CN115186419A - 一种基于Modelica的两相流管道设计方法、系统及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Modelica的两相流管道设计方法、系统及介质，方法包括：将原管道方程组模型划分为主体方程模型及本构方程模型；从结构上，将管道划分为控制体及接管，根据需求在流体流动方向进行节点划分；构建主体方程模型，在主体方程求解中，采用交错网格；构建流型判断模型；构建本构方程模型，将流型判断模型的第一相关参数传入本构方程中进行计算，分别得到第二相关参数；将构建的管道模型与管道附件和其它组件连接，构建仿真系统，实现不同工况与参数下的两相流管道设计。本发明在保证计算效率和计算精度的前提下，实现模型的可重用性、可拓展性，同时给工业化建模应用提供可靠的支持。
Description
技术领域
本发明涉及两相流管道设计技术领域，特别是一种基于Modelica的两相流管道设计方法、系统及介质。
背景技术
气液两相流作为最常见的多相流动现象，广泛存在于核电管道、工业输送管道等工业生产中，对工业生产具有十分重要的影响。气液两相流中，气体和液体两种介质同时存在流动区域内，两相流动常常伴随相变、传质和传热的现象，流动具有不稳定性，是十分复杂的物理现象。在两相流发展研究过程中，从直观的流型到经验公式，再到数学模型，伴随大量两相流动试验和数值仿真工作。除此，管道作为最基本的模型单元，在建模过程中，常常作为基本原件与其它管道附件相互连接组成复杂的热流体系统。如何保证高效且精确的两相流动的数值计算结果的前提下，实现两相流管道建模的模块化、可重用性、可拓展性，以满足复杂工程应用的需要，是急需解决的问题。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种基于Modelica的两相流管道设计方法、系统及介质，在保证计算效率和计算精度的前提下，实现模型的可重用性、可拓展性，同时给工业化建模应用提供可靠的支持。
本发明公开了一种基于Modelica的两相流管道设计方法，包括以下步骤：
步骤1：将原管道方程组模型划分为主体方程模型及本构方程模型；
步骤2：从结构上，将管道划分为控制体及接管，根据需求在流体流动方向进行节点划分；
步骤3：构建主体方程模型，在主体方程求解中，采用交错网格；
步骤4：构建流型判断模型；
步骤5：构建本构方程模型，将流型判断模型的第一相关参数传入本构方程中进行计算，分别得到第二相关参数；其中，所述第一相关参数包括流型、空泡率；所述第二相关参数包括不同换热模式下的对流换热系数、不同流型模式下的壁面摩擦系数、相间传热系数、相间摩擦系数；
步骤6：将构建的管道模型与管道附件和其它组件连接，构建仿真系统，实现不同工况与参数下的两相流管道设计。
进一步地，所述主体方程模型包括两相质量、能量、动量方程模型和不凝气体方程模型；所述本构方程模型主要由壁面摩擦模型、壁面换热模型、相间摩擦模型、相间传热模型和相间质量交换模型组成。
进一步地，所述节点划分的方式为控制体和接管交替出现。
进一步地，所述交错网格中把标量存储于包含普通节点的主控制容积内，把矢量的每个坐标分量分别存储于以主控制容积边界为中心的副控制容积内；其中，所述标量包括压力、温度、密度；所述矢量包括速度。
进一步地，在所述主体方程模型中，主控容积以控制体的形式表现，副控制体容积以接管的形式表现；在每个节点上控制体进行质量和能量守恒方程计算，接管进行气液动量守恒方程计算，同时控制体模块计算的部分物性传递给接管模块，接管模块计算的变量传递到控制体，两者耦合迭代完成两相流方程的计算；其中，所述变量包括速度。
进一步地，对于两相流管道模型，假设汽、液两相内部均为连续介质、两相具有不同的线速度、密度和速度为各自流动截面上的平均值、任一流道横截面上压力均匀分布、气相与液相所占流道截面积之和等于流道截面积。
进一步地，所述本构方程模型由多个子模型组成；构建管道内的流型判断模型，将判断结果及相关的物理参数与本构方程构模型中的子模型进行信息传递；其中，所述判断结果包括垂直与水平管流型判断结果；所述相关的物理参数包括。
进一步地，所述构建本构方程模型，将流型判断模型的第一相关参数传入本构方程中进行计算，分别得到第二相关参数，包括：
构建本构方程模型，将流型判断模型的第一相关参数传入本构方程中的壁面传热模型、壁面摩擦模型、相间传热模型、相间摩擦模型、相间质量交换模型进行计算，分别得到第二相关参数。
本发明还公开了一种基于Modelica的两相流管道设计系统，包括：
模型划分模块，用于将原管道方程组模型划分为主体方程模型及本构方程模型；
节点划分模块，用于从结构上，将管道划分为控制体及接管，根据需求在流体流动方向进行节点划分；
第一模型构建模块，用于构建主体方程模型，在主体方程求解中，采用交错网格；
第二模型构建模块，用于构建流型判断模型；
第三模型构建模块，用于构建本构方程模型，将流型判断模型的第一相关参数传入本构方程中进行计算，分别得到第二相关参数；其中，所述第一相关参数包括流型、空泡率；所述第二相关参数包括不同换热模式下的对流换热系数、不同流型模式下的壁面摩擦系数、相间传热系数、相间摩擦系数；
设计模块，用于将构建的管道模型与管道附件和其它组件连接，构建仿真系统，实现不同工况与参数下的两相流管道设计。
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的基于Modelica的两相流管道设计方法。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：在保证计算效率和计算精度的前提下，实现模型的可重用性、可拓展性，同时给工业化建模应用提供可靠的支持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的控制体接管连接示意图；
图2为本发明实施例的垂直两相流流型分布示意图；
图3为本发明实施例的水平两相流流型分布示意图；
图4为本发明实施例的两相流管道模型(竖直非热管)结构框图示意图；
图5为本发明实施例的两相流管道模型构造示意图；
图6为本发明实施例的壁面传热模式逻辑判断示意图；
图7为本发明实施例的两相流管道测例模型示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的基本实施原理。应当理解，此处所描述的具体实施原理仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明的实施原理，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明保护的范围。
如图4所示，本实施例提供了一种竖直两相流管道建模方法。在表现形式上，管道由控制体及接管组成，根据用户需求在流体流动方向进行节点划分，节点划分方式是控制体和接管交替出现，其示意图如附图1所示。建立模型时将复杂的方程组模型分解为包含两流体六方程及不凝气体方程的主体方程组和包含各源项方程的本构方程组。两相流管道模型在建模过程中采用如下假设：
①汽、液两相内部均为连续介质；
②两相具有不同的线速度，密度和速度为各自流动截面上的平均值；
③任一流道横截面上压力均匀分布；
④相与液相所占流道截面积之和等于流道截面积。
一、两相流管道模型构建
本发明基于Modelica语言，将管道组件模型分解成各子模型分别建模，以下表示各模型构建过程。
1、构建主体方程模型
主体方程模型包括两相质量、能量、动量方程模型和不凝气体方程模型：
气液质量守恒方程为：
气液能量守恒方程为：
气液动量守恒方程为：
所述两者耦合迭代完成两相流方程的计算公式为：
其中，下标k代表气体或者液体(气体下标为g，液体下标为f)；i表示气液界面；w表示壁面；αk为体积百分比；ρk为密度；uk为速度；hk为比焓；Γ为界面物质交换量；Fwk为壁面摩擦；Fik为界面摩擦；Fa为外力场的作用；qik为界面传递热量；qwk为壁面传递热量；uik为气液界面速度；αg为空泡率；ρg为气相密度；Xn为不凝气体质量分数；ug为气相比内能；A为流通面积。
2、流型判断模型
本发明利用Modelica模块化建模思想，将流型判断作为一个相对独立的模块开发，判断逻辑需要的参数作为模块的输入变量，逻辑判断后产生的结果保存在一个flag变量中，定义不同的flag值表示不同的流型。则flag作为整个模块计算的输出结果供给其他需要的模型进行计算。
本发明使用以空泡份额为主要自变量的流型判断图，其中竖直与水平管道流型分布示意如附图2、3所示。
3、构建本构方程模型
本发明在构建流型判断模型后，据此输出管道流体流型、相间摩擦阻力系数等第一相关参数输入各子模型，以下为本构方程模型各子模型构造过程：
①构建竖直管道壁面传热模型
流道的壁面可分为绝热壁面和非绝热壁面，流体在绝热壁面中不与外界发生热量交换，而在非绝热壁面中，由于流体与壁面的温差，导致热量在两者之间进行传递。若是流体温度高于壁面温度，则流体向壁面释放热量，反之若是流体的温度低于壁面温度，流体向壁面吸收热量。流体与壁面通过热量交换从而改变自身的热学状态。其中不同传热模式对应换热关系图如附图6所示。在图6中，P为当前压力；Pcrit为临界压力；hfg为气液相饱和比焓差；alphag为空泡率；Tw为壁面温度；Tsat为流体饱和温度；chf为临界热流密度；qflux为当前热流密度；qFB为膜态沸腾热流密度；qTB为过渡沸腾热流密度；Tf为流体温度；irwt为流型判断；Xn为不凝气体质量分数。
图6中换热模式编号所表述的意义和涉及的相关关系式如下表1所述。
表1壁面传热模式对应关系式
②构建管道壁面摩擦模型
壁面摩擦为流体流动时流道壁面对流体的作用。壁面摩擦力可以分为液相壁面摩擦力和气相壁面摩擦力，可以应用Lockhart-Martinelli模型进行两相总压降计算，然后应用Chisholm分相摩擦理论进行气液相分相压降求取。
③构建相间传热模型
依据不同流型以及各相相对于相界面的温差进行相间传热量的计算。在模型开发过程中，根据不同的流型选择不同的相界面浓度计算式，根据气、液相过热度与过冷度选择不同的相间传热系数计算式，对于不同流型进行适当修正。
④构建相间摩擦模型
在两相流体中，汽相与液相的速度可能存在差异，在汽液相相对速度不为零的情况下，会产生相间摩擦力。相间摩擦模型是计算汽液两相间的摩擦作用，模型在不同流型切换不同的公式进行计算，并最终作用于基本方程中。相间摩擦在单相液和单相汽的流型中是不存在的，在其他流型中根据流型判断结果计算相间摩擦。
⑤构建相间质量交换模型
在两相流中，相界面处气相与液相能量交换后本身的物性参数发生变化，两相之间物质相互转化，发生质量交换。在两相流体间，气相和液相存在一个假定的相界面，界面质量交换模型描述了相界面的质量交换。
质量传递模型由两部分组成，第一部分是体积流体中的传质速率，第二部分是近壁面的传质速率。根据不同的流型选择对应的模型计算公式
以上内容为两相流管道基于Modelica建模的详细内容，如附图5所示为两相流管道模型构造示意图。在完成管道建模后，可采用实例化组件的形式，与其它管道附件、组件使用连接器连接，组成仿真系统，下面介绍采用管道模型实例化的方式实施一个简单的系统仿真模型的构建过程。
二、管道模型实例化应用：
1、基于NUMAP平台搭建两相流管道模型测例，测试模型图如附图7所示，测例模型包含流量入口组件、竖直管道模型组件、压力出口组件、恒温壁面边界组件、全局变量组件。
2、设定初始边界条件，管径0.02m，管道长度4m，管道设置接管节点数量4，入口气相流速0.1m/s，入口液相流速0.1m/s，入口温度457K，出口压力5Mpa，温度在10～60秒间线性增大，增至552K保持不变。
3、仿真设置，仿真时间150s，输出时间步长0.01s，采用Euler算法，计算精度0.0001。
4、导出计算结果，并在设置相同边界条件下与其他商用热工水力专业软件计算结果进行对比。结果发现，基于Modelica的两相流管道构建的系统模型仿真结果与其他商用专业热工水力计算结果几乎一致，误差范围小于5％。
以此说明，本发明内容能很好的应用于工业仿真建模项目，并且能借助Modelica语言模块化建模优势，实现模型重用和扩展。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于Modelica的两相流管道设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将原管道方程组模型划分为主体方程模型及本构方程模型；
步骤2：从结构上，将管道划分为控制体及接管，根据需求在流体流动方向进行节点划分；
步骤3：构建主体方程模型，在主体方程求解中，采用交错网格；
步骤4：构建流型判断模型；
步骤5：构建本构方程模型，将流型判断模型的第一相关参数传入本构方程中进行计算，分别得到第二相关参数；其中，所述第一相关参数包括流型、空泡率；所述第二相关参数包括不同换热模式下的对流换热系数、不同流型模式下的壁面摩擦系数、相间传热系数、相间摩擦系数；
步骤6：将构建的管道模型与管道附件和其它组件连接，构建仿真系统，实现不同工况与参数下的两相流管道设计。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主体方程模型包括两相质量、能量、动量方程模型和不凝气体方程模型；所述本构方程模型主要由壁面摩擦模型、壁面换热模型、相间摩擦模型、相间传热模型和相间质量交换模型组成。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述节点划分的方式为控制体和接管交替出现。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交错网格中把标量存储于包含普通节点的主控制容积内，把矢量的每个坐标分量分别存储于以主控制容积边界为中心的副控制容积内；其中，所述标量包括压力、温度、密度；所述矢量包括速度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述主体方程模型中，主控容积以控制体的形式表现，副控制体容积以接管的形式表现；在每个节点上控制体进行质量和能量守恒方程计算，接管进行气液动量守恒方程计算，同时控制体模块计算的部分物性传递给接管模块，接管模块计算的变量传递到控制体，两者耦合迭代完成两相流方程的计算；其中，所述变量包括速度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对于两相流管道模型，假设汽、液两相内部均为连续介质、两相具有不同的线速度、密度和速度为各自流动截面上的平均值、任一流道横截面上压力均匀分布、气相与液相所占流道截面积之和等于流道截面积。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述本构方程模型由多个子模型组成；构建管道内的流型判断模型，将判断结果及相关的物理参数与本构方程构模型中的子模型进行信息传递；其中，所述判断结果包括垂直与水平管流型判断结果；所述相关的物理参数包括相间摩擦系数。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建本构方程模型，将流型判断模型的第一相关参数传入本构方程中进行计算，分别得到第二相关参数，包括气、液两相速度差、界面摩擦、界面热通量。
构建本构方程模型，将流型判断模型的第一相关参数传入本构方程中的壁面传热模型、壁面摩擦模型、相间传热模型、相间摩擦模型、相间质量交换模型进行计算，分别得到第二相关参数。
9.一种基于Modelica的两相流管道设计系统，其特征在于，包括：
模型划分模块，用于将原管道方程组模型划分为主体方程模型及本构方程模型；
节点划分模块，用于从结构上，将管道划分为控制体及接管，根据需求在流体流动方向进行节点划分；
第一模型构建模块，用于构建主体方程模型，在主体方程求解中，采用交错网格；
第二模型构建模块，用于构建流型判断模型；
第三模型构建模块，用于构建本构方程模型，将流型判断模型的第一相关参数传入本构方程中进行计算，分别得到第二相关参数；其中，所述第一相关参数包括流型、空泡率；所述第二相关参数包括不同换热模式下的对流换热系数、不同流型模式下的壁面摩擦系数、相间传热系数、相间摩擦系数；
设计模块，用于将构建的管道模型与管道附件和其它组件连接，构建仿真系统，实现不同工况与参数下的两相流管道设计。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一项所述的基于Modelica的两相流管道设计方法。
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2022
- 2022-07-11 CN CN202210809052.8A patent/CN115186419B/zh active Active
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