CN115563905A - 一种泡状跨流型的全耦合群体平衡方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种泡状跨流型的全耦合群体平衡方法及系统。该方法包括：获取两相流场的含气率、气泡群数密度以及流体物性参数；确定两相流场中的气泡体积，根据流体物性参数确定变形临界体积；确定气液两相流的流型；根据不同流型的气泡形状相关参数以及两相速度确定不同流型的相间力系数，构建相间动量传递模型，更新含气率以及两相速度，选取气泡聚并破裂模型；更新气泡群数密度以更新相间动量传递模型，根据更新后的相间动量传递模型以及气泡聚并破裂模型确定气泡诱发液体湍流模型，求解气液两相湍流方程，更新两相湍流参数预测泡状流至所述湍流搅拌流转变过程中的湍流参数场、速度场以及相场。本发明能够准确描述泡状流至湍流搅拌流的演化过程。
Description
技术领域
本发明涉及气液两相流动过程模拟领域，特别是涉及一种泡状跨流型的全耦合群体平衡方法及系统。
背景技术
在石油、化工、核、航空、医药等工业领域中广泛出现含有泡状流、湍流搅拌流、弹状流等气液两相流动过程，准确预测由泡状流至湍流搅拌流的流型演变过程对工业系统的过程优化及工艺改造具有重要意义。
例如：液氧、液氢等低温液体被用于液体火箭推进剂，为运载火箭提供动力源。当推进剂流经火箭动力系统加注管路时，局部受热或压降易于诱发推进剂产生过冷沸腾或空化现象，形成气－液泡状流。在湍流输运条件下，气泡在流场中聚并、破裂，演化成多尺寸泡状流、甚至弹状流将造成动力系统内压力波动甚至阻塞输运管路的根源，威胁火箭的安全运载。
实验观测表明，泡状流流型转变气泡群尺寸非均匀性增强的结果；随着含气率增加，当流场中气泡体积增至某一数值，气泡形状由球形转变为帽形，流场中呈现球形、帽形(变形)两类气泡，复杂泡状流转变为湍流搅拌流。现有的气泡聚并、破裂机制模型均基于球形气泡假设推导获得，且未充分考虑含气率、气泡尺寸的影响，对于准确描述泡状流至湍流搅拌流的演化过程将不再完全适用。
发明内容
本发明的目的是提供一种泡状跨流型的全耦合群体平衡方法及系统，以准确描述泡状流至湍流搅拌流的演化过程。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种泡状跨流型的全耦合群体平衡方法，包括：
基于两相流场的边界条件，获取所述两相流场的含气率、气泡群数密度以及流体物性参数；所述两相流场包括液相以及气相；所述流体物性参数包括密度以及粘度；
根据所述含气率以及所述气泡群数密度确定所述两相流场中的气泡体积，并根据所述流体物性参数确定变形临界体积；
根据所述气泡体积以及所述变形临界体积确定气液两相流的流型；所述气液两相流的流型包括泡状流流型以及湍流搅拌流流型；
根据不同的所述流型确定不同流型的气泡形状相关参数；所述气泡形状相关参数包括气泡形状直径以及界面面积密度；在所述泡状流流型中的气泡形状为球形气泡，在所述湍流搅拌流流型中的气泡形状为变形气泡；
根据不同流型的所述气泡形状相关参数以及所述两相流场的两相速度确定不同流型的相间力系数，并根据所述相间力系数构建相间动量传递模型；所述相间力系数包括曳力系数、虚拟质量力系数、侧升力系数、湍流耗散系数以及壁面润滑系数；
根据所述相间动量传递模型求解气液两相质量及动量守恒方程，更新所述含气率以及所述两相流场的两相速度，并根据不同流型选取气泡聚并破裂模型；所述气泡聚并破裂模型包括球形气泡聚并破裂模型以及变形气泡聚并破裂模型；
求解气泡群数密度传递方程，更新气泡群数密度，根据更新的气泡群数密度更新所述相间动量传递模型，并根据更新后的相间动量传递模型以及所述气泡聚并破裂模型确定气泡诱发液体湍流模型；
根据所述气泡诱发液体湍流模型求解气液两相湍流方程，更新两相湍流参数并预测所述泡状流至所述湍流搅拌流转变过程中的湍流参数场、速度场以及相场；所述两相湍流参数包括气相和液相的湍动能、湍流耗散率、湍流强度、湍流长度、湍流时间和湍流粘度。
可选的，所述根据所述气泡体积以及所述变形临界体积确定气液两相流的流型，具体包括：
判断所述气泡体积是否小于所述变形临界体积，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果表示为所述气泡体积小于所述变形临界体积，确定气液两相流的流型为泡状流流型；
若所述第一判断结果表示为所述气泡体积不小于所述变形临界体积，确定气液两相流的流型为湍流搅拌流流型。
可选的，在所述泡状流流型中，所述气泡形状直径为：
所述界面面积密度为：
αi1＝(36πnαi 2)1/3；其中，αi1为所述泡状流流型中液相或气相的界面面积密度；αi为液相或气相的含气率；当下角标i为l时，表示液相；当下角标i为g时，表示气相；
在所述湍流搅拌流流型中，所述气泡形状直径为：
所述界面面积密度为：
αi2＝(36πnαi 2)1/3；其中，αi2为所述湍流搅拌流流型中液相或气相的界面面积密度。
可选的，所述相间动量传递模型为：
可选的，所述气液两相质量及动量守恒方程为：
其中，t为时间；αi为液相或气相的含气率；ρi为液相或气相的密度；ui为液相或气相的流度；g为重力加速度矢量；P'为气液两相共同的压力场；τi为应力张量。
可选的，所述球形气泡聚并破裂模型为：
所述变形气泡聚并破裂模型为：
可选的，所述气泡群数密度传递方程为：
可选的，所述根据所述气泡诱发液体湍流模型求解气液两相湍流方程，更新两相湍流参数并预测所述泡状流至所述湍流搅拌流转变过程中的湍流参数场、速度场以及相场，之后还包括：
判断所述气泡诱发液体湍流模型是否收敛，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果表示为所述气泡诱发液体湍流模型收敛，输出所有计算参数；所述所有计算参数包括含气率、气泡群数密度、两相流速、两相湍流参数和气泡形状相关参数；
若所述第二判断结果表示为所述气泡诱发液体湍流模型未收敛，更新所述流体物性，并继续迭代更新。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种泡状跨流型的全耦合群体平衡方法及系统，引入两相流场的含气率、气泡群数密度以及流体物性参数确定气液两相流的不同流型，并根据不同流型选取气泡聚并破裂模型；气泡聚并破裂模型包括球形气泡聚并破裂模型以及变形气泡聚并破裂模型，不仅依靠于球形气泡假设推导获得，考虑了含气率、气泡尺寸的影响，能够准确描述泡状流至湍流搅拌流的演化过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的泡状跨流型的全耦合群体平衡方法流程图；
图2为本发明所提供的基于流型判断的气泡内部与外部运动模型示意图；
图3为本发明所提供的考虑的帽型气泡形状参数示意图；
图4为本发明所提供的复杂泡状流主导机制分析图；图4(a)为径向气泡尺寸图；图4(b)为径向含气率图；
图5为本发明所提供的高液速工况不同入射含气率下径向气泡尺寸预测图；图5(a)为高液速工况下入射段图；图5(b)为高液速工况下充分发展段图；
图6为本发明所提供的低液速工况不同入射含气率下径向含气率预测图；图6(a)为低液速工况下入射段图；图6(b)为低液速工况下充分发展段图；
图7为本发明所提供的湍流搅拌流工况不同源项的主导机制分析图；图7(a)为湍流搅拌流工况下轴向平均气泡尺寸图；图7(b)为湍流搅拌流工况下径向气泡尺寸图；
图8为本发明所提供的不同的湍流搅拌流工况下径向气泡尺寸发展过程图；图8(a)为不同的湍流搅拌流工况下入射段图；图8(b)为不同的湍流搅拌流工况下过渡段图；图8(c)为不同的湍流搅拌流工况下充分发展段图；
图9为本发明所提供的另一种泡状跨流型的全耦合群体平衡方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种泡状跨流型的全耦合群体平衡方法及系统，能够准确描述泡状流至湍流搅拌流的演化过程。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
图1为本发明所提供的泡状跨流型的全耦合群体平衡方法流程图，如图1所示，一种泡状跨流型的全耦合群体平衡方法，包括：
步骤101：基于两相流场的边界条件，获取所述两相流场的含气率、气泡群数密度以及流体物性参数；所述两相流场包括液相以及气相；所述流体物性参数包括密度以及粘度。
在实际应用中，根据流场内求解变量输入边界条件
并对两相流场内所有变量初始化；其中，
为初始液速；
为初始气速；
为初始液相体积分数；
为初始气相体积分数；
为初始气泡群数密度；
为湍流冲击诱发气泡破裂的初始源项。
步骤102：根据所述含气率以及所述气泡群数密度确定所述两相流场中的气泡体积，并根据所述流体物性参数确定变形临界体积。
在实际应用中，在迭代计算中，首先获取上一迭代步长中含气率及气泡群数密度，根据Vb＝α/n计算控制容积内气泡体积，并根据更新的物性参数获得变形临界体积Vcr判断流型，如果流场中气泡体积Vb小于变形临界体积Vcr，则气液两相流为泡状流，如果超过即为湍流搅拌流，具体流程图见图2；在泡状流流型中，气泡形状参数与界面面积密度分别为：
αi1＝(36πnαi 2)1/3 (2)
其中，db为气泡直径；Vb为气泡体积；αi1为所述泡状流流型中液相或气相的界面面积密度；αi为液相或气相的含气率；当下角标i为l时，表示液相；当下角标i为g时，表示气相。
在湍流搅拌流流型中，气泡形状参数与界面面积密度分别为：
αi2＝(36πnαi 2)1/3 (4)
其中，Db为气泡直径；αi2为所述湍流搅拌流流型中液相或气相的界面面积密度。
步骤103：根据所述气泡体积以及所述变形临界体积确定气液两相流的流型；所述气液两相流的流型包括泡状流流型以及湍流搅拌流流型。
步骤104：根据不同的所述流型确定不同流型的气泡形状相关参数；所述气泡形状相关参数包括气泡形状直径以及界面面积密度；在所述泡状流流型中的气泡形状为球形气泡，在所述湍流搅拌流流型中的气泡形状为变形气泡。
步骤105：根据不同流型的所述气泡形状相关参数以及所述两相流场的两相速度确定不同流型的相间力系数，并根据所述相间力系数构建相间动量传递模型；所述相间力系数包括曳力系数、虚拟质量力系数、侧升力系数、湍流耗散系数以及壁面润滑系数。
在实际应用中，根据流型中气泡形状相关参数计算所有相间力系数，更新相间动量传递模型，模型计算中涉及的含气率、两相流速、湍动参数以及气泡形状相关参数均采用上一迭代步长内计算结果；该步骤模型包含以下部分：
式中，Fi为总相间作用力模型，Fgl为气相在液相中的受力，Flg为液相在气相中的受力；
代表曳力，
代表虚拟质量力，
代表升力，
代表壁面润滑力，
代表湍流耗散力。
其中各相间力系数具体如下：
(a)曳力系数
其中，Eo为厄特沃什数；E为平均纵横比；F(E)为平均纵横比相关系数。
(b)虚拟质量力系数
其中，CVM1为虚拟质量力系数。
(c)侧升力系数
Dh＝ds(1+0.163Eo0.757)1/3 (12)
其中，Reb为气泡雷诺数；f(Eod)为修正厄特沃什数相关系数；Eod为修正厄特沃什数；Dh为水力直径，ds为径向平均气泡直径。
(d)湍流耗散系数
St＝τg/τl (14)
τg＝4db/(3CD|ug-ul|) (15)
其中，CTD为湍流耗散系数；Cμ为湍流模型常数；St为湍流斯托克斯数；CD为曳力系数；k为湍流能；ε为湍流耗散率；τg为气相应力张量；τl为液相应力张量。
(e)壁面润滑系数
CWC＝10；CWD＝6.8；p＝1.7
其中，CW(Eo)为厄特沃什数相关系数；CWD为阻尼系数；CWC为截止系数；D为通道直径；yw为壁面间距。
步骤106：根据所述相间动量传递模型求解气液两相质量及动量守恒方程，更新所述含气率以及所述两相流场的两相速度，并根据不同流型选取气泡聚并破裂模型；所述气泡聚并破裂模型包括球形气泡聚并破裂模型以及变形气泡聚并破裂模型。
在实际应用中，求解气液两相质量、动量守恒方程，更新含气率、两相流速；方程主要包含以下几个部分：
下角标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，g为重力加速度矢量，t为时间；而气液两相共同的压力场为P'、应力张量τ可分别表示为：
式中，
为气液两相有效湍流粘度，通常根据湍流求解；P为压力kl为液相湍动能；I为湍流强度。
所述球形气泡聚并破裂模型为：
所述变形气泡聚并破裂模型为：
步骤107：求解气泡群数密度传递方程，更新气泡群数密度，根据更新的气泡群数密度更新所述相间动量传递模型，并根据更新后的相间动量传递模型以及所述气泡聚并破裂模型确定气泡诱发液体湍流模型。
在实际应用中，所述气泡群数密度传递方程为：
步骤108：根据所述气泡诱发液体湍流模型求解气液两相湍流方程，更新两相湍流参数并预测所述泡状流至所述湍流搅拌流转变过程中的湍流参数场、速度场以及相场；所述两相湍流参数包括气相和液相的湍动能、湍流耗散率、湍流强度、湍流长度、湍流时间和湍流粘度。
求解气液两相湍流方程，更新两相湍流参数；气液两相湍流方程具体如下：
(a)液相标准k-e湍流模型：
k-ε模型中剪切诱发湍流粘性系数由湍动能、湍流耗散率表示：
湍动能k和湍流耗散率ε方程如下：
式中，Gk代表平均速度梯度引起的湍流动能，可由Gk＝τl:ul表示；Gb代表气泡诱发湍动能；YM为可压缩湍流中脉动体胀率对整个耗散率的贡献；Cε1、Cε2和Cε3代表湍流模型常数，σε和σk分别代表k和ε的湍流Prandtl数，分别为：Cε1＝1.44，Cε2＝1.92，Cμ＝0.09，σK＝1，σε＝1.3。
(b)液相湍流方程修正
1)附加粘度
式中，
为液相有效湍流粘度，μl为分子粘度，
为剪切诱发湍流粘度，
为剪切诱发湍流粘度，
为气泡诱发湍流粘度，Cμb取推荐值0.6，Cμ与Cμp分别取值0.09、0.6。
2)液体湍动能源项
Gk,bit＝Ck3(Gk,bit1+Gk,bit2) (31)
式中，σ为表面张力，上标B和C分别代表破裂和聚并，Gk,bit为液体湍动能源项，Ck3为湍动能源项系数，Gk,bit2为聚并、破裂导致气泡释放的界面自由能主导的湍动能源项。Gk,bit1为由曳力做功主导的湍动能源项， 
为基于平均气泡数数量的气泡破裂的源项，
为基于平均气泡数数量的气泡聚并的源项，α为含气率，ai为单位体积的界面面积
3)液体湍流耗散频率源项
式中，
为气泡驻留时间，
为气泡碰撞时间，ds为径向气泡平均直径，C3ε1、C3ε2为修正系数，Gε,bit为液体湍流耗散频率源项，CVM为虚拟质量力系数，ds为径向平均气泡直径，αmax为含气率最大值。
(c)气相零方程模型
μt＝ρfμUtlt (40)
式中，μt为分散相湍流黏度，lt为湍流长度标度，Ut为湍流速度标度，取流体域中的最大速度；lt为湍流长度标度，fμ为比例常数，VD为流体域体积。
气相湍流粘度
表示如下：
式中，σg为气相的湍流普朗特数，值为1。
在实际应用中，所述步骤108之后还包括：判断所述气泡诱发液体湍流模型是否收敛，若是，输出所有计算参数；所述所有计算参数包括含气率、气泡群数密度、两相流速、两相湍流参数、气泡形状相关参数；若否，更新所述流体物性，并继续迭代更新；其中，收敛标准为：物理模型中所有求解变量的场叠加和变化均小于10-5。
在实际应用中，对于两种气泡的聚并破裂模型进行了修正，具体包括以下步骤：
改进的球形气泡聚并破裂模型：
本发明通过比较其他聚并破裂模型的构成与不足，采用下列统一表达式改进聚并、破裂模型：
考虑到气泡聚并现象是不同聚并机制累积的结果且不同的聚并机制具有不同的聚并时间与聚并效率，气泡聚并率为：
采用破裂时间与破裂效率表述气泡数量变化
(a)湍流随机运动诱发气泡聚并：
本发明采用下列形式表示湍流随机运动诱发气泡聚并的模型：
式中：
为湍流随机运动机制的滑移时间和碰撞时间，λ1 RC为该机制的聚并效率，γRC、
为修正因子。
1)湍流涡尺寸相关的聚并时间：
以气泡体积表示气泡间的相对脉动速度：
式中，κ为湍流运动常数；校正系数
校正系数
单气泡的平均滑移时间为：
单气泡的平均碰撞时间仍采用液膜拉伸时间：
采用Chesters给出的惯性力主导条件下相界面充分运动的液膜拉伸时间：
其中，ub为气泡脉动速度。
2)物性相关的聚并效率：
采用Luo and Svendsen能量守恒关系得到的气泡碰撞时间：
引入韦伯数的概念:
将上述两式代入液膜拉伸模型得到气泡聚并效率为：
3)修正系数与最大含气率：
采用修正因子γRC校正气泡滑移时间：
其中，αmax为最大含气率。
采用修正因子
校正相邻气泡向对方运动的可能性：
采用修正系数
描述聚并现象是否发生：
其中两气泡之间的平均距离hb为：
气泡平均湍动距离与平均速度、滑移时间有关，可由下式表示：
此外，根据球形气泡假设得到理论最大含气率：
根据上述提出的聚并破裂模型的统一表达形式，湍流随机碰撞诱发气泡聚并率为：
(b)气泡速度差诱发气泡聚并：
由气相速度差造成的气泡聚并机制，聚并模型与湍流随机碰撞机制相同：
其中，
为气泡速度差诱发气泡聚并机制的滑移时间和碰撞时间，λ1 VG为该机制的聚并效率，γVG、
为修正因子。
在气相速度差诱发气泡聚并机制中，气泡的滑移时间为：
与湍流随机碰撞机制不同，相邻气泡的接近速度与湍动速度无关，可采用气相速度梯度表示：
在气相速度差机制下，液膜拉伸时间为：
根据液膜拉伸理论，碰撞气泡的聚并效率为：
该聚并模型中，考虑到气泡体积对气泡滑移时间的影响，修正系数γVG＝γRC；在相对运动速度下，气泡到达相邻气泡的可能性为：
式中，气泡滑移距离采用气泡相对速度与滑移时间表示：
根据改进的液膜拉伸时间表示碰撞时间，即
气相速度差诱发气泡聚并率为：
(c)湍流涡冲击下气泡破裂：
根据统一表达式，采用破裂时间与破裂效率表示的破裂模型为：
其中，
为湍流涡冲击下气泡破裂机制的滑移时间和碰撞时间，
为该机制的聚并效率，γTI为修正因子。
1)基于最小湍流涡的破裂时间
修正系数γTI校正滑移时间：
气泡滑移时间表示为：
其中，
表示湍流涡与气泡之间的尺寸关系，ζe,min＝Ve,min/Vb。
2)最小湍流涡：
根据力平衡与能量平衡关系推导得到诱发气泡破裂的最小湍流涡尺寸分别为：
3)不同控制区的破裂效率：
当Ve,min1和Ve,min2为诱发气泡破裂的最小湍流涡尺寸，气泡分别处于湍流冲击力控制区和湍流冲击能控制区，气泡破裂效率分别为：
其中，ΔES为气泡破裂时表面能变化量，
为液体湍流中尺寸为de的湍流涡能量，τS为维持气泡形状的表面张力，
为流场内湍流涡的平均脉动压力。
破裂的特征时间为：
因此破裂模型表述气泡的破裂速率为：
改进的变形气泡聚并破裂模型：
考虑了尾涡夹带机制诱发的帽型气泡聚并现象，以及气泡变形因素对气泡与气泡间碰撞频率、湍流涡与气泡间碰撞频率、聚并效率、破裂效率等因素造成的影响，推导了帽型气泡聚并破裂模型。帽型气泡形状参数示意图如图3所示。
(a)尾涡夹带机制诱发气泡聚并：
采用气泡滑移时间
碰撞时间
以及聚并效率
描述尾涡夹带机制引起的气泡聚并率：
其中，γWE为修正因子。
单气泡滑移时间可表示为：
式中，
为尾涡区长度，
为被夹带气泡与帽型气泡之间的相对速度；尾涡区域内气泡数量密度
能够采用有效尾涡体积
表示，因此被拖动加速的球形气泡的数量密度为：
采用帽型气泡与液体的相对速度ur(Db)以及相对速度解析解表达式
表示帽型气泡与尾涡区域内气泡之间的相对速度
其中，Ac为气泡投影面积，可采用
表示；β为尾涡长度与帽型气泡宽度之比，通常取值为
对解析解积分得到
为：
式中：CD2为帽形气泡曳力系数；而帽型气泡的滑移速度
因此尾涡区内气泡与帽型气泡的平均相对速度为：
得到帽型气泡尾涡内夹带气泡的平均滑移时间为：
(b)湍流随机碰撞诱发气泡聚并：
帽型气泡碰撞频率与聚并效率表达式如下：
其中，Sb为气泡群相互作用机制源项。
根据统一特征时间表达形式，湍流随机碰撞诱发气泡聚并率为：
式中帽型气泡的滑移时间与碰撞时间分别为：
上述模型中由含气率表示的修正因子γRC与球形气泡相同；气泡向相邻气泡运动的可能性函数为
而且两气泡之间的平均距离hb形式不变，与气泡的运动距离有关的可能性修正函数为：
其中，气泡平均湍动距离与平均湍动速度、滑移时间有关，可由下式表示：
(c)气泡速度差诱发气泡聚并：
将上述模型中湍动速度采用气泡速度差代替，得到气相速度梯度诱发气泡聚并率：
在以上模型中帽型气泡速度差造成气泡滑移时间、碰撞时间与聚并效率分别为：
式中，urg2为两帽型气泡在碰撞过程中速度差，可由下式表示：
修正气泡滑移时间的气泡体积影响因子γVG形式不变。与气泡运动距离有关的可能性函数为：
式中，
为两帽型气泡在速度差urg2下的运动距离，可由下式表示：
(d)湍流涡冲击下气泡破裂：
气泡滑移时间可表示为：
根据力平衡与能量平衡关系推导得到诱发气泡破裂的最小湍流涡尺寸分别为：
当Ve,min1和Ve,min2为诱发气泡破裂的最小湍流涡尺寸，气泡分别处于湍流冲击力控制区和湍流冲击能控制区，气泡破裂效率分别为：
根据帽型气泡破裂所需的碰撞时间：
气泡破裂速率为：
如图4-图8所示，本发明将流场气泡界定为球形、帽形两类气泡，经过研究获得了两类气泡的聚并、破裂机制模型，球形气泡聚并、破裂机制模型与变型气泡聚并、破裂机制模型均由湍流随机碰撞、气泡速度差、尾涡夹带机制诱发气泡聚并机制以及湍流涡碰撞诱发气泡破裂机制构成。将上述气相质量传递机制模型与相间动量传递机制模型，分别嵌入双流体模型、湍流模型、群数密度传递方程构建的全耦合群体平衡模型框架，形成了一种适用于涵盖泡状流-湍流搅拌流的全耦合群体平衡模型及数值模拟装置。相对于传统的泡状流数学模型，泡状跨流型的全耦合群体平衡模型基于双流体模型和湍流模型及群数密度传递方程框架，修正了球形与变形两类气泡聚并、破裂机制模型；同时，该模型将预测范围由泡状流拓展至高含气率泡状流、以及泡状流至湍流搅拌流流型，改进后模型对流场中气泡尺寸、气液流速及含气率等参数预测精度提升了50％。
相对于CFD-PBM全耦合群体平衡模型，该模型采用群数密度传递方程代替多组气泡群平衡方程，对于气泡尺寸范围较宽的流型单位控制容积内控制方程数量大大减少、模型计算效率高。
图9为本发明所提供的另一种泡状跨流型的全耦合群体平衡方法流程图，如图9所示，具体包括如下步骤：
步骤1，根据流场内求解变量输入边界条件
并对两相流场内所有变量初始化。
步骤2，在迭代计算中，首先获取上一迭代步长中含气率及气泡群数密度，根据Vb＝α/n计算控制容积内气泡体积，并根据更新的物性参数获得Vcr判断流型。
步骤3，根据流型中气泡形状相关参数计算所有相间力系数，更新相间动量传递模型，模型计算中涉及的含气率、两相流速、湍动参数以及气泡形状相关参数均采用上一迭代步长内计算结果。
步骤4，求解气液两相质量、动量守恒方程，更新含气率、两相流速。
步骤5，根据更新的流动参数重新计算步骤2与步骤3。
步骤6，并根据流型选取气泡聚并、破裂机制模型；模型计算中涉及的含气率、两相流速为更新参数，湍动参数以及气泡形状相关参数均采用上一迭代步长内计算结果。
步骤7，求解气泡群数密度传递方程，更新气泡群数密度。
步骤8，根据更新的流动参数以及气泡形状参数重新计算步骤2、步骤3和步骤6；并根据更新的相间动量传递模型与气泡聚并破裂模型计算气泡诱发液体湍动模型。
步骤9，求解气液两相湍流方程，更新两相湍流参数。
步骤10，判断模型是否收敛，收敛标准为：物理模型中所有求解变量的场叠加和变化均小于10-5；若模型收敛，输出所有计算参数，否则更新流体物性继续迭代。
实施例二
为了执行上述实施例一对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种泡状跨流型的全耦合群体平衡系统。
一种泡状跨流型的全耦合群体平衡系统，包括：
参数获取模块，用于基于两相流场的边界条件，获取所述两相流场的含气率、气泡群数密度以及流体物性参数；所述两相流场包括液相以及气相；所述流体物性参数包括密度以及粘度。
气泡体积以及变形临界体积确定模块，用于根据所述含气率以及所述气泡群数密度确定所述两相流场中的气泡体积，并根据所述流体物性参数确定变形临界体积。
气液两相流的流型确定模块，用于根据所述气泡体积以及所述变形临界体积确定气液两相流的流型；所述气液两相流的流型包括泡状流流型以及湍流搅拌流流型。
在实际应用中，所述气液两相流的流型确定模块，具体包括：第一判断单元，用于判断所述气泡体积是否小于所述变形临界体积，得到第一判断结果；泡状流流型确定单元，用于若所述第一判断结果表示为所述气泡体积小于所述变形临界体积，确定气液两相流的流型为泡状流流型；湍流搅拌流流型确定单元，用于若所述第一判断结果表示为所述气泡体积不小于所述变形临界体积，确定气液两相流的流型为湍流搅拌流流型。
气泡形状相关参数确定模块，用于根据不同的所述流型确定不同流型的气泡形状相关参数；所述气泡形状相关参数包括气泡形状直径以及界面面积密度；在所述泡状流流型中的气泡形状为球形气泡，在所述湍流搅拌流流型中的气泡形状为变形气泡。
相间动量传递模型构建模块，用于根据不同流型的所述气泡形状相关参数以及所述两相流场的两相速度确定不同流型的相间力系数，并根据所述相间力系数构建相间动量传递模型；所述相间力系数包括曳力系数、虚拟质量力系数、侧升力系数、湍流耗散系数以及壁面润滑系数。
气泡聚并破裂模型选取模块，用于根据所述相间动量传递模型求解气液两相质量及动量守恒方程，更新所述含气率以及所述两相流场的两相速度，并根据不同流型选取气泡聚并破裂模型；所述气泡聚并破裂模型包括球形气泡聚并破裂模型以及变形气泡聚并破裂模型。
气泡诱发液体湍流模型确定模块，用于求解气泡群数密度传递方程，更新气泡群数密度，根据更新的气泡群数密度更新所述相间动量传递模型，并根据更新后的相间动量传递模型以及所述气泡聚并破裂模型确定气泡诱发液体湍流模型。
预测模块，用于根据所述气泡诱发液体湍流模型求解气液两相湍流方程，更新两相湍流参数并预测所述泡状流至所述湍流搅拌流转变过程中的湍流参数场、速度场以及相场；所述两相湍流参数包括气相和液相的湍动能、湍流耗散率、湍流强度、湍流长度、湍流时间和湍流粘度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
Claims (10)
1.一种泡状跨流型的全耦合群体平衡方法，其特征在于，包括：
基于两相流场的边界条件，获取所述两相流场的含气率、气泡群数密度以及流体物性参数；所述两相流场包括液相以及气相；所述流体物性参数包括密度以及粘度；
根据所述含气率以及所述气泡群数密度确定所述两相流场中的气泡体积，并根据所述流体物性参数确定变形临界体积；
根据所述气泡体积以及所述变形临界体积确定气液两相流的流型；所述气液两相流的流型包括泡状流流型以及湍流搅拌流流型；
根据不同的所述流型确定不同流型的气泡形状相关参数；所述气泡形状相关参数包括气泡形状直径以及界面面积密度；在所述泡状流流型中的气泡形状为球形气泡，在所述湍流搅拌流流型中的气泡形状为变形气泡；
根据不同流型的所述气泡形状相关参数以及所述两相流场的两相速度确定不同流型的相间力系数，并根据所述相间力系数构建相间动量传递模型；所述相间力系数包括曳力系数、虚拟质量力系数、侧升力系数、湍流耗散系数以及壁面润滑系数；
根据所述相间动量传递模型求解气液两相质量及动量守恒方程，更新所述含气率以及所述两相流场的两相速度，并根据不同流型选取气泡聚并破裂模型；所述气泡聚并破裂模型包括球形气泡聚并破裂模型以及变形气泡聚并破裂模型；
求解气泡群数密度传递方程，更新气泡群数密度，根据更新的气泡群数密度更新所述相间动量传递模型，并根据更新后的相间动量传递模型以及所述气泡聚并破裂模型确定气泡诱发液体湍流模型；
根据所述气泡诱发液体湍流模型求解气液两相湍流方程，更新两相湍流参数并预测所述泡状流至所述湍流搅拌流转变过程中的湍流参数场、速度场以及相场；所述两相湍流参数包括气相和液相的湍动能、湍流耗散率、湍流强度、湍流长度、湍流时间和湍流粘度。
2.根据权利要求1所述的泡状跨流型的全耦合群体平衡方法，其特征在于，所述根据所述气泡体积以及所述变形临界体积确定气液两相流的流型，具体包括：
判断所述气泡体积是否小于所述变形临界体积，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果表示为所述气泡体积小于所述变形临界体积，确定气液两相流的流型为泡状流流型；
若所述第一判断结果表示为所述气泡体积不小于所述变形临界体积，确定气液两相流的流型为湍流搅拌流流型。
3.根据权利要求2所述的泡状跨流型的全耦合群体平衡方法，其特征在于，在所述泡状流流型中，所述气泡形状直径为：
所述界面面积密度为：
αi1＝(36πnαi 2)1/3；其中，αi1为所述泡状流流型中液相或气相的界面面积密度；αi为液相或气相的含气率；当下角标i为l时，表示液相；当下角标i为g时，表示气相；
在所述湍流搅拌流流型中，所述气泡形状直径为：
所述界面面积密度为：
αi2＝(36πnαi 2)1/3；其中，αi2为所述湍流搅拌流流型中液相或气相的界面面积密度。
4.根据权利要求3所述的泡状跨流型的全耦合群体平衡方法，其特征在于，所述相间动量传递模型为：
5.根据权利要求4所述的泡状跨流型的全耦合群体平衡方法，其特征在于，所述气液两相质量及动量守恒方程为：
其中，t为时间；αi为液相或气相的含气率；ρi为液相或气相的密度；ui为液相或气相的流度；g为重力加速度矢量；P'为气液两相共同的压力场；τi为应力张量。
6.根据权利要求5所述的泡状跨流型的全耦合群体平衡方法，其特征在于，所述球形气泡聚并破裂模型为：
所述变形气泡聚并破裂模型为：
7.根据权利要求6所述的泡状跨流型的全耦合群体平衡方法，其特征在于，所述气泡群数密度传递方程为：
8.根据权利要求7所述的泡状跨流型的全耦合群体平衡方法，其特征在于，所述根据所述气泡诱发液体湍流模型求解气液两相湍流方程，更新两相湍流参数并预测所述泡状流至所述湍流搅拌流转变过程中的湍流参数场、速度场以及相场，之后还包括：
判断所述气泡诱发液体湍流模型是否收敛，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果表示为所述气泡诱发液体湍流模型收敛，输出所有计算参数；所述所有计算参数包括含气率、气泡群数密度、两相流速、两相湍流参数和气泡形状相关参数；
若所述第二判断结果表示为所述气泡诱发液体湍流模型未收敛，更新所述流体物性，并继续迭代更新。
9.一种泡状跨流型的全耦合群体平衡系统，其特征在于，包括：
参数获取模块，用于基于两相流场的边界条件，获取所述两相流场的含气率、气泡群数密度以及流体物性参数；所述两相流场包括液相以及气相；所述流体物性参数包括密度以及粘度；
气泡体积以及变形临界体积确定模块，用于根据所述含气率以及所述气泡群数密度确定所述两相流场中的气泡体积，并根据所述流体物性参数确定变形临界体积；
气液两相流的流型确定模块，用于根据所述气泡体积以及所述变形临界体积确定气液两相流的流型；所述气液两相流的流型包括泡状流流型以及湍流搅拌流流型；
气泡形状相关参数确定模块，用于根据不同的所述流型确定不同流型的气泡形状相关参数；所述气泡形状相关参数包括气泡形状直径以及界面面积密度；在所述泡状流流型中的气泡形状为球形气泡，在所述湍流搅拌流流型中的气泡形状为变形气泡；
相间动量传递模型构建模块，用于根据不同流型的所述气泡形状相关参数以及所述两相流场的两相速度确定不同流型的相间力系数，并根据所述相间力系数构建相间动量传递模型；所述相间力系数包括曳力系数、虚拟质量力系数、侧升力系数、湍流耗散系数以及壁面润滑系数；
气泡聚并破裂模型选取模块，用于根据所述相间动量传递模型求解气液两相质量及动量守恒方程，更新所述含气率以及所述两相流场的两相速度，并根据不同流型选取气泡聚并破裂模型；所述气泡聚并破裂模型包括球形气泡聚并破裂模型以及变形气泡聚并破裂模型；
气泡诱发液体湍流模型确定模块，用于求解气泡群数密度传递方程，更新气泡群数密度，根据更新的气泡群数密度更新所述相间动量传递模型，并根据更新后的相间动量传递模型以及所述气泡聚并破裂模型确定气泡诱发液体湍流模型；
预测模块，用于根据所述气泡诱发液体湍流模型求解气液两相湍流方程，更新两相湍流参数并预测所述泡状流至所述湍流搅拌流转变过程中的湍流参数场、速度场以及相场；所述两相湍流参数包括气相和液相的湍动能、湍流耗散率、湍流强度、湍流长度、湍流时间和湍流粘度。
10.根据权利要求9所述的泡状跨流型的全耦合群体平衡系统，其特征在于，所述气液两相流的流型确定模块，具体包括：
第一判断单元，用于判断所述气泡体积是否小于所述变形临界体积，得到第一判断结果；
泡状流流型确定单元，用于若所述第一判断结果表示为所述气泡体积小于所述变形临界体积，确定气液两相流的流型为泡状流流型；
湍流搅拌流流型确定单元，用于若所述第一判断结果表示为所述气泡体积不小于所述变形临界体积，确定气液两相流的流型为湍流搅拌流流型。
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