CN104933243B - 一种气液两相流的模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气液两相流的模拟方法，该方法针对工业流道中含水混合气体流通过程，结合物理原理与数学逼近算法，对流道中的两相流的气液情况进行分析模拟；经仿真可得到气态水的气压、摩尔流量与液态水的摩尔流量，从而分析实际中的两相流问题。本发明通过气液两相流的处理方法与动态仿真分析水的两相流情况，有益于分析管道湿度、水液体量、气液两相流等在工业过程中必须考虑的因素。

Description

一种气液两相流的模拟方法
技术领域
本发明属于工业过程中流道中的两相流模型仿真与预测领域，特别涉及一种气液两相流的模拟方法。
背景技术
气液两相管流(Gas liquid two phase flow in pipes)是指游离气体和液体在管道中同时流动的情况，该过程中游离气体和液体气液状态共存、相互转换。
在两相管流的四种类型(气—液、气—固、液—液以及液—固)中，气—液两相流是最复杂的。这是由于气—液两相流中存在可变形的两相界面，其中的气相具有高度可压缩性，气液间存在一个互相转换的动态过程。两相界面分布成不同几何形态或不同流动结构形式的现象称之为两相流流动型态，简称流态或流型。不同流型的气液混合物遵循各自不同的流动规律。
本发明是针对工业过程中流经流道的含水混合气体中的水的气—液两相流的模拟方法，特别强调的是，混合气体中的气体均应可看作理想气体，且在水中的溶解度可忽略不计。工业应用中两相流的应用广泛，在工业过程的计算机仿真模拟方面，本发明运用常微分方法，相对于偏微分方法，适用于针对同一模型的系统分析与控制器的设计。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种气液两相流的模拟方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种气液两相流的模拟方法，该方法首先针对工业流道中混合气体流通过程，结合物理原理与数学逼近算法，对工业流道中的两相流的气液情况进行分析模拟；其次经仿真可得到气态水的气压、流量与液态水的流量，从而分析实际中的两相流问题。具体包括如下步骤：
(1)构建工业流道中含水混合气体流通模型：其中与水两相流相关的主要变量为流道中混合气体中各部分气体的气压；混合气体与水蒸气共同流通，气压与流量存在互相耦合的关系；给出公式(1)：
公式(1)中表示混合气体的总摩尔流量，Mmix表示混合气体的单位摩尔质量，A表示流道横截面积(若考虑气体经过比例阀的流动，则为比例阀的孔口面积)，pall表示混合气体总气压，R表示理想气体常数，T表示温度，其中Mmix,Cd计算如下：
公式(2)中xi(i＝1,2,...,i,...,n)表示第i种气体在混合气体中所占的比例，Mi(i＝1,2,...,i,...,n)表示第i种气体的单位摩尔质量，n表示除水蒸气外的气体数量，以此类推，假设混合气体中含有若干气体与水蒸气，这些气体均可看作理想气体，在管道中不会发生化学反应，以及在水中的溶解度可忽略不计；
公式(3)中pout表示混合气体出口处的气压，pin表示混合气体进口处的气压；
公式(4)中比热容比γ＝cp/cv，cp为气体恒压比热容，cv为气体恒容比热容，根据混合气体成分确定；
混合气体中各种气体的气压-流量关系利用理想气体公式推导给出：
公式(5)中pgas表示混合气体中某一气体的分压，表示混合气体中该气体的分压对时间的导数，V表示该段流道的体积，表示该气体的摩尔流量；
工业过程中因反应、机器工作升温、外界环境温度变化等情况会导致流道内温度发生变化，而流道内温度变化会导致水的饱和蒸汽气压发生改变，由于水的气液两相流问题存在于0～100℃的温度环境中，可选取符合温度范围的饱和蒸汽压经验公式建立温度T和水饱和蒸汽气压Psat间的关系；普通工业过程环境温度处于10～168℃之间，符合Antoine温度-水的饱和蒸汽压公式，如公式(6)所示；若温度处于0～10℃摄氏度范围，可通过查阅温度-水的饱和蒸汽压表或通过Keenan和Keyes经验式建立二者关系；
ln(Psat)＝9.3876-3826.36/(T-45.47) (6)
公式(7)表示温度与热量的关系，其中T为温度，表示在流道中因工业过程中反应产生的热量的变化量，表示在流道中因环境温度改变导致的热量的变化量，表示在流道中因水因气液转换产生的热量的变化量，若有其他热量变化可添加；
(2)根据步骤1得到的模型，引入两相流气液分配算法，实现工业流道含水混合气体中水的气液两相流的模拟，具体如下：根据公式(5)可得到公式(8)、(9)；其中，公式(8)表示实际工业过程中水蒸气气压的变化公式，即存在两相流情况下的水蒸气气压变化公式；公式(9)表示不考虑水蒸气的气液转换，假设所有水均已气态水方式存在下的水蒸气气压变化公式；
公式(8)中表示水蒸汽气压，分别表示进口水蒸汽摩尔流量与出口水蒸汽摩尔流量，为管道内存在的反应生成水，表示生成水中的液体部分；
公式(9)中表示假设所有水均以气态水的方式存在下的水蒸气气压，分别表示进口水蒸汽摩尔流量与出口水蒸汽摩尔流量，为管道内存在的反应生成水；
工业过程中，水蒸气气压在达到临界值时会开始产生液态水；通过设定常数waterc进行调节，取值范围为(0.9RH,RH)，实际可根据工业过程需求自行调节；计算方法如公式(10)和公式(11)：
当小于临界值时，认为水以水蒸气形式存在，公式(12)成立：
当时
公式(13)中watera，waterb,waterc表示相关的常数系数，可根据实际操作需要修改；其中watera，waterb表示与逼近速度相关的常数系数，可控制水蒸气气压曲线趋近于期望水蒸气气压时候的速度，即圆弧曲度，取值为(0,10]，以达到期望的效果。
本发明的有益效果是：本发明通过气液两相流的处理方法与动态仿真分析水的两相流情况，有益于分析管道湿度、水液体量、气液两相流等在工业过程中必须考虑的因素。
附图说明
图1是本发明方法在流道中的水蒸气气压对饱和蒸汽压曲线的逼近。
图2是本发明方法在流道中的气态水摩尔流量以及液态水的摩尔流量变化曲线。
具体实施方式
本发明针对水的两相流问题，首先利用MATLAB/Simulink软件建立模型。针对两相流问题，模型在原理上可分为流道含水混合气体流通部分与水的气液两相流部分。本发明主要考虑每个部分与水的气液状态问题有关的量，在模型内部进行一个多物理域的耦合，实现对水的气液两相流情况的模拟。
本发明采用的技术方案的主要步骤如下：
第一步：构建工业流道中含水混合气体流通模型：其中与水两相流相关的主要变量为流道中混合气体中各部分气体的气压。混合气体与水蒸气共同流通，气压与流量存在互相耦合的关系。
因为在流道中考虑所有气体以混合气体的方式流通，参考文献：
P.Beater.Pneumatic drives[M].Springer-Verlag Berlin Heidelberg,2007.
给出公式(1)：
公式(1)中表示混合气体的总摩尔流量，Mmix表示混合气体的单位摩尔质量，A表示流道横截面积(若考虑气体经过比例阀的流动，则为比例阀的孔口面积)，pall表示混合气体总气压，R表示理想气体常数，T表示温度，其中Mmix,Cd计算如下：
公式(2)中xi(i＝1,2,...,i,...,n)表示第i种气体在混合气体中所占的比例，Mi(i＝1,2,...,i,...,n)表示第i种气体的单位摩尔质量，n表示除水蒸气外的气体数量，以此类推，假设混合气体中含有若干气体与水蒸气，这些气体均可看作理想气体，在管道中不会发生化学反应，以及在水中的溶解度可忽略不计。
公式(3)中pout表示混合气体出口处的气压，pin表示混合气体进口处的气压。
公式(4)中比热容比γ＝cp/cv，cp为气体恒压比热容，cv为气体恒容比热容，根据混合气体成分确定。
混合气体中各种气体的气压-流量关系利用理想气体公式推导给出：
公式(5)中pgas表示混合气体中某一气体的分压，表示混合气体中该气体的分压对时间的导数，V表示该段流道的体积，表示该气体的摩尔流量。
工业过程中因反应、机器工作升温、外界环境温度变化等情况会导致流道内温度发生变化，而流道内温度变化会导致水的饱和蒸汽气压发生改变，由于水的气液两相流问题存在于0～100℃的温度环境中，可选取符合温度范围的饱和蒸汽压经验公式建立温度T和水饱和蒸汽气压Psat间的关系。普通工业过程环境温度处于10～168℃之间，符合Antoine温度-水的饱和蒸汽压公式，如公式(6)所示。(若温度处于0～10℃摄氏度范围，可通过查阅温度-水的饱和蒸汽压表或通过Keenan和Keyes经验式建立二者关系)
ln(Psat)＝9.3876-3826.36/(T-45.47) (6)
公式(7)表示温度与热量的关系，其中T为温度，表示在流道中因工业过程中反应产生的热量的变化量，表示在流道中因环境温度改变导致的热量的变化量，表示在流道中因水因气液转换产生的热量的变化量，若有其他热量变化可添加。
第二步：根据步骤1得到的模型，引入两相流气液分配算法，实现工业流道含水混合气体中水的气液两相流的模拟，具体如下：根据公式(5)可得到公式(8)(9)。其中，公式(8)表示实际工业过程中水蒸气气压的变化公式，即存在两相流情况下的水蒸气气压变化公式；公式(9)表示不考虑水蒸气的气液转换，假设所有水均已气态水方式存在下的水蒸气气压变化公式。
公式(8)中表示水蒸汽气压，分别表示进口水蒸汽摩尔流量与出口水蒸汽摩尔流量，为管道内存在的反应生成水，表示生成水中的液体部分。
公式(9)中表示假设所有水均以气态水的方式存在下的水蒸气气压，分别表示进口水蒸汽摩尔流量与出口水蒸汽摩尔流量，为管道内存在的反应生成水。
工业过程中，水蒸气气压在达到临界值时会开始产生液态水，该临界值通常略小于期望湿度要求RH下的期望水蒸汽压通过设定常数waterc进行调节，取值范围为(0.9RH,RH)，实际可根据工业过程需求自行调节。计算方法如公式(10)和公式(11)。
当小于临界值时，认为水以水蒸气形式存在，公式(12)成立：
当时
公式(13)中watera，waterb,waterc表示相关的常数系数，可根据实际操作需要修改。其中watera，waterb表示与逼近速度相关的常数系数，可控制水蒸气气压曲线趋近于期望水蒸气气压时候的速度，即圆弧曲度，取值为(0,10]，以达到期望的效果。
图1实线部分为随外界温度T变化的水的饱和蒸汽压曲线，流道内水蒸气气压曲线如图1虚线部分，当水蒸气气压接近饱和蒸汽压时，水蒸气气压存在一个逼近过程，之后随着饱和蒸汽压曲线变化。图2是该过程中水蒸气的摩尔流量和液态水摩尔流量，观察到当图1水蒸气气压接近饱和蒸汽压时，水蒸气摩尔流量改变其原有趋势，且此时开始液态水摩尔流量大于0，即开始有液态水生成。
需要强调的是，本发明可以针对任何一种建模问题中的两相流处理问题。本发明描述一种气液两相流的模拟方法，所述细节为较佳的实施方案，但并非仅仅局限于此，其实施方式并不受上述实施例的限制，其它任何在未背离本发明原理下所做的改变、修饰、组合、简化以及运用对象的延伸均应为等效的置换方式，例如将本发明应用于工业中存在含水混合气体流通(混合气体在水中溶解度忽略不计)的容器中的情况，将模型中的部分公式替换为另外的公知性公式的情况，采用建议取值范围外的常数取值的情况等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种气液两相流的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建工业流道中含水混合气体流通模型：其中与水两相流相关的主要变量为流道中混合气体中各部分气体的气压；混合气体与水蒸气共同流通，气压与流量存在互相耦合的关系；给出公式(1)：
公式(1)中表示混合气体的总摩尔流量，Mmix表示混合气体的单位摩尔质量，A表示流道横截面积，若考虑气体经过比例阀的流动，则表示比例阀的孔口面积，pall表示混合气体总气压，R表示理想气体常数，T表示温度，其中Mmix,Cd计算如下：
在混合气体中，含有若干种气体与水蒸气，均看作理想气体，在管道中不会发生化学反应，并忽略气体在水中的溶解度；公式(2)中xi表示第i种气体在混合气体中所占的比例，Mi表示第i种气体的单位摩尔质量，n表示除水蒸气外的气体数量；
公式(3)中pout表示混合气体出口处的气压，pin表示混合气体进口处的气压；
公式(4)中比热容比γ＝cp/cv，cp为气体恒压比热容，cv为气体恒容比热容，根据混合气体成分确定；
混合气体中各种气体的气压-流量关系利用理想气体公式推导给出：
公式(5)中pgas表示混合气体中某一气体的分压，表示混合气体中该气体的分压对时间的导数，V表示该段流道的体积，表示该气体的摩尔流量；
工业过程中因反应、机器工作升温、外界环境温度变化会导致流道内温度发生变化，而流道内温度变化会导致水的饱和蒸汽气压发生改变，由于水的气液两相流问题存在于0～100℃的温度环境中，选取符合温度范围的饱和蒸汽压经验公式建立温度T和水饱和蒸汽气压Psat间的关系；普通工业过程环境温度处于10～168℃之间，符合Antoine温度-水的饱和蒸汽压公式，如公式(6)所示；若温度处于0～10℃范围，通过查阅温度-水的饱和蒸汽压表或通过Keenan和Keyes经验式建立二者关系；
ln(Psat)＝9.3876-3826.36/(T-45.47) (6)
公式(7)表示温度与热量的关系，其中T为温度，表示在流道中因工业过程中反应产生的热量的变化量，表示在流道中因环境温度改变导致的热量的变化量，表示在流道中因水的气液转换产生的热量的变化量，若有其他热量变化则添加；
(2)根据步骤1得到的模型，引入两相流气液分配算法，实现工业流道含水混合气体中水的气液两相流的模拟，具体如下：根据公式(5)得到公式(8)、(9)；其中，公式(8)表示实际工业过程中水蒸气气压的变化公式，即存在两相流情况下的水蒸气气压变化公式；公式(9)表示不考虑水蒸气的气液转换，所有水均以气态水方式存在下的水蒸气气压变化公式；
公式(8)中表示水蒸气气压，分别表示进口水蒸气摩尔流量与出口水蒸气摩尔流量，为管道内存在的反应生成水的摩尔流量，表示生成水中的液体部分的摩尔流量；
公式(9)中表示所有水均以气态水的方式存在下的水蒸气气压，分别表示进口水蒸气摩尔流量与出口水蒸气摩尔流量，为管道内存在的反应生成水的摩尔流量；
工业过程中，水蒸气气压在达到临界值时会开始产生液态水，该临界值通常略小于期望湿度要求RH下的期望水蒸气气压 通过设定常数waterc进行调节，取值范围为(0.9RH,RH)，根据工业过程需求自行调节； 计算方法如公式(10)和公式(11)：
当小于临界值时，认为水以水蒸气形式存在，公式(12)成立：
当时
公式(13)中watera，waterb,waterc表示相关的常数系数，根据实际操作需要修改；其中watera，waterb表示与逼近速度相关的常数系数，用于控制水蒸气气压曲线趋近于期望水蒸气气压时候的速度，即圆弧曲度，取值为(0,10]，以达到期望的效果。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107122512B (zh) * 2017-03-15 2020-05-22 华南理工大学 液环泵非稳态气体流场及吸入压缩性能的简化计算方法
CN107301306B (zh) * 2017-08-04 2020-09-15 中国石油化工股份有限公司华北油气分公司 用于致密砂岩气藏压裂水平井的动态无阻流量预测方法
CN111307809B (zh) * 2020-02-24 2021-01-12 浙江大学 小管道气液两相流相分布光学检测系统和方法
CN113536212B (zh) * 2020-04-15 2024-04-02 中国石油化工股份有限公司 一种基于气液两相管流模型的井底压力确定方法
CN116560328B (zh) * 2023-07-10 2023-10-13 江苏晨达半导体科技有限公司 一种半导体设备控制系统的优化方法及系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103226641A (zh) * 2013-05-10 2013-07-31 中国石油大学(华东) 深水气液两相流循环温度压力耦合计算方法
CN103631992A (zh) * 2013-11-07 2014-03-12 华南理工大学 一种自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014013424A (ja) * 2012-07-03 2014-01-23 Advancesoft Aorp 気液二相流シミュレーションの計算方法、プログラム、および装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103226641A (zh) * 2013-05-10 2013-07-31 中国石油大学(华东) 深水气液两相流循环温度压力耦合计算方法
CN103631992A (zh) * 2013-11-07 2014-03-12 华南理工大学 一种自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
水平管道气液两相段塞流参数计算的精确模型;姜俊泽等;《化工学报》;20121215;第3826-3831页 *

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