一种湍流流动状态下泡状流数值预测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种湍流流动状态下泡状流数值预测方法及系统。该方法包括：基于气液反应器的结构参数构建气液反应器物理模型；基于气液反应器的入口参数构建入口模拟参数；基于所述气液反应器物理模型以及所述入口模拟参数，进行实验得到气泡尺寸场；基于所述气泡尺寸场修正湍流相间传递机制模型；基于修正后的湍流相间传递机制模型，求解气液湍流模型，得到气液湍流参数；对不同工况下的气液相间界面力模型进行优化；基于优化后的气液相间界面力模型，求解双流体模型，得到气液速度场和气液相场。本发明专利技术能够提高湍流泡状流中湍流强度、气液流速及含气率等参数的预测精度。气液流速及含气率等参数的预测精度。气液流速及含气率等参数的预测精度。

【技术实现步骤摘要】
一种湍流流动状态下泡状流数值预测方法及系统


[0001]本专利技术涉及气
‑
液反应器
，特别是涉及一种湍流流动状态下泡状流数值预测方法及系统。

技术介绍

[0002]气
‑
液反应器广泛应用于石油、化工、核、航空、医药等工业领域，包括鼓泡发生器、搅拌反应器、喷射反应器等多种设备型式。此类设备利用气泡在流体中湍动过程，加速液相扰动、增大气液相界面面积，提升两相传质、传热或化学反应效率。因此，准确预测湍流流动状态下泡状流流型演化对工业设备过程优化及效率提升具有重要意义。
[0003]实验观测表明，在湍流流动状态下气泡出现聚并、破裂现象，是流场中气泡群尺寸及其分布在流场中演化形成的结果；若含气率较高或气泡群数量密集，气液相间界面效应更加显著。一方面，液相湍流特性影响气泡受力运动及聚并、破裂机制，另一方面，气泡受力运动或聚并、破裂机制反作用于液相湍流特性。因此，合理的气液相间动量传递机制是湍流泡状流数学模型的重要组成。然而，现有泡状流数学模型未考虑含气率及气泡尺寸对气液相间界面效应影响，对相间传递机制描述仍不明确。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种湍流流动状态下泡状流数值预测方法及系统，用以准确预测湍流流动状态下泡状流的数值。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种湍流流动状态下泡状流数值预测方法，包括：
[0007]基于气液反应器的结构参数构建气液反应器物理模型；
[0008]基于气液反应器的入口参数构建入口模拟参数；
[0009]基于所述气液反应器物理模型以及所述入口模拟参数，进行实验得到气泡尺寸场；
[0010]基于所述气泡尺寸场修正湍流相间传递机制模型；
[0011]基于修正后的湍流相间传递机制模型，求解气液湍流模型，得到气液湍流参数；
[0012]对不同工况下的气液相间界面力模型进行优化；
[0013]基于优化后的气液相间界面力模型，求解双流体模型，得到气液速度场和气液相场。
[0014]可选地，基于所述气泡尺寸场修正湍流相间传递机制模型，具体包括：
[0015]基于所述气泡尺寸场，采用附加粘度法和附加源项法从湍流粘度、湍动能和湍流耗散率三个方面修正湍流相间传递机制模型。
[0016]可选地，所述气液湍流模型包括气相零方程模型和液相k
‑
ε湍流模型；
[0017]所述气相零方程模型的表达式如下：
[0018]μ
t
＝ρf
μ
U
t
l
t
[0019][0020]其中，U
t
为湍流速度标度，l
t
为湍流长度标度，f
μ
为比例常数，V
D
为流体域体积，μ
t
为分散相湍流黏度，t表示湍流，ρ为气相密度；
[0021]所述液相k
‑
ε湍流模型中剪切诱发湍流粘性系数由湍动能和湍流耗散率表示：
[0022][0023]其中，为剪切诱发湍流粘性系数，ρ
l
为液相密度，k
l
为液相湍动能，ε
l
为液相湍流耗散率，C
μ
为液相湍流模型常数；
[0024]湍动能k和湍流耗散率ε方程如下：
[0025][0026][0027]其中，i＝l或g表示液相或气相，α、ρ与u分别为液相或气相的含气率、密度和速度，k表示平均速度梯度引起的湍流动能，G
b
表示气泡诱发湍动能，Y
M
为可压缩湍流中脉动体胀率对整个耗散率的贡献，C
ε1
、C
ε2
和C
ε3
表示液相k
‑
ε湍流模型常数，σ
ε
和σ
k
分别代表k和ε的湍流Prandtl数，τ
bit
表示湍流涡耗散特征时间。
[0028]可选地，所述气液相间界面力模型的表达式如下：
[0029][0030]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，表示曳力，表示虚拟质量力，表示升力，表示壁面润滑力，表示湍流耗散力。
[0031]针对上述方法，本专利技术还提供了一种湍流流动状态下泡状流数值预测系统，包括：
[0032]气液反应器物理模型构建模块，用于基于气液反应器的结构参数构建气液反应器物理模型；
[0033]入口模拟参数构建模块，用于基于气液反应器的入口参数构建入口模拟参数；
[0034]气泡尺寸场获取模块，用于基于所述气液反应器物理模型以及所述入口模拟参数，进行实验得到气泡尺寸场；
[0035]修正模块，用于基于所述气泡尺寸场修正湍流相间传递机制模型；
[0036]气液湍流参数获取模块，用于基于修正后的湍流相间传递机制模型，求解气液湍流模型，得到气液湍流参数；
[0037]优化模块，用于对不同工况下的气液相间界面力模型进行优化；
[0038]气液速度场和气液相场获取模块，用于基于优化后的气液相间界面力模型，求解双流体模型，得到气液速度场和气液相场。
[0039]可选地，基于所述气泡尺寸场修正湍流相间传递机制模型，具体包括：
[0040]基于所述气泡尺寸场，采用附加粘度法和附加源项法从湍流粘度、湍动能和湍流耗散率三个方面修正湍流相间传递机制模型。
[0041]可选地所述气液湍流模型包括气相零方程模型和液相k
‑
ε湍流模型；
[0042]所述气相零方程模型的表达式如下：
[0043]μ
t
＝ρf
μ
U
t
l
t
[0044][0045]其中，U
t
为湍流速度标度，l
t
为湍流长度标度，f
μ
为比例常数，V
D
为流体域体积，μ
t
为分散相湍流黏度，t表示湍流，ρ为气相密度；
[0046]所述液相k
‑
ε湍流模型中剪切诱发湍流粘性系数由湍动能和湍流耗散率表示：
[0047][0048]其中，为剪切诱发湍流粘性系数，ρ
l
为液相密度，k
l
为液相湍动能，ε
l
为液相湍流耗散率，C
μ
为液相湍流模型常数；
[0049]湍动能k和湍流耗散率ε方程如下：
[0050][0051][0052]其中，i＝l或g表示液相或气相，α、ρ与u分别为液相或气相的含气率、密度和速度，k表示平均速度梯度引起的湍流动能，G
b
表示气泡诱发湍动能，Y
M
为可压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种湍流流动状态下泡状流数值预测方法，其特征在于，包括：基于气液反应器的结构参数构建气液反应器物理模型；基于气液反应器的入口参数构建入口模拟参数；基于所述气液反应器物理模型以及所述入口模拟参数，进行实验得到气泡尺寸场；基于所述气泡尺寸场修正湍流相间传递机制模型；基于修正后的湍流相间传递机制模型，求解气液湍流模型，得到气液湍流参数；对不同工况下的气液相间界面力模型进行优化；基于优化后的气液相间界面力模型，求解双流体模型，得到气液速度场和气液相场。2.根据权利要求1所述的湍流流动状态下泡状流数值预测方法，其特征在于，基于所述气泡尺寸场修正湍流相间传递机制模型，具体包括：基于所述气泡尺寸场，采用附加粘度法和附加源项法从湍流粘度、湍动能和湍流耗散率三个方面修正湍流相间传递机制模型。3.根据权利要求1所述的湍流流动状态下泡状流数值预测方法，其特征在于，所述气液湍流模型包括气相零方程模型和液相k
‑
ε湍流模型；所述气相零方程模型的表达式如下：μ
t
＝ρf
μ
U
t
l
t
其中，U
t
为湍流速度标度，l
t
为湍流长度标度，f
μ
为比例常数，V
D
为流体域体积，μ
t
为分散相湍流黏度，t表示湍流，ρ为气相密度；所述液相k
‑
ε湍流模型中剪切诱发湍流粘性系数由湍动能和湍流耗散率表示：其中，为剪切诱发湍流粘性系数，ρ
l
为液相密度，k
l
为液相湍动能，ε
l
为液相湍流耗散率，C
μ
为液相湍流模型常数；湍动能k和湍流耗散率ε方程如下：湍动能k和湍流耗散率ε方程如下：其中，i＝l或g表示液相或气相，α、ρ与u分别为液相或气相的含气率、密度和速度，k表示平均速度梯度引起的湍流动能，G
b
表示气泡诱发湍动能，Y
M
为可压缩湍流中脉动体胀率对整个耗散率的贡献，C
ε1
、C
ε2
和C
ε3
表示液相k
‑
ε湍流模型常数，σ
ε
和σ
k
分别代表k和ε的湍流Prandtl数，τ
bit
表示湍流涡耗散特征时间。4.根据权利要求1所述的湍流流动状态下泡状流数值预测方法，其特征在于，所述气液相间界面力模型的表达式如下：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，
表示曳力，表示虚拟质量力，表示升力，表示壁面润滑力，表示湍流耗散力。5.一种湍流流动状态下泡状流数值预测系统，其特征在于，包括：气液反应器物理模型构建模块，用于...

【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：