率，ρg为气体密度，mtrans为由于转化引起的质量源相；t为时间；u为流体速度。


4.根据权利要求3所述的含气液力透平内两相流及相变过程数值预测方法，其特征在于：步骤S1中，离散气泡和连续界面的转化方法的具体步骤如下：
在离散气泡与连续界面之间建立相互作用模型，以实现可分辨边界与亚格子离散气泡的混合尺度联合仿真；离散气泡求解方案的控制方程采用公式二：
公式二：
其中，mb，ub分别代表离散气泡的质量和速度；Fall代表颗粒所受的力；αb为离散气泡所占体积分数；Vb，Vcell分别代表粒子体积和粒子所处位置单元格可分辨体积；L代表网格自适应阶数，若L为0则无细化；
当αb≥1时，将离散气泡去除，公式一中由于转化引起的质量源相mtrans为αbρg/Δt，在当前时间步中执行且只执行一次。


5.根据权利要求1所述的含气液力透平内两相流及相变过程数值预测方法，其特征在于：步骤S3中，针对大尺度相界面进行捕捉时，基于VOF-AMR动态自适应方法及界面的压缩重构以准确捕捉液相边界的变形与分裂现象。


6.根据权利要求1所述的含气液力透平内两相流及相变过程数值预测方法，其特征在于：步骤S4中，采用VLES大涡模型对液力透平进行计算的具体方法如下：
采用基于亚格子湍动能输运模式的VLES大涡模拟方法，同样基于空间离散尺度直接求解主导大尺度涡；对小尺度涡采用亚格子湍流模型计算，亚格子湍流模型采用的是单方程输运模型；所述单方程输运模型控制方程采用公式三和公式四：

【专利技术属性】
技术研发人员：李林敏，薛键，杨徽，李晓俊，朱祖超，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33