一种基于流场分解的任意流场中非球形颗粒曳力函数拟合方法技术

本发明专利技术公开了一种基于流场分解的任意流场中非球形颗粒曳力函数拟合方法。所述方法属于多相流体力学领域，拟合得到的曳力函数可用于任意流场内非球形颗粒的运动模拟和预测。首先通过检测并追踪非球形颗粒在基本流场中的运动轨迹与姿态，拟合得到颗粒曳力关于颗粒雷诺数、姿态、形状的函数关系，即基本流场曳力函数；随后通过流场分解将待处理的任意流场近似等效为若干个基本流场的叠加，再结合已得到的基本流场曳力函数，获得适用于任意流场的非球形颗粒曳力函数。本方法优点在于：扩展性强，适用于任意流场和非球形颗粒；基本流场中的曳力数据直接来源于实验；只利用了有限个基本流场曳力函数的线性叠加。曳力函数的线性叠加。曳力函数的线性叠加。

【技术实现步骤摘要】
一种基于流场分解的任意流场中非球形颗粒曳力函数拟合方法


[0001]本专利技术属于多相流体力学领域，具体涉及一种基于流场分解的一般流场中非球形颗粒曳力函数拟合方法，拟合得到的曳力函数可进一步用于复杂流场中非球形颗粒的运动模拟和预测。

技术介绍

[0002]颗粒两相流广泛存在于自然界和工业应用中，如雾霾、泥沙、血液流及工业反应器系统，因此，准确预测颗粒两相流系统对工业生产和日常生活都具有重要意义。这些流动中，颗粒大多呈现出非球形特征，在运动过程中甚至还会存在变形。相较于球形颗粒，非球形颗粒具有更复杂的流体动力学特性，其在流场中的取向和转动行为会显著影响其受到的流体作用力，这也使得准确预测其运动规律十分困难。
[0003]颗粒两相流中，曳力是决定颗粒运动特性的重要作用力。一般形状的颗粒曳力通常与来流特性、颗粒形状、颗粒取向等因素有关。虽然已有不少实验和数值模拟工作探究了球形和部分规则非球形颗粒(如椭球、圆柱)的曳力特性，也得到了一些曳力经验公式，但其适用范围往往有很大局限性，并缺乏对一般非球形颗粒曳力特性的探究。此外，以往的工作背景流场大多为均匀流或剪切流，而真实的流场往往为复杂的非线性流场，因此亟需一种适用于一般流场内非球形颗粒曳力函数的拟合方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术公开了一种基于流场分解的一般流场中非球形颗粒曳力函数拟合方法。所述方法属于多相流体力学领域，拟合得到的曳力函数可用于一般流场内非球形颗粒的运动模拟和预测。所述的方法包括基本流场建立及数据采集、基本流场中的数据处理、一般流场分解、一般流场中颗粒曳力函数拟合四个步骤。首先通过检测并追踪非球形颗粒在基本流场中的运动轨迹与姿态，拟合得到颗粒曳力关于颗粒雷诺数、姿态、形状的函数关系，即基本流场曳力函数；随后通过流场分解将待处理的一般流场近似等效为若干个基本流场的叠加，再结合已得到的基本流场曳力函数，获得适用于一般流场的非球形颗粒曳力函数。本方法优点在于：扩展性强，适用于一般流场和非球形颗粒；基本流场中的曳力数据直接来源于实验；只利用了有限个基本流场曳力函数的线性叠加。
[0005]本专利技术公开了一种基于流场分解的任意流场中非球形颗粒曳力函数拟合方法，其包括以下步骤：
[0006]S1，搭建用于非球形颗粒曳力测量的装置并建立基本流场，通过前期布置及改变装置所需参数，采集得到不同条件下非球形颗粒姿态及运动轨迹数据；
[0007]S2，对基本流场中非球形颗粒的运动轨迹与姿态数据进行处理，得到非球形颗粒曳力关于颗粒雷诺数、姿态和形状的关系，并通过拟合得到基本流场下的曳力函数；
[0008]S3，通过流场分解方法，将待处理的任意流场分解为多个基本流场的叠加，对应得
到了任意流场的分解式；
[0009]S4，将步骤S2得到的基本流场曳力函数代入到任意流场的分解式中，得到最终的任意流场内非球形颗粒的曳力函数。
[0010]作为本专利技术的优选方案，S1中所述的基本流场指的是剪切流场和均匀流场所述的基本流场装置包括基本流场产生装置和三维粒子追踪装置；其中，基本流场产生装置用于产生剪切流场或均匀流场；三维粒子追踪装置用于采集非球形颗粒运动状态。
[0011]作为本专利技术的优选方案，S1中所述的前期布置依次包括：在流场中投入示踪粒子用以观察并验证流场状态，待流场稳定后在流场研究区域内均匀间隔地投放非球形颗粒以保证数据充分采集；所述的装置所需参数包括：含待定系数的假定曳力函数形式、非球形颗粒尺寸形状参数、流场参数、三维粒子追踪装置的采样频率和流场分解精度。
[0012]作为本专利技术的优选方案，S2中所述的拟合得到基本流场下的曳力函数包括非球形颗粒曳力计算及含参变量的基本流场曳力函数拟合两个过程；具体为：
[0013]在曳力计算过程中，通过采集的颗粒位置变化得到其速度矢量和加速度矢量，进而得到非球形颗粒在一定颗粒雷诺数时不同姿态下的曳力矢量；将其代入含参变量的曳力函数(F)中，进行拟合得到设定参数范围内的曳力函数关系式。
[0014]作为本专利技术的优选方案，所述的含参变量的曳力函数(F)的自变量为：颗粒雷诺数(Re
p
)、颗粒姿态角、非球形颗粒球形度(Φ)，其中颗粒姿态角包括进动角α、自旋角β、章动角γ；即F＝f(Re
p
,α,β,γ,Φ)；通过三维粒子追踪装置实时采集不同姿态下颗粒受到的曳力数据；α与β的范围为[0,2π)。
[0015]作为本专利技术的优选方案，所述的颗粒姿态角具体定义如下：令固定参考系为Oxyz，而颗粒坐标系为Ox'y'z'，称xy平面与x'y'平面的交线为M,则有α为x轴与交线M的夹角，β为z轴与z'轴夹角，γ为x'轴与交线M的夹角；当β＝0时，令α为x'轴与x轴的夹角且γ＝0；在剪切流场中γ变化仅导致其两端的最大流速变化，即等效于不同颗粒雷诺数下相同α,β且γ＝0的曳力状态；而均匀流场中γ并不会对曳力造成影响，因此基本流场曳力函数简化为：F＝f(Re
p
,α,β,Φ)；基本流场中规定x轴为流动方向，所以分解流场中当流动方向变为y轴或z轴时，对应的曳力函数中颗粒姿态角变化如下：若y轴为流动方向，α'＝α+π/2,β'＝β；若z轴为流动方向，α'＝α,β'＝β+π/2；对应的曳力函数为F＝f(Re
p
,α',β',Φ)。
[0016]作为本专利技术的优选方案，S3中所述的流场分解方法为：首先将空间流场按照流场坐标系分解为沿x、y与z轴流向分布的空间单向流场，进一步提取单向流场中沿颗粒的流场特征得到任意非线性平面流场，再通过线性化处理得到任意非线性流场的线性化近似，即转化为有限个基本流场的叠加。
[0017]作为本专利技术的优选方案，所述的提取单向流场中沿颗粒的流场特征得到任意非线性平面流场的方式为：因为基本流场中颗粒姿态的主要研究对象为进动角α与自旋角β，即x'轴在xy平面与x轴的夹角和颗粒绕x'轴的自旋角，所以令x'为颗粒主轴；规定单向流场中主轴上的任意流场即一般非线性平面流场，当主轴方向与流场方向平行时，等效于基本流场中α＝0或π，此时以y'轴上的流场为平面流场。
[0018]作为本专利技术的优选方案，所述的线性化处理指的是根据设定的精度要求，对非线性流场进行线性近似，具体为：若有颗粒主轴上一平面非线性流场V，假定沿主轴分解数量
为w，即分解为w个等效线性流场：线性流场V
linear,i
又由基本流场叠加得到：最终，将沿颗粒主轴的一般非线性平面流场转化为线性流场：
[0019]作为本专利技术的优选方案，S4所述的一般流场内非球形颗粒的曳力函数由基本流场曳力函数叠加得到，具体在于：因为剪切流场和均匀流场两种基本流场下的曳力函数F
s
与F
u
已经拟合得到，利用S3所述的分解结果，将其叠加得到沿某一坐标轴方向的曳力将沿各坐标轴方向的曳力分矢量叠加，最终得到非球形颗粒所受到的总曳力矢量F
total
。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于流场分解的任意流场中非球形颗粒曳力函数拟合方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，搭建用于非球形颗粒曳力测量的装置并建立基本流场，通过前期布置及改变装置所需参数，采集得到不同条件下非球形颗粒姿态及运动轨迹数据；S2，对基本流场中非球形颗粒的运动轨迹与姿态数据进行处理，得到非球形颗粒曳力关于颗粒雷诺数、姿态和形状的关系，并通过拟合得到基本流场下的曳力函数；S3，通过流场分解方法，将待处理的任意流场分解为多个基本流场的叠加，对应得到了任意流场的分解式；S4，将步骤S2得到的基本流场曳力函数代入到任意流场的分解式中，得到最终的任意流场内非球形颗粒的曳力函数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中所述的基本流场指的是剪切流场和均匀流场所述的基本流场装置包括基本流场产生装置和三维粒子追踪装置；其中，基本流场产生装置用于产生剪切流场或均匀流场；三维粒子追踪装置用于采集非球形颗粒运动状态。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中所述的前期布置依次包括：在流场中投入示踪粒子用以观察并验证流场状态，待流场稳定后在流场研究区域内均匀间隔地投放非球形颗粒以保证数据充分采集；所述的装置所需参数包括：含待定系数的假定曳力函数形式、非球形颗粒尺寸形状参数、流场参数、三维粒子追踪装置的采样频率和流场分解精度。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中所述的拟合得到基本流场下的曳力函数包括非球形颗粒曳力计算及含参变量的基本流场曳力函数拟合两个过程；具体为：在曳力计算过程中，通过采集的颗粒位置变化得到其速度矢量和加速度矢量，进而得到非球形颗粒在一定颗粒雷诺数时不同姿态下的曳力矢量；将其代入含参变量的曳力函数(F)中，进行拟合得到设定参数范围内的曳力函数关系式。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的含参变量的曳力函数(F)的自变量为：颗粒雷诺数(Re
p
)、颗粒姿态角、非球形颗粒球形度(Φ)，其中颗粒姿态角包括进动角α、自旋角β、章动角γ；即F＝f(Re
p
,α,β,γ,Φ)；通过三维粒子追踪装置实时采集不同姿态下颗粒受到的曳力数据；α与β的范围为[0,2π)。6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述的颗粒姿态角具体定义如下：令固定参考系为Oxyz，而颗粒坐标系为Ox'y'z'，称xy平面与x'y'平面的交线为M,则有α为x轴与交线M的夹角...

【专利技术属性】
技术研发人员：库晓珂，李庆华，张润辉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：