本發(fā)明涉及的多相流預(yù)測(cè)技術(shù)，尤其涉及一種采用混合尺度多相流模型對(duì)多相流進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法。

背景技術(shù)：

多尺度多相流動(dòng)過程廣泛存在于各種工業(yè)過程，如能源動(dòng)力、石油化工、冶金、制冷以及航空航天等領(lǐng)域。通常情況下，多相流體系總是由若干種連續(xù)介質(zhì)和若干種不連續(xù)介質(zhì)組成。連續(xù)介質(zhì)可稱為連續(xù)相，不連續(xù)介質(zhì)則稱為離散相。多相流是指由不同種類連續(xù)介質(zhì)或不連續(xù)介質(zhì)組成的流動(dòng)過程。在自然界、日常生活以及各種工業(yè)過程中，兩相或多相流問題均廣泛存在，例如氣-液、液-液、氣-固及液-固等多相流動(dòng)體系。其中，氣-液、氣-固或氣-液-固多相混合流動(dòng)常存在大界面變形，離散粒子輸運(yùn)，連續(xù)相-離散相轉(zhuǎn)變等過程，對(duì)于這類多尺度相界面共存的情況，目前預(yù)測(cè)過程中的困難在于難以同時(shí)捕捉大尺度的連續(xù)界面和小尺度的離散相界面。

針對(duì)單相流動(dòng)或只包含兩種連續(xù)相或一種連續(xù)相和一種離散相的兩相流過程，現(xiàn)有技術(shù)中采用以計(jì)算機(jī)為工具的數(shù)值分析方法求解由質(zhì)量、動(dòng)量、能量等守恒方程組成的偏微分方程組，或通過質(zhì)點(diǎn)法分析大量離散粒子的運(yùn)動(dòng)來模擬某一相的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，再借助圖像顯示工具給出空間中的速度、壓力以及溫度等預(yù)測(cè)信息。上述方法其花費(fèi)的物質(zhì)耗費(fèi)少；具有很好的操作性及可重復(fù)性；可以預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)難以測(cè)量的量等優(yōu)勢(shì)，已得到越來越廣泛的應(yīng)用。

目前針對(duì)兩種或兩種以上連續(xù)相以及若干種離散相的多相流過程，尚無較完善的數(shù)值計(jì)算方法。即，針對(duì)兩種或兩種以上連續(xù)相以及若干種離散相的多相流過程：(1)變量顯著增加。各相速度、濃度、離散相粒子大小以及相間速度、作用力等都在很寬范圍內(nèi)變化，流型也隨之顯著變化。(2)相分布描述困難。(3)相間相互作用確定困難。單一連續(xù)相與離散相的相互作用本身就是難題，不同連續(xù)相各種參數(shù)差距較大，需確定離散相與不同種類連續(xù)相的相互作用以及離散相在相界面所受表面張力的影響等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供一種采用混合尺度多相流模型對(duì)多相流進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法。

第一方面，本發(fā)明提供一種采用混合尺度多相流模型對(duì)多相流進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法，包括：

s1、根據(jù)預(yù)先設(shè)定的計(jì)算域網(wǎng)格尺寸，確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離散粒子；

s2、獲取所述混合尺度多相流中每一介質(zhì)的物性參數(shù)，相鄰介質(zhì)組成的界面參數(shù)，離散粒子的物理參數(shù)；

s3、根據(jù)每一介質(zhì)的物性參數(shù)，相鄰介質(zhì)組成的界面參數(shù)，離散粒子的物理參數(shù)，采用預(yù)先建立的混合尺度多相流模型對(duì)該混合尺度多相流進(jìn)行預(yù)測(cè)，確定所述混合尺度多相流的物理過程，獲取流場(chǎng)信息；

其中，所述大尺度為相界面的尺寸大于或等于計(jì)算域網(wǎng)格尺寸，所述小尺度為相界面的尺寸小于計(jì)算域網(wǎng)格尺寸；

所述混合尺度多相流模型包括：集合有離散粒子所占相分率的連續(xù)界面捕捉算法、離散粒子的隨體算法、和連續(xù)流體的界面與離散粒子的相互作用子模型。

可選地，步驟s3之前，建立的混合尺度多相流模型中的集合有離散粒子所占相分率的連續(xù)界面捕捉算法、離散粒子的隨體算法、和連續(xù)流體的界面與離散粒子的相互作用子模型。

可選地，所述建立的混合尺度多相流模型中的集合有離散粒子所占相分率的連續(xù)界面捕捉算法步驟，包括：

采用公式一獲取混合尺度多相流中某一連續(xù)相的相分率α(即體積分?jǐn)?shù))；

公式一：

其中，uα表示界面壓縮速度，

cα表示用于控制界面壓縮率的壓縮系數(shù)，使uα始終垂直于界面；α＝1代表全部為該相，另一相的相分率則為(1-α)，0<α<1為相界面；

根據(jù)公式二，獲取離散相所占連續(xù)相的相分率，以及根據(jù)公式三和公式四建立考慮離散相相分率的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程；

公式二：

其中，αc,min為最小孔隙率，防止單元格被粒子完全占據(jù)，vp，vcell分別代表粒子體積和粒子所處單元格體積；

公式三：

公式四：

uc表示連續(xù)相速度，p表示壓力，s表示粘性應(yīng)力張量，g表示重力加速度，fs表示表面張力，fpf表示連續(xù)相與離散相相互作用力。

可選地，所述建立的混合尺度多相流模型中的集合有離散粒子所占相分率的連續(xù)界面捕捉算法步驟，包括：

采用公式五和公式六分別獲取混合尺度多相流中連續(xù)相的粘度μc和密度ρc；

公式五：μc＝αμ1+(1-α)μ2；

公式六：ρc＝αρ11+(1-α)1；

其中，下標(biāo)1和下標(biāo)2分別表示連續(xù)相1和連續(xù)相2；c表示所有連續(xù)相。

可選地，所述建立的混合尺度多相流模型中的集合有離散粒子所占相分率的連續(xù)界面捕捉算法步驟，還包括：

根據(jù)公式七，獲取連續(xù)相的表面張力；根據(jù)公式八，獲取連續(xù)相的界面曲率κ；

公式七：

其中γ為表面張力系數(shù)；界面曲率κ則可以寫成:

公式八：

可選地，所述建立的混合尺度多相流模型中的離散粒子的隨體算法步驟，包括：

根據(jù)公式九，獲取遷移速度和旋轉(zhuǎn)速度；

公式九：

式中：mp、up、ωp分別代表粒子質(zhì)量、速度和旋轉(zhuǎn)速度；ip代表轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等于代表粒子半徑；tp代表粒子所受扭矩；fc代表粒子間相互作用力；fpf代表流體與粒子的相互作用力；

式中：β代表曳力系數(shù)；fi代表粒子在界面處受到的表面張力；fother表示除曳力和表面張力外的其余相間作用力。

可選地，所述粒子所受界面張力表示為：

可選地，所述混合尺度多相流包括：至少兩種連續(xù)相和至少一種離散相。

本發(fā)明具有的有益效果如下：

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下顯著特點(diǎn)：

1)本發(fā)明實(shí)施例以基于有限體積方法的連續(xù)界面捕捉方法為基礎(chǔ)，跟蹤相分率并對(duì)其進(jìn)行壓縮，保證界面不發(fā)散，使界面上物質(zhì)屬性盡可能地呈階躍分布。

2)將亞格子尺度的離散粒子所占體積分?jǐn)?shù)引入連續(xù)相的控制方程中，以考慮粒子所占連續(xù)相體積分?jǐn)?shù)的影響。

3)本發(fā)明的方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大于網(wǎng)格尺度的界面進(jìn)行直接求解，而對(duì)小于網(wǎng)格尺度的離散粒子進(jìn)行模型化，以避免對(duì)小尺度界面的捕捉而消耗巨量的計(jì)算資源。

4)連續(xù)相與離散相之間的動(dòng)量傳遞采用相間相互作用力描述，并考慮了粒子在界面處所受的表面張力。實(shí)現(xiàn)了離散相與多種連續(xù)相的相互耦合

5)相對(duì)于現(xiàn)有的針對(duì)離散相的擬流體算法，本發(fā)明可以模擬每個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)行為，以及各個(gè)粒子之間的相互作用。

6)其中的離散粒子可以是固體顆粒，也可以是離散氣泡或液滴。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于混合尺度多相流的預(yù)測(cè)方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中混合尺度多相流模型的計(jì)算方法示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更好的解釋本發(fā)明，以便于理解，下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。

本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實(shí)施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。

本發(fā)明實(shí)施例的方法所解決的即同時(shí)包含連續(xù)分層界面如氣-液、液-液相界面，以及離散粒子如固體顆粒、離散氣泡等的多尺度多相流過程。例如，所針對(duì)的多相流過程包括工業(yè)中粉料的氣力或液力輸送，多相流體的輸運(yùn)，粉塵的分離與收集，選礦，液霧燃料或煤粉燃燒，流化床，各種粉末制備，水下航行器或旋轉(zhuǎn)機(jī)械的空化流，鍋爐及反應(yīng)堆內(nèi)汽水流動(dòng)，鐵水精煉或連鑄過程的氣-液-渣流動(dòng)等等。

如圖1所示，本實(shí)施例的方法可包括下述步驟：

s1、根據(jù)預(yù)先設(shè)定的計(jì)算域網(wǎng)格尺寸，確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、獲取所述混合尺度多相流中每一介質(zhì)的物性參數(shù)，相鄰介質(zhì)組成的界面參數(shù)，離散粒子的物理參數(shù)；

s3、根據(jù)每一介質(zhì)的物性參數(shù)，相鄰介質(zhì)組成的界面參數(shù)，離散粒子的物理參數(shù)，采用預(yù)先建立的混合尺度多相流模型對(duì)該混合尺度多相流進(jìn)行預(yù)測(cè)，確定所述混合尺度多相流的物理過程，獲取流場(chǎng)信息；

其中，所述大尺度為相界面的尺寸大于或等于計(jì)算域網(wǎng)格尺寸，所述小尺度為相界面的尺寸小于計(jì)算域網(wǎng)格尺寸；

所述混合尺度多相流模型包括：集合有離散粒子所占相分率的連續(xù)界面捕捉算法、離散粒子的隨體算法、和連續(xù)流體的界面與離散粒子的相互作用子模型。

在實(shí)際應(yīng)用中，所述步驟s1之后，步驟s3之前，所述方法還包括下述的步驟s0：

s0、建立的混合尺度多相流模型中的集合有離散粒子所占相分率的連續(xù)界面捕捉算法、離散粒子的隨體算法、和連續(xù)流體的界面與離散粒子的相互作用子模型。

上述方法可以克服現(xiàn)有模型無法同時(shí)準(zhǔn)確描述連續(xù)界面和離散粒子的缺陷，且不會(huì)造成計(jì)算量過大，可方便地應(yīng)用于工程實(shí)際問題，以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際工業(yè)過程中的復(fù)雜多相流問題的數(shù)值模擬。

為更好的理解上述實(shí)施例的方法，以下結(jié)合公式進(jìn)行詳細(xì)說明。

第一步：建立完善的考慮離散粒子所占體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)界面捕捉算法、離散粒子的隨體算法、連續(xù)相流體與粒子以及界面與粒子的相互作用模型即連續(xù)流體的界面與離散粒子的相互作用子模型。

1)針對(duì)連續(xù)相采用界面捕捉算法，求解其中一連續(xù)相的相分率，并對(duì)界面進(jìn)行壓縮防止發(fā)散?？刂品匠倘缦拢?/p>

式中：uα表示界面壓縮速度，表示如下：

式中：cα表示壓縮系數(shù)，控制界面壓縮率，建議其值為1≤cα≤4。使uα始終垂直于界面。對(duì)于連續(xù)相的粘度μc和密度ρc由下式求解：

μc＝αμ1+(1-α)μ2(3)

ρc＝αρ1+(1-α)ρ1(4)

式中：下標(biāo)1和2分別表示連續(xù)相1和連續(xù)相2；c表示所有連續(xù)相。

由于多相流中還包含離散相，且離散相的尺寸要小于計(jì)算域網(wǎng)格尺寸。為考慮離散相所占連續(xù)相體積分?jǐn)?shù)，通過下式求解連續(xù)相體積分?jǐn)?shù)：

式中：αc,min為最小孔隙率，防止該網(wǎng)格被粒子完全占據(jù)，值由用戶給定，應(yīng)在(0,0.36)之間。vp，vcell分別代表粒子體積和粒子所處單元格體積。由此，建立考慮離散相體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)相控制方程如下：

式中：uc表示連續(xù)相速度，p表示壓力，s表示粘性應(yīng)力張量，g表示重力加速度，fs表示表面張力，fpf表示連續(xù)相與離散相相互作用力。表面張力的求解如下式：

其中γ為表面張力系數(shù)，根據(jù)不同連續(xù)相性質(zhì)確定；界面曲率κ則可以寫成:

由此，建立了考慮離散粒子所占體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)相計(jì)算方法和界面捕捉算法。

2)針對(duì)離散相采用基于拉格朗日坐標(biāo)系的隨體算法。根據(jù)牛頓第二定律，其遷移速度和旋轉(zhuǎn)速度分別表示如下：

式中：mp、up、ωp分別代表粒子質(zhì)量、速度和旋轉(zhuǎn)速度；ip代表轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等于其中代表粒子半徑；tp代表粒子所受扭矩；fc代表粒子間相互作用力；fpf代表流體與粒子的相互作用力。

其中，粒子間相互作用力fc針對(duì)固體可以通過現(xiàn)有方式求解。流體與粒子的相互作用力fpf包括曳力、界面處所受界面張力、虛擬質(zhì)量力、壓力梯度力、magnus升力等：

式中：β代表曳力系數(shù)；fi代表粒子在界面處受到的表面張力；fother表示除曳力和表面張力外的其余相間作用力。

曳力為流固耦合計(jì)算中最重要的一個(gè)力，可根據(jù)實(shí)際情況確定曳力系數(shù)β。

粒子所受界面張力表示如下：

由此，建立了亞格子尺度(即小于計(jì)算域網(wǎng)格尺度的稱為亞格子尺度)的離散粒子模型，及其與不同連續(xù)相相互作用的耦合算法。

上述方法基于有限體積方法，以網(wǎng)格尺度為界，確定計(jì)算問題中不同相界面所采用的計(jì)算方法。若相界面大于網(wǎng)格尺度則采用考慮離散粒子所占體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)界面捕捉算法，若相界面離散、間斷且小于網(wǎng)格尺度，則采用離散粒子的隨體算法計(jì)算。連續(xù)相與離散相之間通過相互作用力以及離散相所占體積分率進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種連續(xù)流體和離散粒子共同組成的多尺度多相流過程進(jìn)行求解。

進(jìn)一步地，針對(duì)大于網(wǎng)格尺度的相界面，采用界面捕捉方法直接捕捉。其中相界面由兩種或兩種以上互不摻混的連續(xù)流體組成，如空氣和水組成的氣-液相界面、水和油組成的液-液相界面等。

另外，針對(duì)小于網(wǎng)格尺度的離散粒子，包括固體顆粒、離散氣泡或液滴，采用離散粒子的隨體算法。粒子的運(yùn)動(dòng)基于牛頓第二定律求解，粒子所受作用力包括重力、浮力、粒子間作用力以及粒子-流體相互作用力等。

此外，通過相間作用力來實(shí)現(xiàn)流體與粒子的耦合，同時(shí)考慮粒子所占流體的體積分?jǐn)?shù)的影響。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下顯著特點(diǎn)：

1)本發(fā)明以基于有限體積方法的連續(xù)界面捕捉方法為基礎(chǔ)，跟蹤相分率并對(duì)其進(jìn)行壓縮，保證界面不發(fā)散，使界面上物質(zhì)屬性盡可能地呈階躍分布。

2)將亞格子尺度的離散粒子所占體積分?jǐn)?shù)引入連續(xù)相的控制方程中，以考慮粒子所占連續(xù)相體積分?jǐn)?shù)的影響。

3)本算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大于網(wǎng)格尺度的界面進(jìn)行直接求解，而對(duì)小于網(wǎng)格尺度的離散粒子進(jìn)行模型化，以避免對(duì)小尺度界面的捕捉而消耗大量的計(jì)算資源。

4)連續(xù)相與離散相之間的動(dòng)量傳遞采用相間相互作用力描述，并考慮了粒子在界面處所受的表面張力。實(shí)現(xiàn)了離散相與多種連續(xù)相的相互耦合

5)相對(duì)于現(xiàn)有的針對(duì)離散相的擬流體算法，本發(fā)明可以模擬每個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)行為，以及各個(gè)粒子之間的相互作用。

6)其中的離散粒子可以是固體顆粒，也可以是離散氣泡或液滴。

最后應(yīng)說明的是：以上所述的各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。