一种泡状跨流型的全耦合群体平衡方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种泡状跨流型的全耦合群体平衡方法及系统。该方法包括：获取两相流场的含气率、气泡群数密度以及流体物性参数；确定两相流场中的气泡体积，根据流体物性参数确定变形临界体积；确定气液两相流的流型；根据不同流型的气泡形状相关参数以及两相速度确定不同流型的相间力系数，构建相间动量传递模型，更新含气率以及两相速度，选取气泡聚并破裂模型；更新气泡群数密度以更新相间动量传递模型，根据更新后的相间动量传递模型以及气泡聚并破裂模型确定气泡诱发液体湍流模型，求解气液两相湍流方程，更新两相湍流参数预测泡状流至所述湍流搅拌流转变过程中的湍流参数场、速度场以及相场。本发明专利技术能够准确描述泡状流至湍流搅拌流的演化过程。湍流搅拌流的演化过程。湍流搅拌流的演化过程。

【技术实现步骤摘要】
一种泡状跨流型的全耦合群体平衡方法及系统


[0001]本专利技术涉及气液两相流动过程模拟领域，特别是涉及一种泡状跨流型的全耦合群体平衡方法及系统。

技术介绍

[0002]在石油、化工、核、航空、医药等工业领域中广泛出现含有泡状流、湍流搅拌流、弹状流等气液两相流动过程，准确预测由泡状流至湍流搅拌流的流型演变过程对工业系统的过程优化及工艺改造具有重要意义。
[0003]例如：液氧、液氢等低温液体被用于液体火箭推进剂，为运载火箭提供动力源。当推进剂流经火箭动力系统加注管路时，局部受热或压降易于诱发推进剂产生过冷沸腾或空化现象，形成气－液泡状流。在湍流输运条件下，气泡在流场中聚并、破裂，演化成多尺寸泡状流、甚至弹状流将造成动力系统内压力波动甚至阻塞输运管路的根源，威胁火箭的安全运载。
[0004]实验观测表明，泡状流流型转变气泡群尺寸非均匀性增强的结果；随着含气率增加，当流场中气泡体积增至某一数值，气泡形状由球形转变为帽形，流场中呈现球形、帽形(变形)两类气泡，复杂泡状流转变为湍流搅拌流。现有的气泡聚并、破裂机制模型均基于球形气泡假设推导获得，且未充分考虑含气率、气泡尺寸的影响，对于准确描述泡状流至湍流搅拌流的演化过程将不再完全适用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种泡状跨流型的全耦合群体平衡方法及系统，以准确描述泡状流至湍流搅拌流的演化过程。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种泡状跨流型的全耦合群体平衡方法，包括：r/>[0008]基于两相流场的边界条件，获取所述两相流场的含气率、气泡群数密度以及流体物性参数；所述两相流场包括液相以及气相；所述流体物性参数包括密度以及粘度；
[0009]根据所述含气率以及所述气泡群数密度确定所述两相流场中的气泡体积，并根据所述流体物性参数确定变形临界体积；
[0010]根据所述气泡体积以及所述变形临界体积确定气液两相流的流型；所述气液两相流的流型包括泡状流流型以及湍流搅拌流流型；
[0011]根据不同的所述流型确定不同流型的气泡形状相关参数；所述气泡形状相关参数包括气泡形状直径以及界面面积密度；在所述泡状流流型中的气泡形状为球形气泡，在所述湍流搅拌流流型中的气泡形状为变形气泡；
[0012]根据不同流型的所述气泡形状相关参数以及所述两相流场的两相速度确定不同流型的相间力系数，并根据所述相间力系数构建相间动量传递模型；所述相间力系数包括曳力系数、虚拟质量力系数、侧升力系数、湍流耗散系数以及壁面润滑系数；
[0013]根据所述相间动量传递模型求解气液两相质量及动量守恒方程，更新所述含气率以及所述两相流场的两相速度，并根据不同流型选取气泡聚并破裂模型；所述气泡聚并破裂模型包括球形气泡聚并破裂模型以及变形气泡聚并破裂模型；
[0014]求解气泡群数密度传递方程，更新气泡群数密度，根据更新的气泡群数密度更新所述相间动量传递模型，并根据更新后的相间动量传递模型以及所述气泡聚并破裂模型确定气泡诱发液体湍流模型；
[0015]根据所述气泡诱发液体湍流模型求解气液两相湍流方程，更新两相湍流参数并预测所述泡状流至所述湍流搅拌流转变过程中的湍流参数场、速度场以及相场；所述两相湍流参数包括气相和液相的湍动能、湍流耗散率、湍流强度、湍流长度、湍流时间和湍流粘度。
[0016]可选的，所述根据所述气泡体积以及所述变形临界体积确定气液两相流的流型，具体包括：
[0017]判断所述气泡体积是否小于所述变形临界体积，得到第一判断结果；
[0018]若所述第一判断结果表示为所述气泡体积小于所述变形临界体积，确定气液两相流的流型为泡状流流型；
[0019]若所述第一判断结果表示为所述气泡体积不小于所述变形临界体积，确定气液两相流的流型为湍流搅拌流流型。
[0020]可选的，在所述泡状流流型中，所述气泡形状直径为：
[0021]其中，d
b
为气泡直径；V
b
为气泡体积；
[0022]所述界面面积密度为：
[0023]α
i1
＝(36πnα
i2
)
1/3
；其中，α
i1
为所述泡状流流型中液相或气相的界面面积密度；α
i
为液相或气相的含气率；当下角标i为l时，表示液相；当下角标i为g时，表示气相；
[0024]在所述湍流搅拌流流型中，所述气泡形状直径为：
[0025]其中，D
b
为气泡直径；
[0026]所述界面面积密度为：
[0027]α
i2
＝(36πnα
i2
)
1/3
；其中，α
i2
为所述湍流搅拌流流型中液相或气相的界面面积密度。
[0028]可选的，所述相间动量传递模型为：
[0029]其中，F
i
为总相间作用力模型，F
gl
为气相在液相中的受力，F
lg
为液相在气相中的受力；为曳力；为虚拟质量力；为升力；为壁面润滑力；为湍流耗散力。
[0030]可选的，所述气液两相质量及动量守恒方程为：
[0031][0032][0033]其中，t为时间；α
i
为液相或气相的含气率；ρ
i
为液相或气相的密度；u
i
为液相或气相的流度；g为重力加速度矢量；P'为气液两相共同的压力场；τ
i
为应力张量。
[0034]可选的，所述球形气泡聚并破裂模型为：
[0035]其中，为所述泡状流流型中总气泡群数源项，N为气泡数量；为所述泡状流流型中湍流运动中气泡随机碰撞导致的气泡聚并的源项，为所述泡状流流型中气相速度梯度诱发气泡聚并的源项，为所述泡状流流型中尾涡夹带机制诱发气泡聚并的源项，为所述泡状流流型中湍流诱发的气泡破裂的源项；
[0036]所述变形气泡聚并破裂模型为：
[0037]其中，为所述湍流搅拌流流型中总气泡群数源项；为所述湍流搅拌流流型中湍流运动中气泡随机碰撞导致的气泡聚并的源项，为所述湍流搅拌流流型中气相速度梯度诱发气泡聚并的源项，为所述湍流搅拌流流型中尾涡夹带机制诱发气泡聚并的源项，为所述湍流搅拌流流型中湍流诱发的气泡破裂的源项。
[0038]可选的，所述气泡群数密度传递方程为：
[0039]其中，n为平均气泡数数量；为湍流运动中气泡随机碰撞导致的气泡聚并的源项，为气相速度梯度诱发气泡聚并的源项，为尾涡夹带机制诱发气泡聚并的源项，为湍流诱发的气泡破裂的源项。
[0040]可选的，所述根据所述气泡诱发液体湍流模型求解气液两相湍流方程，更新两相湍流参数并预测所述泡状流至所述湍流搅拌流转变过程中的湍流参数场、速度场以及相场，之后还包括：
[0041]判断所述气泡诱发液体湍流模型是否收敛，得到第二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种泡状跨流型的全耦合群体平衡方法，其特征在于，包括：基于两相流场的边界条件，获取所述两相流场的含气率、气泡群数密度以及流体物性参数；所述两相流场包括液相以及气相；所述流体物性参数包括密度以及粘度；根据所述含气率以及所述气泡群数密度确定所述两相流场中的气泡体积，并根据所述流体物性参数确定变形临界体积；根据所述气泡体积以及所述变形临界体积确定气液两相流的流型；所述气液两相流的流型包括泡状流流型以及湍流搅拌流流型；根据不同的所述流型确定不同流型的气泡形状相关参数；所述气泡形状相关参数包括气泡形状直径以及界面面积密度；在所述泡状流流型中的气泡形状为球形气泡，在所述湍流搅拌流流型中的气泡形状为变形气泡；根据不同流型的所述气泡形状相关参数以及所述两相流场的两相速度确定不同流型的相间力系数，并根据所述相间力系数构建相间动量传递模型；所述相间力系数包括曳力系数、虚拟质量力系数、侧升力系数、湍流耗散系数以及壁面润滑系数；根据所述相间动量传递模型求解气液两相质量及动量守恒方程，更新所述含气率以及所述两相流场的两相速度，并根据不同流型选取气泡聚并破裂模型；所述气泡聚并破裂模型包括球形气泡聚并破裂模型以及变形气泡聚并破裂模型；求解气泡群数密度传递方程，更新气泡群数密度，根据更新的气泡群数密度更新所述相间动量传递模型，并根据更新后的相间动量传递模型以及所述气泡聚并破裂模型确定气泡诱发液体湍流模型；根据所述气泡诱发液体湍流模型求解气液两相湍流方程，更新两相湍流参数并预测所述泡状流至所述湍流搅拌流转变过程中的湍流参数场、速度场以及相场；所述两相湍流参数包括气相和液相的湍动能、湍流耗散率、湍流强度、湍流长度、湍流时间和湍流粘度。2.根据权利要求1所述的泡状跨流型的全耦合群体平衡方法，其特征在于，所述根据所述气泡体积以及所述变形临界体积确定气液两相流的流型，具体包括：判断所述气泡体积是否小于所述变形临界体积，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示为所述气泡体积小于所述变形临界体积，确定气液两相流的流型为泡状流流型；若所述第一判断结果表示为所述气泡体积不小于所述变形临界体积，确定气液两相流的流型为湍流搅拌流流型。3.根据权利要求2所述的泡状跨流型的全耦合群体平衡方法，其特征在于，在所述泡状流流型中，所述气泡形状直径为：其中，d
b
为气泡直径；V
b
为气泡体积；所述界面面积密度为：α
i1
＝(36πnα
i2
)
1/3
；其中，α
i1
为所述泡状流流型中液相或气相的界面面积密度；α
i
为液相或气相的含气率；当下角标i为l时，表示液相；当下角标i为g时，表示气相；在所述湍流搅拌流流型中，所述气泡形状直径为：
其中，D
b
为气泡直径；所述界面面积密度为：α
i2
＝(36πnα
i2
)
1/3
；其中，α
i2
为所述湍流搅拌流流型中液相或气相的界面面积密度。4.根据权利要求3所述的泡状跨流型的全耦合群体平衡方法，其特征在于，所述相间动量传递模型为：其中，F
i
为总相间作用力模型，F
gl
为气相在液相中的受力，F
lg
为液相在气相中的受力；为曳力；为虚拟质量力；为升力；为壁面润滑力；为湍流耗散力。5.根据权利要求4所述的泡状跨流型的全耦合群体平衡方法，其特征在于，所述气液两相质量及动量守恒方程为：相质量及动量守恒方程为：其中，t为时间；α
i
为液相或气相的含气率；ρ
i
为液相或气相的密度；u
i
为液相或气相的流度；g为重力加速度矢量；P'为气液两相共同的压力场；τ
i
为应力张量。6.根据权利要求5所述的泡状跨流型的全耦合群体平衡方法，其特征在于，所述球形气泡聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：段欣悦，徐满睿，巩亮，朱传勇，李家栋，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：