一种气泡幕体积分数计算方法技术

本发明专利技术公开了一种气泡幕体积分数计算方法，包括以下步骤：针对气泡发生管模型的特点做出简化假设；针对计算模型的特点，进行多相流计算理论分析，包括连续性方程和动量守恒方程；利用切割体网格对整个计算域进行网格划分，对1：1计算模型，给出具体的网格尺寸；对湍流模型进行选取，分析不同湍流模型的特点，选取合适的模型进行计算；求解器设置，针对1：1计算模型，确保计算模型的收敛性。本发明专利技术通过对计算区域的设置和气泡发生管进行建模分析，给出稳定的气泡帷幕下的气液体积分数，气泡幕体积分数计算方法是对气泡幕降噪效果分析的前提，对保护海洋哺乳动物，有重要的环境安全意义和经济意义。义和经济意义。义和经济意义。

【技术实现步骤摘要】
一种气泡幕体积分数计算方法


[0001]本专利技术涉及声学
，特别涉及一种气泡幕体积分数计算方法。

技术介绍

[0002]海洋结构物运行期间会发生震动，产生噪声，噪声在水中传播过程中对海洋生物的栖息活动产生不可逆的影响，严重破坏海洋生态平衡，大型海洋生物搁浅事件频繁发生，警示我们要积极处理海洋工程中的噪声问题，海上气泡帷幕是当前较为实用且方便的水下噪声降噪方法，以往气泡帷幕均用于船舶减阻和隐蔽设计，但对于其降噪效果缺少实用的分析方法，且国内外研究较少，气泡幕体积分数计算方法是对气泡幕降噪效果分析的前提，因此亟需一种气泡幕体积分数计算方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种气泡幕体积分数计算方法，利用水动力方法完成水下气泡帷幕的气泡运动的气液两相分析计算，通过对计算区域的设置和气泡发生管进行建模分析，给出稳定的气泡帷幕下的气液体积分数。
[0004]为了实现本专利技术的目的，本专利技术提供了一种气泡幕体积分数计算方法，包括以下步骤：
[0005]S1、针对气泡发生管模型的特点做出简化假设；
[0006]S2、针对计算模型的特点，进行多相流计算理论分析，包括连续性方程和动量守恒方程；
[0007]S3、利用切割体网格对整个计算域进行网格划分，对1：1计算模型，给出具体的网格尺寸；
[0008]S4、对湍流模型进行选取，分析不同湍流模型的特点，选取合适的模型进行计算；
[0009]S5、求解器设置，针对1：1计算模型，确保计算模型的收敛性。
[0010]作为本专利技术的优选技术方案，在步骤S1中，所述简化假设包括：忽略两排孔产生气体的相互作用；将气体与液体相互作用视为三维非稳态过程，气孔附近属于完全湍流状态。
[0011]作为本专利技术的优选技术方案，在步骤S2中，针对计算模型的特点，考虑两相流体间的耦合作用，采用欧拉多相分离流模型，所述欧拉多相分离流模型在所有相共用一个压力场时对每个相的质量、动量和能量传输方程进行求解；
[0012]体积分数：每个相在流体域中所占比例由其体积分数给出，假设有n相流体，第i相的体积为：
[0013][0014]其中，α
i
为相i的体积分数，每个欧拉相的体积分数必须满足以下要求：
[0015][0016]连续性方程：即单位时间内控制体质量的变化量等于同样时间段内控制体密度改变引起的质量变化，相i的连续方程表达式如下：
[0017][0018]其中，ρ
i
为密度；v
i
为速度；m
ij
为从相j到相i的质量传递速率，且m
ij
≥0；m
ji
为从相i到相j的质量传递速率，且m
ji
≥0；为自定义相质量源项；
[0019]动量守恒方程：单位时间内流体微团动量的变化量等于作用在流体微团上的力，相i的动量平衡表达式如下：
[0020][0021][0022]其中，p为压力，假设在所有相中都相同；g为重力加速度；T
i
和分别为分子应力和湍流应力；M
i
为单位体积的相间动量传递；(F
int
)
i
表示内力；为相动量源项；相间动量传递应满足以下公式：
[0023]∑
i
M
i
＝0
[0024]能量方程：流体的内能与净热流量以及功率之间满足守恒关系：
[0025][0026]其中，E
i
为总能量；H
i
为总焓；T
i
(粗体)为粘性应力张量；T
i
为温度；k
eff，i
为有效热导率；f
i
为体积力矢量；Q
ij
为从相j到相i的相间传热率；为从相对交界面ij到相i的传热率；S
u，i
为能量源；h
i
(T
ij
)为在交界面温度T
ij
下计算得出的相i的焓；
[0027]有效热导率k
eff
满足下式：
[0028][0029]其中，k
i
为导热率；u
t，i
为湍流粘度；C
p，i
为比热；σ
t，i
为湍流热扩散普朗特数。
[0030]作为本专利技术的优选技术方案，在步骤S4中，计算使用的是Standard k
‑
ε湍流模型，所述模型引入了湍动能k和耗散率ε，其运输方程为：
[0031][0032][0033]其中湍流粘度的u
t
计算公式如下式：
[0034]u
t
＝ρC
μ
f
μ
kT。
[0035]作为本专利技术的优选技术方案，在步骤S5中，计算域模型缩尺比为1:1，管壁边界条件设置为壁面，远离管的一侧设为速度入口，速度为0，用于模拟无限水域；计算域长度方向根据管道长度进行修改，管道喷孔设置为速度入口；计算域沿管长方向设为对称边界，上边界设为压力出口，初始相为水相；物理模型选用三维隐式不定常湍流模型，考虑重力作用并启动单元质量校正；为了模拟气泡从气泡发生管产生以及在水中的演变过程，采用欧拉多相分离流模型，设置水和空气两相，并给出相间相互作用长度尺度；气体从气孔向水中喷射，初始为连续相，在浮力作用下上升，上升过程中气体逐渐离散为小的气泡，因此计算中采用连续离散相模型，设置水为连续相，空气为离散相；为了提高计算收敛性，将多相分离流相耦合速度的隐式亚松弛因子设置为0.3；压力亚松弛因子设为0.3；体积分数隐式亚松弛因子设为0.2；湍流模型亚松弛因子设为0.5。
[0036]与现有技术相比，本专利技术提供了一种气泡幕体积分数计算方法，具备以下有益效果：
[0037]利用水动力方法完成水下气泡帷幕的气泡运动的气液两相分析计算，通过对计算区域的设置和气泡发生管进行建模分析，给出稳定的气泡帷幕下的气液体积分数，气泡幕体积分数计算方法是对气泡幕降噪效果分析的前提，对保护海洋哺乳动物，有重要的环境安全意义和经济意义。
附图说明
[0038]图1是本专利技术流程示意图；
[0039]图2是本专利技术网格设置相关参数；
[0040]图3是本专利技术网格加密尺寸相关参数；
[0041]图4是本专利技术求解器设置相关参数；
[0042]图5是本专利技术计算域网格模型。
具体实施方式
[0043]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0044]请参阅图1
‑
图5，本专利技术实施例提供了一种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气泡幕体积分数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、针对气泡发生管模型的特点做出简化假设；S2、针对计算模型的特点，进行多相流计算理论分析，包括连续性方程和动量守恒方程；S3、利用切割体网格对整个计算域进行网格划分，对1：1计算模型，给出具体的网格尺寸；S4、对湍流模型进行选取，分析不同湍流模型的特点，选取合适的模型进行计算；S5、求解器设置，针对1：1计算模型，确保计算模型的收敛性。2.根据权利要求1所述的一种气泡幕体积分数计算方法，其特征在于：在步骤S1中，所述简化假设包括：忽略两排孔产生气体的相互作用；将气体与液体相互作用视为三维非稳态过程，气孔附近属于完全湍流状态。3.根据权利要求1所述的一种气泡幕体积分数计算方法，其特征在于：在步骤S2中，针对计算模型的特点，考虑两相流体间的耦合作用，采用欧拉多相分离流模型，所述欧拉多相分离流模型在所有相共用一个压力场时对每个相的质量、动量和能量传输方程进行求解；体积分数：每个相在流体域中所占比例由其体积分数给出，假设有n相流体，第i相的体积为：其中，α
i
为相i的体积分数，每个欧拉相的体积分数必须满足以下要求：连续性方程：即单位时间内控制体质量的变化量等于同样时间段内控制体密度改变引起的质量变化，相i的连续方程表达式如下：其中，ρ
i
为密度；v
i
为速度；m
ij
为从相j到相i的质量传递速率，且m
ij
≥0；m
ji
为从相i到相j的质量传递速率，且m
ji
≥0；为自定义相质量源项；动量守恒方程：单位时间内流体微团动量的变化量等于作用在流体微团上的力，相i的动量平衡表达式如下：其中，p为压力，假设在所有相中都相同；g为重力加速度；T
i
和分别为分子应力和湍流应力；M
i
为单位体积的相间动量传递；(F
int
)
i
表示内力；为相动量源项；相间动量传
递应满足以下公式：∑
i
M
i
＝0能量方程：流体的内能与净热流量以及功率之间满足守恒关系：其中，E
i<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李巍，王大勇，孟凡昌，赵瑞云，范学君，刘松，马骏，王延林，张家珍，吕春晓，于真真，
申请(专利权)人：海洋石油工程股份有限公司，
类型：发明
国别省市：