專利名稱：混合器中流場的評(píng)價(jià)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及混合器內(nèi)流場的混合效果評(píng)價(jià)，屬于流體力學(xué)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
混合器在能源、機(jī)械、化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，混合器的設(shè)計(jì)一直是研 究的重點(diǎn)，在混合器設(shè)計(jì)中很重要的一個(gè)步驟就是判斷混合器的混合效果，對(duì)其 中的混合流動(dòng)做出合理的評(píng)價(jià)。
目前對(duì)混合器的混合效果評(píng)判方法主要是計(jì)算比較用出口面的濃度分布的均
方根S值，S = j丄Z(P —力2 ，其中，e為濃度，n為計(jì)算所選取的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。
該方法為不考慮混合器內(nèi)部的流動(dòng)情況，僅計(jì)算出混合器出口濃度的均方根分 布，均方根越小，氣體混合得越均勻，混合器的混合效果越好。但混合器出口的 濃度均勻度不僅和混合器的設(shè)計(jì)好壞有關(guān)，還和混合器入口氣體的濃度分布、氣 體本身的特性等因素有關(guān)，而均方根判斷方法在面對(duì)這些問題時(shí)均無法準(zhǔn)確判斷
這些因素的影響。而且該方法僅可以判斷混合器出口的氣體混合均勻程度，但無 法有效的評(píng)判混合器內(nèi)的混合情況，尤其當(dāng)混合器入口條件不同時(shí)。僅僅由出口 濃度的均方根無法判斷混合器內(nèi)部各個(gè)區(qū)域的混合強(qiáng)弱，不能給出有效的改進(jìn)意 見，起不到分析改進(jìn)的作用。只能作為單純的均勻度判斷。很多混合器的作用是 增大流場的渦旋，混合效果要在離開混合器后一段距離才能更充分的體現(xiàn)出來， 在利于該方法對(duì)混合效果進(jìn)行考察時(shí)，要把計(jì)算范圍延伸到混合以后很長一段距 離，這樣就增加了計(jì)算的工作量。
對(duì)混合器的評(píng)價(jià)方法還有利用混合長度或混合時(shí)間等參數(shù)對(duì)混合效率進(jìn)行判 定的方法，該方法為由混合的均方根等均勻度參數(shù)計(jì)算得到混合長度或混合時(shí)
間，如，Aoyi Ochieng 定義混合時(shí)間^作為混合日寸間， ~=-— ln(1，:)——^，其中u為混合均勻度，即和均方根同樣性質(zhì)的參數(shù)，
3然后比較混合時(shí)間的大小以確定混合效率。但因?yàn)榛旌蠒r(shí)間等參數(shù)的確定也是依 據(jù)濃度的分布均勻度，即由均方根或相似的參數(shù)定義，故這些參數(shù)和均方根的性 質(zhì)和特點(diǎn)相同，它們具有和均方根一樣的缺點(diǎn)，不能有效地反應(yīng)混合器內(nèi)部的混 合強(qiáng)弱，僅僅是最終混合效果的判斷。
在理論研究領(lǐng)域，TiffanyA.Shaw等人對(duì)混合效果進(jìn)行了一系列的研究，提 (l叫2〉
出了參數(shù)^， ——^f?？捎迷搮?shù)的引申參數(shù)進(jìn)行混合的分析，但該參數(shù)
〉
還停留在理論研究階段，而且也主要是針對(duì)一部分湍流強(qiáng)度的流體，且需有穩(wěn)定 的源項(xiàng)，并不具備實(shí)際工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明針對(duì)均方根方法對(duì)混合判斷的局限性，提出了一種混合器 中流場的評(píng)價(jià)方法，主要用于數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域，可以用于混合器的混合評(píng)價(jià)，比較 不同混合器、不同入口條件、不同流動(dòng)氣體時(shí)混合器的混合效果，同時(shí)也可得到 混合器內(nèi)部各個(gè)流動(dòng)區(qū)域的混合強(qiáng)度，由此離出有效的改進(jìn)意見和措施，進(jìn)行混 合器的改良。
技術(shù)方案本發(fā)明的混合器中流場的評(píng)價(jià)方法具體為
對(duì)混合器內(nèi)的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算整個(gè)流場的流動(dòng)情況，基于FLUENT、 Visual Basic、 For什an、 Phoenix計(jì)算軟件平臺(tái)進(jìn)行模擬計(jì)算；在計(jì)算的同時(shí)對(duì) 計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分；根據(jù)計(jì)算所得的每個(gè)網(wǎng)格上的濃度數(shù)值，進(jìn)一步計(jì)算各
網(wǎng)格的混合準(zhǔn)則數(shù)r作為混合評(píng)價(jià)的基本參數(shù)，r = ||ve|;，其中
=」(，+(，+(，，對(duì)r在整個(gè)流場中積分，得到r的積分值A(chǔ)，用于
2x & 混合效果的整體判斷；在計(jì)算時(shí)，若混合氣體不同或入口濃度分布條件不同，需
對(duì)混合準(zhǔn)則數(shù)r或r在流場中的積分值a進(jìn)行相應(yīng)的修正；該方法用于分析混合 器內(nèi)部的具體混合強(qiáng)度的分布時(shí)，需畫出整個(gè)流域的混合準(zhǔn)則數(shù)r值分布，由r值 的分布規(guī)律分析得出混合器的工作特點(diǎn)及改進(jìn)辦法。
若比較的混合氣體不同，需對(duì)混合準(zhǔn)則數(shù)r進(jìn)行修正時(shí)，將流場中各網(wǎng)格上的
r值乘以分子擴(kuò)散系數(shù)k，得到r"并對(duì)r,值在面上積分，得到r,的積分值B，比較B值的大小，較大者混合效果較好。
若入口濃度分布條件不同，需對(duì)r在流場中的積分值A(chǔ)進(jìn)行修正時(shí)，用于比 較的r在流場中的積分值a或r,在流場中的積分值b要除以入口濃度修正系數(shù)s ，
s=Am"(")2# ，比較修正后的A或B值的大小，較大者混合效果好。
有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)有-
K可以用于各種混合器的混合判斷，包括混合器氣體不同、入口條件不同等
情況下。
2、 可以對(duì)混合器內(nèi)部的混合進(jìn)行詳細(xì)的分析，得到整個(gè)流動(dòng)區(qū)域上的混合器
強(qiáng)度分布，可以由此提出合理有效的改進(jìn)意見和措施。
3、 該準(zhǔn)則是對(duì)混合器本身混合的本質(zhì)評(píng)價(jià)，而非某一種工況下的混合均勻度 比較。是針對(duì)混合器本身的混合特性的有效的衡量工具。
圖1是本發(fā)明的操作流程圖。
具體實(shí)施例方式
對(duì)混合器內(nèi)的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算整個(gè)流場的流動(dòng)情況，現(xiàn)有的方法一般
為基于FLUENT、 Visual Basic、 Fortran、 Phoenix等計(jì)算軟件平臺(tái)進(jìn)行模擬計(jì)算。 在計(jì)算的同時(shí)要對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)計(jì)算所得的每個(gè)網(wǎng)格上的濃度等 數(shù)值，進(jìn)一步計(jì)算流場中的混合參數(shù)準(zhǔn)則，由混合準(zhǔn)則進(jìn)行氣體的混合評(píng)價(jià)?；?合準(zhǔn)則由理論計(jì)算分析得到。計(jì)算推導(dǎo)過程為
——+ w， = MS
對(duì)流一擴(kuò)散流場Q的濃度方程為& ，其中，k為分子擴(kuò)散系
數(shù)，e為該流場中某一組分的濃度。若初始濃度分布為e"G)，且該區(qū)域內(nèi)沒有 e的源和匯，邊界上也沒有e的流入和流出，則e的積分守恒。在沒有損失的情
況下，e從t=0開始擴(kuò)散。^""l隨時(shí)間的增大而逐漸減小。由定義
|網(wǎng)〗- p2(x，,)血
q ，將式濃度方程兩邊同乘e，進(jìn)行積分，可以得到—網(wǎng)，=-2甲"|， II" ,、||2
\在瞬態(tài)流動(dòng)問題中，1^X力ll2值隨時(shí)間變化越大，混合越劇烈。
這樣，混合效率就可以定義為ll^^)l;的值在給定時(shí)間內(nèi)的衰減量。又因?yàn)?—^IV^t和k成正比，分子擴(kuò)散系數(shù)和混合過程密切相關(guān)，當(dāng)比較不同混合器的
對(duì)相同氣體的混合效果時(shí)，k值相同，可暫不考慮。故選取定義r作為流場混合 效果的基本判斷準(zhǔn)則r = |v^|;。
計(jì)算各個(gè)網(wǎng)格的混合準(zhǔn)則數(shù)r作為混合評(píng)價(jià)的基本參數(shù)，r = |v^;，其中， = j(l^)2+(，"+(^)2 。對(duì)r在整個(gè)流場中積分，得到A值，用于混合效
3jc~ &
果的整體判斷。
對(duì)混合器內(nèi)部的混合效率進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，需分情況進(jìn)行討論。 若入口濃度分布條件相同，比較不同混合器對(duì)同一種氣體的混合效果時(shí)，直接
比較計(jì)算得到的A值大小。
同樣的混合器對(duì)不同的氣體有不同的混合效果，其中，對(duì)混合效果影響最大的 就是氣體的分子擴(kuò)散系數(shù)k。在比較不同混合器對(duì)不同氣體的混合效果時(shí)，為了 比較混合器本身的混合性質(zhì)，而除去氣體性質(zhì)的影響，需要用氣體的分子擴(kuò)散系 數(shù)k進(jìn)行修正。入口濃度分布條件相同，當(dāng)比較不同混合器對(duì)不同氣體的混合效
果時(shí)，將各網(wǎng)格上的r值乘以分子擴(kuò)散系數(shù)k，得到r,，并對(duì)r,值在面上積分，
得到B值，比較B值的大小，較大者混合效果較好。
入口條件也對(duì)混合效果有很大的影響。若在入口處氣體已混合得比較均勻，則 混合器內(nèi)的混合強(qiáng)度則減小，出口混合均勻度提高。(此時(shí)若用均方根方法則更無 法達(dá)到預(yù)期的效果)。故在評(píng)價(jià)時(shí)需考慮到入口濃度分布條件對(duì)混合的影響。入口
濃度分布條件不同時(shí)，用于比較的A或B值要除以入口濃度修正系數(shù)S， S = ^'(")2# °比較修正后的A或B值的大小，較大者混合效果好。
分析混合器內(nèi)部各個(gè)部位的混合強(qiáng)度時(shí)，需畫出整個(gè)流域的r值分布，由r值 的分布規(guī)律分析得出混合器的工作特點(diǎn)及改進(jìn)辦法。r值較小的區(qū)域混合強(qiáng)度較 弱，需加強(qiáng)混合，可采用加裝擾流件等措施。
i、在進(jìn)行混合器設(shè)計(jì)時(shí)， 一般要對(duì)混合器內(nèi)的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算得到
6整個(gè)流場的流動(dòng)情況?，F(xiàn)有的方法一般有基于FLUENT、 Visual Basic、 Fortran、 Phoenix等計(jì)算軟件平臺(tái)的模擬計(jì)算。
2、 當(dāng)?shù)玫接?jì)算的流動(dòng)結(jié)果時(shí)，計(jì)算各個(gè)網(wǎng)格上的濃度分布e 。 、
3、 計(jì)算各個(gè)網(wǎng)格的混合準(zhǔn)則數(shù)r， r = ||ve|;， , j(!)2+(^2+(亜)2 ,
并對(duì)其在面上積分，得到A。
4、 入口濃度分布條件相同，當(dāng)比較不同混合器對(duì)同一種氣體的混合效果時(shí)， 比較計(jì)算得到的A值大小。
5、 同樣的混合器對(duì)不同的氣體有不同的混合效果，其中，對(duì)混合效果影響最 大的就是氣體的分子擴(kuò)散系數(shù)k。在比較不同混合器對(duì)不同氣體的混合效果時(shí)， 為了比較混合器本身的混合性質(zhì)，而除去氣體性質(zhì)的影響，需要用氣體的分子擴(kuò) 散系數(shù)k進(jìn)行修正。入口濃度分布條件相同，當(dāng)比較不同混合器對(duì)不同氣體的混
合效果時(shí)，將各網(wǎng)格上的r值乘以分子擴(kuò)散系數(shù)k，得到r,,并對(duì)r,值在整個(gè)流
場總進(jìn)行積分，得到B值，比較B值的大小。
6、 入口條件對(duì)混合效果有很大的影響。若在入口處氣體已混合得比較均勻， 則混合器內(nèi)的混合強(qiáng)度則減小，出口混合均勻度提高。(此時(shí)若用均方根評(píng)價(jià)則更 無法達(dá)到預(yù)期的效果)。故在評(píng)價(jià)時(shí)需考慮到入口濃度分布條件對(duì)混合的影響。入 口濃度分布條件不同時(shí)，用于比較的A或B值要除以入口濃度修正系數(shù)S,
S, (")2#。
7、 畫出整個(gè)流域的r值分布，由r值的分布規(guī)律分析得出混合器的工作特點(diǎn) 及改進(jìn)辦法。r值較小的區(qū)域混合較差，可在該區(qū)域采取措施，加強(qiáng)混合。當(dāng)只 對(duì)一種混合器進(jìn)行分析時(shí)，可省去步驟4， 5， 6，直接進(jìn)行流域內(nèi)混合參數(shù)的分 析，得到混合的改進(jìn)意見。
權(quán)利要求
1.一種混合器中流場的評(píng)價(jià)方法，其特征在于該方法具體為對(duì)混合器內(nèi)的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算整個(gè)流場的流動(dòng)情況，基于FLUENT、Visual Basic、Fortran、Phoenix計(jì)算軟件平臺(tái)進(jìn)行模擬計(jì)算；在計(jì)算的同時(shí)對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分；根據(jù)計(jì)算所得的每個(gè)網(wǎng)格上的濃度數(shù)值，進(jìn)一步計(jì)算各網(wǎng)格的混合準(zhǔn)則數(shù)Γ作為混合評(píng)價(jià)的基本參數(shù)，<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>Γ</mi><mo>=</mo><msubsup> <mrow><mo>|</mo><mo>|</mo><mo>▿</mo><mi>θ</mi><mo>|</mo><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn> <mn>2</mn></msubsup><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009100286970002C1.tif" wi="18" he="6" top= "65" left = "85" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mo>▿</mo><mi>θ</mi><mo>=</mo><msqrt> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mo>∂</mo> <mi>θ</mi></mrow><mrow> <mo>∂</mo> <mi>x</mi></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mo>∂</mo> <mi>θ</mi></mrow><mrow> <mo>∂</mo> <mi>y</mi></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mo>∂</mo> <mi>θ</mi></mrow><mrow> <mo>∂</mo> <mi>z</mi></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup></msqrt><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2009100286970002C2.tif" wi="55" he="11" top= "63" left = "115" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>對(duì)Γ在整個(gè)流場中積分，得到Γ的積分值A(chǔ)，用于混合效果的整體判斷；在計(jì)算時(shí)，若混合氣體不同或入口濃度分布條件不同，需對(duì)混合準(zhǔn)則數(shù)Γ或Γ在流場中的積分值A(chǔ)進(jìn)行相應(yīng)的修正；該方法用于分析混合器內(nèi)部的具體混合強(qiáng)度的分布時(shí)，需畫出整個(gè)流域的混合準(zhǔn)則數(shù)Γ值分布，由Γ值的分布規(guī)律分析得出混合器的工作特點(diǎn)及改進(jìn)辦法。
2. 根據(jù)權(quán)利要求i所述的混合器中流場的評(píng)價(jià)方法，其特征在于，若比較的 混合氣體不同，需對(duì)混合準(zhǔn)則數(shù)r進(jìn)行修正時(shí)，將流場中各網(wǎng)格上的r值乘以分子擴(kuò)散系數(shù)k,得到r，，并對(duì)r,值在面上積分，得到r，的積分值b，比較b值的大小，較大者混合效果較好。
3. 根據(jù)權(quán)利要求i所述的混合器中流場的評(píng)價(jià)方法，其特征在于，若入口濃 度分布條件不同，需對(duì)r在流場中的積分值A(chǔ)進(jìn)行修正時(shí)，用于比較的r在流場中的積分值a或r,在流場中的積分值b要除以入口濃度修正系數(shù)s，s-JZ f (")2# '比較修正后的A或B值的大小，較大者混合效果好。
全文摘要
混合器中流場的評(píng)價(jià)方法對(duì)混合器內(nèi)的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算整個(gè)流場的流動(dòng)情況。在計(jì)算的同時(shí)對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格上的濃度等數(shù)值，進(jìn)一步計(jì)算各網(wǎng)格的混合準(zhǔn)則數(shù)Γ作為混合評(píng)價(jià)的基本參數(shù)，Γ＝‖θ‖<sup>2</sup><sub>2</sub>。對(duì)Γ在整個(gè)流場中積分，得到A值。若入口濃度分布條件相同，比較不同混合器對(duì)同一種氣體的混合效果時(shí)，直接比較計(jì)算得到的A值大小。入口條件、氣體種類不同時(shí)，根據(jù)入口的濃度修正系數(shù)S，S=(見上式)和分子擴(kuò)散系數(shù)k進(jìn)行修正，比較修正后的評(píng)價(jià)參數(shù)值大小。分析混合器內(nèi)部各個(gè)部位的混合強(qiáng)度時(shí)，需畫出整個(gè)流域的Γ值分布，由Γ值的分布規(guī)律分析得出混合器的工作特點(diǎn)及改進(jìn)辦法。
文檔編號(hào)G01M10/00GK101493374SQ20091002869
公開日2009年7月29日 申請日期2009年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月5日
發(fā)明者程星星, 金保升 申請人:東南大學(xué)