CN107341315B - 采用混合尺度多相流模型对多相流进行预测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用混合尺度多相流模型对多相流进行预测的方法，包括：S1、根据预先设定的计算域网格尺寸，确定混合尺度多相流中大尺度的相界面和小尺度的相界面；S2、获取混合尺度多相流中每一介质的物性参数，相邻介质组成的界面参数，离散粒子的物理参数；S3、根据物性参数，界面参数，物理参数，采用预先建立的混合尺度多相流模型对该混合尺度多相流进行预测，确定所述混合尺度多相流的物理过程，获取流场信息；混合尺度多相流模型包括：集合有离散粒子所占相分率的连续界面捕捉算法、离散粒子的随体算法、和连续流体的界面与离散粒子的相互作用子模型。上述方法保证界面不发散，使界面上物质属性尽可能地呈阶跃分布。

Description

采用混合尺度多相流模型对多相流进行预测的方法

技术领域

本发明涉及的多相流预测技术，尤其涉及一种采用混合尺度多相流模型对多相流进行预测的方法。

背景技术

多尺度多相流动过程广泛存在于各种工业过程，如能源动力、石油化工、冶金、制冷以及航空航天等领域。通常情况下，多相流体系总是由若干种连续介质和若干种不连续介质组成。连续介质可称为连续相，不连续介质则称为离散相。多相流是指由不同种类连续介质或不连续介质组成的流动过程。在自然界、日常生活以及各种工业过程中，两相或多相流问题均广泛存在，例如气-液、液-液、气-固及液-固等多相流动体系。其中，气-液、气-固或气-液-固多相混合流动常存在大界面变形，离散粒子输运，连续相-离散相转变等过程，对于这类多尺度相界面共存的情况，目前预测过程中的困难在于难以同时捕捉大尺度的连续界面和小尺度的离散相界面。

针对单相流动或只包含两种连续相或一种连续相和一种离散相的两相流过程，现有技术中采用以计算机为工具的数值分析方法求解由质量、动量、能量等守恒方程组成的偏微分方程组，或通过质点法分析大量离散粒子的运动来模拟某一相的运动规律，再借助图像显示工具给出空间中的速度、压力以及温度等预测信息。上述方法其花费的物质耗费少；具有很好的操作性及可重复性；可以预测实验难以测量的量等优势，已得到越来越广泛的应用。

目前针对两种或两种以上连续相以及若干种离散相的多相流过程，尚无较完善的数值计算方法。即，针对两种或两种以上连续相以及若干种离散相的多相流过程：(1)变量显著增加。各相速度、浓度、离散相粒子大小以及相间速度、作用力等都在很宽范围内变化，流型也随之显著变化。(2)相分布描述困难。(3)相间相互作用确定困难。单一连续相与离散相的相互作用本身就是难题，不同连续相各种参数差距较大，需确定离散相与不同种类连续相的相互作用以及离散相在相界面所受表面张力的影响等。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提供一种采用混合尺度多相流模型对多相流进行预测的方法。

第一方面，本发明提供一种采用混合尺度多相流模型对多相流进行预测的方法，包括：

S1、根据预先设定的计算域网格尺寸，确定混合尺度多相流中大尺度的相界面，和混合尺度多相流中小尺度的相界面即离散粒子；

S2、获取所述混合尺度多相流中每一介质的物性参数，相邻介质组成的界面参数，离散粒子的物理参数；

S3、根据每一介质的物性参数，相邻介质组成的界面参数，离散粒子的物理参数，采用预先建立的混合尺度多相流模型对该混合尺度多相流进行预测，确定所述混合尺度多相流的物理过程，获取流场信息；

其中，所述大尺度为相界面的尺寸大于或等于计算域网格尺寸，所述小尺度为相界面的尺寸小于计算域网格尺寸；

所述混合尺度多相流模型包括：集合有离散粒子所占相分率的连续界面捕捉算法、离散粒子的随体算法、和连续流体的界面与离散粒子的相互作用子模型。

可选地，步骤S3之前，建立的混合尺度多相流模型中的集合有离散粒子所占相分率的连续界面捕捉算法、离散粒子的随体算法、和连续流体的界面与离散粒子的相互作用子模型。

可选地，所述建立的混合尺度多相流模型中的集合有离散粒子所占相分率的连续界面捕捉算法步骤，包括：

采用公式一获取混合尺度多相流中某一连续相的相分率α(即体积分数)；

公式一：

其中，u_α表示界面压缩速度，

C_α表示用于控制界面压缩率的压缩系数，

使u_α始终垂直于界面；α＝1代表全部为该相，另一相的相分率则为(1-α)，0<α<1为相界面；

根据公式二，获取离散相所占连续相的相分率，以及根据公式三和公式四建立考虑离散相相分率的连续性方程和动量方程；

公式二：

其中，α_c,min为最小孔隙率，防止单元格被粒子完全占据，V_p，V_cell分别代表粒子体积和粒子所处单元格体积；

公式三：

公式四：

u_c表示连续相速度，P表示压力，S表示粘性应力张量，g表示重力加速度，F_s表示表面张力，F_pf表示连续相与离散相相互作用力。

可选地，所述建立的混合尺度多相流模型中的集合有离散粒子所占相分率的连续界面捕捉算法步骤，包括：

采用公式五和公式六分别获取混合尺度多相流中连续相的粘度μ_c和密度ρ_c；

公式五：μ_c＝αμ₁+(1-α)μ₂；

公式六：ρ_c＝αρ₁+(1-α)ρ₂；

其中，下标1和下标2分别表示连续相1和连续相2；c表示所有连续相。

可选地，所述建立的混合尺度多相流模型中的集合有离散粒子所占相分率的连续界面捕捉算法步骤，还包括：

根据公式七，获取连续相的表面张力；根据公式八，获取连续相的界面曲率κ；

公式七：

其中γ为表面张力系数；界面曲率κ则可以写成:

公式八：

可选地，所述建立的混合尺度多相流模型中的离散粒子的随体算法步骤，包括：

根据公式九，获取迁移速度和旋转速度；

公式九：

式中：m_p、u_p、ω_p分别代表粒子质量、速度和旋转速度；I_p代表转动惯量等于

代表粒子半径；T_p代表粒子所受扭矩；F_C代表粒子间相互作用力；F_pf代表流体与粒子的相互作用力；

式中：β代表曳力系数；F_i代表粒子在界面处受到的表面张力；F_other表示除曳力和表面张力外的其余相间作用力。

可选地，所述粒子所受界面张力表示为：

可选地，所述混合尺度多相流包括：至少两种连续相和至少一种离散相。

本发明具有的有益效果如下：

本发明与现有技术相比具有如下显著特点：

1)本发明实施例以基于有限体积方法的连续界面捕捉方法为基础，跟踪相分率并对其进行压缩，保证界面不发散，使界面上物质属性尽可能地呈阶跃分布。

2)将亚格子尺度的离散粒子所占体积分数引入连续相的控制方程中，以考虑粒子所占连续相体积分数的影响。

3)本发明的方法可以实现对大于网格尺度的界面进行直接求解，而对小于网格尺度的离散粒子进行模型化，以避免对小尺度界面的捕捉而消耗巨量的计算资源。

4)连续相与离散相之间的动量传递采用相间相互作用力描述，并考虑了粒子在界面处所受的表面张力。实现了离散相与多种连续相的相互耦合

5)相对于现有的针对离散相的拟流体算法，本发明可以模拟每个粒子的运动行为，以及各个粒子之间的相互作用。

6)其中的离散粒子可以是固体颗粒，也可以是离散气泡或液滴。

附图说明

图1为本发明的基于混合尺度多相流的预测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中混合尺度多相流模型的计算方法示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明实施例的方法所解决的即同时包含连续分层界面如气-液、液-液相界面，以及离散粒子如固体颗粒、离散气泡等的多尺度多相流过程。例如，所针对的多相流过程包括工业中粉料的气力或液力输送，多相流体的输运，粉尘的分离与收集，选矿，液雾燃料或煤粉燃烧，流化床，各种粉末制备，水下航行器或旋转机械的空化流，锅炉及反应堆内汽水流动，铁水精炼或连铸过程的气-液-渣流动等等。

如图1所示，本实施例的方法可包括下述步骤：

S1、根据预先设定的计算域网格尺寸，确定混合尺度多相流中大尺度的相界面，和混合尺度多相流中小尺度的相界面；

S2、获取所述混合尺度多相流中每一介质的物性参数，相邻介质组成的界面参数，离散粒子的物理参数；

S3、根据每一介质的物性参数，相邻介质组成的界面参数，离散粒子的物理参数，采用预先建立的混合尺度多相流模型对该混合尺度多相流进行预测，确定所述混合尺度多相流的物理过程，获取流场信息；

其中，所述大尺度为相界面的尺寸大于或等于计算域网格尺寸，所述小尺度为相界面的尺寸小于计算域网格尺寸；

所述混合尺度多相流模型包括：集合有离散粒子所占相分率的连续界面捕捉算法、离散粒子的随体算法、和连续流体的界面与离散粒子的相互作用子模型。

在实际应用中，所述步骤S1之后，步骤S3之前，所述方法还包括下述的步骤S0：

S0、建立的混合尺度多相流模型中的集合有离散粒子所占相分率的连续界面捕捉算法、离散粒子的随体算法、和连续流体的界面与离散粒子的相互作用子模型。

上述方法可以克服现有模型无法同时准确描述连续界面和离散粒子的缺陷，且不会造成计算量过大，可方便地应用于工程实际问题，以实现对实际工业过程中的复杂多相流问题的数值模拟。

为更好的理解上述实施例的方法，以下结合公式进行详细说明。

第一步：建立完善的考虑离散粒子所占体积分数的连续界面捕捉算法、离散粒子的随体算法、连续相流体与粒子以及界面与粒子的相互作用模型即连续流体的界面与离散粒子的相互作用子模型。

1)针对连续相采用界面捕捉算法，求解其中一连续相的相分率，并对界面进行压缩防止发散。控制方程如下：

式中：u_α表示界面压缩速度，表示如下：

式中：C_α表示压缩系数，控制界面压缩率，建议其值为1≤C_α≤4。

使u_α始终垂直于界面。对于连续相的粘度μ_c和密度ρ_c由下式求解：

μ_c＝αμ₁+(1-α)μ₂ (3)

ρ_c＝αρ₁+(1-α)ρ₂ (4)

式中：下标1和2分别表示连续相1和连续相2；c表示所有连续相。

由于多相流中还包含离散相，且离散相的尺寸要小于计算域网格尺寸。为考虑离散相所占连续相体积分数，通过下式求解连续相体积分数：

式中：α_c,min为最小孔隙率，防止该网格被粒子完全占据，值由用户给定，应在(0,0.36)之间。V_p，V_cell分别代表粒子体积和粒子所处单元格体积。由此，建立考虑离散相体积分数的连续相控制方程如下：

式中：u_c表示连续相速度，P表示压力，S表示粘性应力张量，g表示重力加速度，F_s表示表面张力，F_pf表示连续相与离散相相互作用力。表面张力的求解如下式：

其中γ为表面张力系数，根据不同连续相性质确定；界面曲率κ则可以写成:

由此，建立了考虑离散粒子所占体积分数的连续相计算方法和界面捕捉算法。

2)针对离散相采用基于拉格朗日坐标系的随体算法。根据牛顿第二定律，其迁移速度和旋转速度分别表示如下：

式中：m_p、u_p、ω_p分别代表粒子质量、速度和旋转速度；I_p代表转动惯量等于

其中

代表粒子半径；T_p代表粒子所受扭矩；F_C代表粒子间相互作用力；F_pf代表流体与粒子的相互作用力。

其中，粒子间相互作用力F_C针对固体可以通过现有方式求解。流体与粒子的相互作用力F_pf包括曳力、界面处所受界面张力、虚拟质量力、压力梯度力、Magnus升力等：

式中：β代表曳力系数；F_i代表粒子在界面处受到的表面张力；F_other表示除曳力和表面张力外的其余相间作用力。

曳力为流固耦合计算中最重要的一个力，可根据实际情况确定曳力系数β。

粒子所受界面张力表示如下：

由此，建立了亚格子尺度(即小于计算域网格尺度的称为亚格子尺度)的离散粒子模型，及其与不同连续相相互作用的耦合算法。

上述方法基于有限体积方法，以网格尺度为界，确定计算问题中不同相界面所采用的计算方法。若相界面大于网格尺度则采用考虑离散粒子所占体积分数的连续界面捕捉算法，若相界面离散、间断且小于网格尺度，则采用离散粒子的随体算法计算。连续相与离散相之间通过相互作用力以及离散相所占体积分率进行耦合，实现对多种连续流体和离散粒子共同组成的多尺度多相流过程进行求解。

进一步地，针对大于网格尺度的相界面，采用界面捕捉方法直接捕捉。其中相界面由两种或两种以上互不掺混的连续流体组成，如空气和水组成的气-液相界面、水和油组成的液-液相界面等。

另外，针对小于网格尺度的离散粒子，包括固体颗粒、离散气泡或液滴，采用离散粒子的随体算法。粒子的运动基于牛顿第二定律求解，粒子所受作用力包括重力、浮力、粒子间作用力以及粒子-流体相互作用力等。

此外，通过相间作用力来实现流体与粒子的耦合，同时考虑粒子所占流体的体积分数的影响。

本发明与现有技术相比具有如下显著特点：

1)本发明以基于有限体积方法的连续界面捕捉方法为基础，跟踪相分率并对其进行压缩，保证界面不发散，使界面上物质属性尽可能地呈阶跃分布。

2)将亚格子尺度的离散粒子所占体积分数引入连续相的控制方程中，以考虑粒子所占连续相体积分数的影响。

3)本算法可以实现对大于网格尺度的界面进行直接求解，而对小于网格尺度的离散粒子进行模型化，以避免对小尺度界面的捕捉而消耗大量的计算资源。

4)连续相与离散相之间的动量传递采用相间相互作用力描述，并考虑了粒子在界面处所受的表面张力。实现了离散相与多种连续相的相互耦合

5)相对于现有的针对离散相的拟流体算法，本发明可以模拟每个粒子的运动行为，以及各个粒子之间的相互作用。

6)其中的离散粒子可以是固体颗粒，也可以是离散气泡或液滴。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种采用混合尺度多相流模型对多相流进行预测的方法，其特征在于，包括：

S1、根据预先设定的计算域网格尺寸，确定混合尺度多相流中大尺度的相界面，和混合尺度多相流中小尺度的相界面；

S2、获取所述混合尺度多相流中每一介质的物性参数，相邻介质组成的界面参数，离散粒子的物理参数；

S3、根据每一介质的物性参数，相邻介质组成的界面参数，离散粒子的物理参数，采用预先建立的混合尺度多相流模型对该混合尺度多相流进行预测，确定所述混合尺度多相流的物理过程，获取流场信息；

其中，所述大尺度为相界面的尺寸大于或等于计算域网格尺寸，所述小尺度为相界面的尺寸小于计算域网格尺寸；

所述混合尺度多相流模型包括：集合有离散粒子所占相分率的连续界面捕捉算法、离散粒子的随体算法、和连续流体的界面与离散粒子的相互作用子模型；

其中，步骤S3中采用所述混合尺度多相流模型对该混合尺度多相流进行预测包括：采用考虑离散粒子所占体积分数的连续界面捕捉算法计算大于网格尺度的相界面；采用离散粒子的随体算法计算小于网格尺度且离散、间断的相界面；连续相与离散相之间通过相互作用力以及离散相所占体积分率进行耦合，实现对多种连续流体和离散粒子共同组成的多尺度多相流过程进行求解。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立的混合尺度多相流模型中的集合有离散粒子所占相分率的连续界面捕捉算法步骤，包括：

采用公式一获取混合尺度多相流中某一连续相的相分率α；

公式一：

其中，u_α表示界面压缩速度，

C_α表示用于控制界面压缩率的压缩系数，使u_α始终垂直于界面；0<α<1代表相界面；

根据公式二，获取离散相所占连续相的相分率，以及根据公式三和公式四建立考虑离散相相分率的连续性方程和动量方程；

公式二：

其中，α_c,min为最小孔隙率，防止单元格被粒子完全占据，V_p，V_cell分别代表粒子体积和粒子所处单元格体积；

公式三：

公式四：

u_c表示连续相速度，P表示压力，S表示粘性应力张量，g表示重力加速度，F_s表示表面张力，F_pf表示连续相与离散相相互作用力。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立的混合尺度多相流模型中的集合有离散粒子所占相分率的连续界面捕捉算法步骤，包括：

采用公式五和公式六分别获取混合尺度多相流中连续相的粘度μ_c和密度ρ_c；

公式五：μ_c＝αμ₁+(1-α)μ₂；

公式六：ρ_c＝αρ₁+(1-α)ρ₂；

其中，下标1和下标2分别表示连续相1和连续相2；c表示所有连续相。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立的混合尺度多相流模型中的集合有离散粒子所占相分率的连续界面捕捉算法步骤，还包括：

根据公式七，获取连续相的表面张力；根据公式八，获取连续相的界面曲率κ；

公式七：

其中γ为表面张力系数；

公式八：

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述建立的混合尺度多相流模型中的离散粒子的随体算法步骤，包括：

根据公式九，获取迁移速度和旋转速度；

公式九：

式中：m_p、u_p、ω_p分别代表粒子质量、速度和旋转速度；I_p代表转动惯量等于

代表粒子半径；T_p代表粒子所受扭矩；F_C代表粒子间相互作用力；F_pf代表连续相与离散相相互作用力；

式中：β代表曳力系数；F_i代表粒子在界面处受到的表面张力；F_other表示除曳力和表面张力外的其余相间作用力。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述粒子所受界面张力表示为：

7.根据权利要求1至6任一所述的方法，其特征在于，所述混合尺度多相流包括：至少两种连续相和至少一种离散相。

Images