多相流软物质出流的动力学计算方法技术

本发明专利技术公开了一种多相流软物质出流的动力学计算方法，包括建立多相流软物质出流的力学模型与有限元模型，选择合适的算法，设计调控多相流软物质出流的转动约束，导入Fluent进行仿真计算，求得多相流软物质中各相介质的速度，流量随时间的变化关系并确定各相介质之间的相互作用；由于多相流软物质的流动特别复杂，没有较为准确的解析解，本发明专利技术通过将多相流软物质改变成单相流，在保持其他条件不变的情况下，利用单向流的流动与多向流的流动进行对比，从而验证多相流软物质流动特性的准确性。本发明专利技术是对多相流软物质流动理论的补充，可以调控多相流软物质的出流并获得其中各相介质的动力学机理，对于相关工业领域具有一定的指导价值。的指导价值。的指导价值。

【技术实现步骤摘要】
多相流软物质出流的动力学计算方法


[0001]本专利技术涉及多相流软物质的动力学技术，具体涉及一种多相流软物质出流的动力学计算方法。

技术介绍

[0002]多相流软物质的多相流动与传热现象广泛存在于石油、化工、动力、能源等工业领域，深刻了解这些多相流动过程的物理本质，建立准确的预测模型，对于工业多相流设备的设计以及高效安全可靠运行具有重大的学术意义和工业实用价值。然而，多相流软物质本身的属性以及动力学特性会受到外界微小作用的较大影响，各相介质之间的相互作用也非常复杂且不断的变化，使得多相流软物质的流动没有准确的解析解。
[0003]当前，对于多相流软物质出流的动力学计算方法的研究主要集中在实验领域，即根据工程实际要求，以解决某一问题为最终目的，进行大量实验，直到满足要求为止，这种方法会耗费大量的时间和资源，且无法形成高效的可用于指导多相流软物质流动的重要理论，不利于多相流软物质的长期发展。

技术实现思路

[0004]为解决以上技术问题，本专利技术提供一种多相流软物质出流的动力学计算方法，实现了对多相流软物质流动的动力学仿真，丰富了多相流软物质的研究方法，提高了相关领域的研究效率，最终对多相流软物质的相关理论形成有效的补充。
[0005]本专利技术的目的是采用下述技术方案实现的：第一方面，一种多相流软物质出流的动力学计算方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一：建立多相流软物质出流的力学模型；
[0007]步骤二：建立多相流软物质出流的有限元模型；
[0008]步骤三：确定对多相流软物质进行仿真时的算法；
[0009]步骤四：设计调控多相流软物质出流的转动约束，进行仿真计算，求得多相流软物质中各相介质的速度，流量随时间的变化关系并确定各相介质之间的相互作用；
[0010]步骤五：使用单相流对多相流软物质的仿真进行检验。
[0011]第二方面，本专利技术提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面所述的方法的步骤。
[0012]第三方面，本专利技术提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面所述的方法的步骤。
[0013]第四方面，本专利技术提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的方法的步骤。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的显著优点为：
[0015]1)丰富了多相流软物质的研究方法。目前对于多相流软物质的研究手段主要以实
验为主，这种方式非常耗费时间和资源，且不易对多相流软物质的理论形成有效的补充，而本专利技术使得对于多相流软物质的研究可以通过仿真软件来进行，同时可以与具体的实验结果进行对比，有利于多相流软物质的研究的长期发展。
[0016]2)本专利技术中多相流软物质出流的动力学计算方法是普适的。对于任意介质混合形成的多相流，使用转动约束调控多相流软物质的出流，从而对该多相流软物质的动力学机理进行分析及控制方法进行优化都是可行的。
[0017]3)这种多相流软物质出流的动力学计算方法比较简单，很容易掌握，并且可以在完成对多相流软物质的仿真后，进行相关实验的验证，可以有效地节省资源，并提高对于多相流软物质的研究效率。
附图说明
[0018]图1为本专利技术中多相流软物质出流的力学模型；
[0019]图2为本专利技术中多相流软物质出流的有限元模型；
[0020]图3为PISO算法求解N
‑
S方程的完整过程(以液相A为例)；
[0021]图4为圆形出口中心节点处各相介质的流量体积分数
‑
时间曲线。
具体实施方式
[0022]如图1所示，一种多相流软物质出流的力学模型主要包含三个区域，分别是液相1区，液相2区和气相1区，初始时刻，多相流软物质中的液相A，液相B和气相C分别盛放在这三个区域。其中液相1区#1从上到下由圆柱，圆台以及部分球体构成，液相2区#2为圆柱形区域，气相1区#3从上到下由圆柱与圆台构成，多相流软物质出流的出口为圆形出口#4。相邻两个区域在交界面处是连通的，多相流软物质可以在各个区域流动，在转动约束的调控下，多相流软物质可以通过圆形出口流出。
[0023]结合图2可以看出，由于力学模型相对复杂，且多相流的仿真计算本身就非常缓慢，为了加快计算效率，沿着YOZ面将力学模型分为两半，取其中一半作相应的有限元模型，该有限元模型的尺寸和形状可以根据计算结果人为调整，只要能够使得多相流软物质的仿真计算成功进行即可，圆形出口处的网格数量会影响多相流软物质的出流精度，可以适当的增加。
[0024]结合图3中PISO算法求解液相A的N
‑
S方程的流程图，可得PISO算法仅在初始迭代时使用过动量方程，相对于其他算法，计算量减少，速度更快。由于多相流软物质出流时各相介质之间的相互作用非常复杂，可以把多相流软物质看作由多种介质组成的混合流体，对于每一相介质都使用对应的类似于图3的算法，即可完成多相流软物质的整体仿真计算。
[0025]本专利技术提供一种多相流软物质出流的动力学计算方法，包括以下步骤：
[0026]步骤一：建立多相流软物质出流的力学模型；
[0027]步骤二：建立多相流软物质出流的有限元模型；
[0028]步骤三：确定对多相流软物质进行仿真时的算法；
[0029]步骤四：采用具体的多相流软物质出流为例来说明该动力学计算方法的特性；
[0030]步骤五：使用单相流对多相流软物质的仿真进行检验。
[0031]进一步地，所述步骤一包括以下步骤：
[0032]步骤1)确定模型材料。多相流软物质由液相A(密度ρ
A
，粘度μ
A
)，液相B(密度ρ
B
，粘度μ
B
)，气相C(密度ρ
C
，粘度μ
C
)组成，其盛放于力学模型中，将该模型从下到上分为液相1区，液相2区以及气相1区，在初始时刻，液相A充满液相1区，液相B充满液相2区，气相C充满气相1区，其中液相1区从上到下由圆柱，圆台以及部分球体构成，液相2区为圆柱形区域，气相1区从上到下由圆柱与圆台构成。该模型为固壁，在不考虑温度的情况下，可以盛放多相流软物质，根据各相介质的密度，从上到下分别盛放气相C，液相B，液相A(ρ
A
＞ρ
B
＞ρ
C
)，其他区域充满空气。
[0033]步骤2)给模型施加载荷。对于多相流软物质所处的模型并没有施加特定的载荷，在各相介质流动时仅考虑重力加速度的影响，不受温度，压强等载荷的影响。
[0034]步骤3)设定模型的约束。在初始时刻，多相流软物质处于竖直状态，仅在重力加速度载荷的作用下无法形成流动，为此，给液相1区，液相2区，气相1区施加同一种转动约束，即可通过各区域的转动带动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多相流软物质出流的动力学计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立多相流软物质出流的力学模型；步骤二：建立多相流软物质出流的有限元模型；步骤三：确定对多相流软物质进行仿真时的算法；步骤四：设计调控多相流软物质出流的转动约束，进行仿真计算，求得多相流软物质中各相介质的速度，流量随时间的变化关系并确定各相介质之间的相互作用；步骤五：使用单相流对多相流软物质的仿真进行检验。2.根据权利要求1所述的多相流软物质出流的动力学计算方法，其特征在于，所述步骤一包括以下步骤：步骤1)确定模型材料：多相流软物质由液相A、液相B、气相C组成，对应的密度为ρ
A
、ρ
B
、ρ
C
，对应的粘度为μ
A
、μ
B
、μ
C
，其盛放于力学模型中，将该模型从下到上分为液相1区，液相2区以及气相1区，在初始时刻，液相A充满液相1区，液相B充满液相2区，气相C充满气相1区，其中液相1区从上到下由圆柱，圆台以及部分球体构成，液相2区为圆柱形区域，气相1区从上到下由圆柱与圆台构成；根据各相介质的密度，从上到下分别盛放气相C，液相B，液相A，ρ
A
＞ρ
B
＞ρ
C
，其他区域充满空气；步骤2)给模型施加载荷：对于多相流软物质所处的模型并没有施加特定的载荷，在各相介质流动时仅考虑重力加速度的影响；步骤3)设定模型的约束：在初始时刻，多相流软物质处于竖直状态，仅在重力加速度载荷的作用下无法形成流动，为此，给液相1区，液相2区，气相1区施加同一种转动约束，即可通过各区域的转动带动区域内多相流软物质的流动；转动约束ω
t
：ω
t
＝ω(t)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)式(1)中，t为时间，单位为s，ω
t
为角速度。3.根据权利要求2所述的多相流软物质出流的动力学计算方法，其特征在于，所述步骤二包括以下步骤：步骤1)将模型沿着YOZ面切成两半，取其中一半为研究对象；步骤2)将研究对象导入Workbench进行网格划分。4.根据权利要求3所述的多相流软物质出流的动力学计算方法，其特征在于，所述步骤三包括以下步骤：步骤1)多相流软物质出流的力学模型与有限元模型都是基于流体的N
‑
S方程建立的，N
‑
S方程的基本形式为：式(2)中，ρ是流体密度，V是速度矢量，p是压力，f是单位体积流体受的外力，若只考虑重力f＝ρg，μ是动力粘度；由于多相流软物质有三相介质，所以相应的N
‑
S方程在直角坐标系中分量为：DE+F＝GH
ꢀꢀꢀꢀ
(3)式(3)中，
H＝[μ
i
]，i＝A,B,C；其中u
i<...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈煜年，尹锡佳，尹晓春，廖鹏飞，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：