本發(fā)明水力旋流器的流場(chǎng)模擬，具體涉及一種基于自適應(yīng)光滑粒子法的水力旋流器流場(chǎng)模擬方法。

背景技術(shù)：

1、水力旋流器是一種采用離心沉淀原理來(lái)實(shí)現(xiàn)分離分級(jí)的設(shè)備。目前，水力旋流器在食品加工、環(huán)保工程和礦物加工等各行各業(yè)有廣泛的應(yīng)用。它的工作原理是在入口處給一定壓強(qiáng)注入具有一定密度差的多相流體混合物，在管壁的限制下流體高速旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。由于壁面的存在，靠近器壁的流體一邊旋轉(zhuǎn)一邊向下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡為向下流動(dòng)的螺旋狀，形成外旋流；當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)到錐段時(shí)，由于中心壓力較低且錐段提供斜向上的支持力，內(nèi)部流體不再往下流動(dòng)，轉(zhuǎn)而向上作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成外旋流。而固體顆粒受到的力有離心力，向心浮力和流動(dòng)阻力。離心力是迫使顆粒徑向移動(dòng)，對(duì)分離效率起著重要作用；向心浮力是徑向上流體速度不同產(chǎn)生壓強(qiáng)差給顆粒的壓力；流體阻力是顆粒和流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)流體對(duì)顆粒的曳力。由于粒度較大的顆粒密度大，因此在這三個(gè)力的作用下沿著器壁向下運(yùn)動(dòng)從底流口排出，水和粒徑較小的顆粒則從內(nèi)旋流中向上運(yùn)動(dòng)從溢流口排出，達(dá)到從流體中分離出顆粒的目的，實(shí)現(xiàn)分級(jí)分離的效果，在礦物分選領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛。

2、現(xiàn)有針對(duì)水力旋流器內(nèi)流場(chǎng)現(xiàn)象的模擬分析方法中，應(yīng)用最廣泛的是基于網(wǎng)格形式的有限體積法(fdm)和有限差分法(fvm)。工程應(yīng)用中的數(shù)值模擬方法一般采用網(wǎng)格類(lèi)方法，但對(duì)于水力旋流器內(nèi)復(fù)雜的瞬態(tài)流動(dòng)且有空氣柱的生成，傳統(tǒng)的網(wǎng)格類(lèi)方法無(wú)法準(zhǔn)確捕捉交界面的變化和破碎。

3、目前我們查到關(guān)于水力旋流器的流場(chǎng)模擬專利有：申請(qǐng)?zhí)枺?02110319537.4。發(fā)明名稱：一種優(yōu)化液-固水力旋流器分離性能的數(shù)值仿真方法，包括以下步驟：確定液-固水力旋流器的幾何參數(shù)；確定液-固水力旋流器的物性參數(shù)以及操作參數(shù)；根據(jù)幾何參數(shù)、物性參數(shù)以及操作參數(shù)構(gòu)建液-固水力旋流器三維模型；對(duì)液-固水力旋流器三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理并將劃分處理所得網(wǎng)格導(dǎo)入cfd軟件；確定氣-液兩相流的流動(dòng)特性以及空氣柱特性；確定固相流動(dòng)特性；通過(guò)cfd軟件進(jìn)行液-固水力旋流器三維模型的數(shù)值模擬仿真。該發(fā)明對(duì)水力旋流器分離性能的優(yōu)化工作提供參考依據(jù)，簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、高效地實(shí)現(xiàn)液-固水力旋流器分離性能的提升。該模擬方法仍為上述的網(wǎng)格類(lèi)方法，其不足之處在于采用了商業(yè)軟件fluent，受版權(quán)限制，其次網(wǎng)格類(lèi)方法在模擬旋流器中的氣-液交界面時(shí)誤差較大，且不能保證守恒性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種氣液交界面變化清晰、可減少計(jì)算時(shí)間的基于自適應(yīng)光滑粒子法的水力旋流器流場(chǎng)模擬方法。

2、為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、一種基于自適應(yīng)光滑粒子法的水力旋流器流場(chǎng)模擬方法，模擬方法包括以下步驟：

4、(1)確定水力旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，構(gòu)建水力旋流器的幾何模型；

5、(2)建立基本控制方程，并離散為自適應(yīng)光滑粒子法方程；

6、(3)基于所述水力旋流器的幾何模型，設(shè)置邊界條件和初始計(jì)算參數(shù)，然后導(dǎo)入流體模擬場(chǎng)景中進(jìn)行模擬；

7、(4)分別監(jiān)測(cè)水力旋流器底流管出口的顆粒流量以及溢流管出口的流量，待兩個(gè)出口的流量穩(wěn)定后停止計(jì)算，完成模擬。

8、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，以上所述水力旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：入口高度h1和寬度b、柱段直徑d1、溢流管直徑d2、溢流管插入深度h2、溢流管壁厚δ、錐角θ、底流管直徑d3。

9、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，以上所述基本控制方程為：

10、

11、所述自適應(yīng)光滑粒子法方程為：

12、

13、式中，ρ為流體密度，t為時(shí)間，u為流體速度，g為重力加速度，p為壓強(qiáng)，μ為動(dòng)力黏度，fs為表面張力；下角標(biāo)i和j表示粒子編號(hào)，w為光滑核函數(shù)，∏為人工粘性值，rij為粒子i和j的距離，η為松弛系數(shù)；

14、此時(shí)，將顆粒、水體和氣體的計(jì)算區(qū)域離散為特定數(shù)量且具有不同物理屬性的粒子；

15、并將顆粒物理力學(xué)參數(shù)、水體物理力學(xué)參數(shù)和氣體物理力學(xué)參數(shù)賦予給各物態(tài)粒子對(duì)應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)。

16、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，以上所述顆粒、水體和氣體的計(jì)算區(qū)域離散為特定數(shù)量且具有不同物理屬性的粒子，包括：

17、將所述幾何模型中的氣水體邊界圍成的流體區(qū)域進(jìn)行內(nèi)部離散，按照物料濃度均勻插入水體粒子和顆粒粒子；

18、將所述幾何模型中的氣體邊界圍成的氣體區(qū)域進(jìn)行內(nèi)部離散，均勻插入氣體粒子。

19、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，以上所述顆粒物理力學(xué)參數(shù)包括顆粒的密度、重力加速度和直徑；所述水體物理力學(xué)參數(shù)包括水體粒子的粒子密度、重力加速度和黏度；所述氣體物理力學(xué)參數(shù)包括氣體粒子的粒子密度和重力加速度。

20、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，以上所述邊界條件包括模型邊界、壁面邊界、入口邊界和出口邊界的條件。

21、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，以上所述模型邊界采用動(dòng)力邊界條件，所述壁面邊界是在壁面上分布三層固定的虛粒子，所述入口邊界是給定入口速度或壓力，所述出口邊界是自由邊界，即流體可自由流出。

22、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，以上所述初始計(jì)算參數(shù)，包括核函數(shù)、可變光滑長(zhǎng)度、參考粒子間距、粒子分裂和合并技術(shù)。

23、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，以上所述核函數(shù)為三次樣條函數(shù)和雙曲型核函數(shù)，三次樣條函數(shù)表示為：

24、

25、雙曲型核函數(shù)表示為：

26、

27、式中，s＝r/h，r表示兩個(gè)粒子間的距離，h表示光滑長(zhǎng)度，d表示空間維度的度數(shù)，在二維和三維空間中αd分別為5/(14πh2)和1/(4πh3)；

28、所述可變光滑長(zhǎng)度，式子表示為：

29、

30、式中，n是時(shí)間步，是時(shí)間步為n+1時(shí)粒子i的光滑長(zhǎng)度，是根據(jù)相鄰粒子i數(shù)量確定的光滑長(zhǎng)度，是相鄰粒子i平均光滑長(zhǎng)度，是時(shí)間步為n時(shí)粒子i的光滑長(zhǎng)度，nr是給定的恒定粒子數(shù)，是時(shí)間步為n時(shí)相鄰粒子i的數(shù)量，是時(shí)間步為n時(shí)粒子j的光滑長(zhǎng)度；

31、所述參考粒子間距，式子表示為：

32、δsk+1＝crδsk，

33、式中，δs是參考粒子間距，k是粒子帶指數(shù)，隨著離界面的距離而增加，cr是自適應(yīng)數(shù)，表示相鄰兩個(gè)粒子帶的參考粒子間距之比，控制細(xì)化區(qū)域的大小，1≤cr≤1.2；當(dāng)cr＝1時(shí)，粒子間距是均勻的，分辨率不再自適應(yīng)變化；當(dāng)cr值增加時(shí)，粒子間距隨著到交界面距離的增加而增加；

34、所述粒子分裂和合并技術(shù)，用到參考粒子質(zhì)量，式子表示為：

35、mr＝ρrδsd，

36、式中，ρr為參考密度，d為空間維度大??；當(dāng)粒子i質(zhì)量mi與其參考粒子質(zhì)量mr的比值大于γs，則該粒子分裂為兩個(gè)質(zhì)量相同的粒子，兩個(gè)新粒子之間的距離為γs是限制粒子質(zhì)量的一個(gè)參數(shù)，防止粒子質(zhì)量過(guò)大，范圍為1.5≤γs≤2。

37、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

38、1、相比于網(wǎng)格法，本發(fā)明通過(guò)自適應(yīng)分辨率光滑粒子法模擬水力旋流器中的流場(chǎng)行為，可準(zhǔn)確捕捉水力旋流器內(nèi)交界面的變化和破碎，保證氣液交界面處的變化清晰可見(jiàn)和顆粒在水力旋流器中軌跡可追蹤，并通過(guò)自適應(yīng)分辨率降低計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間。

39、2、由于密度、速度等物理場(chǎng)在相界面處的不連續(xù)，sph多相模型比單相模型更具復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性，容易導(dǎo)致精度低、穩(wěn)定性差、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，本發(fā)明所構(gòu)建的水力旋流器的自適應(yīng)sph多相模型，通過(guò)對(duì)顆粒、水體和氣體進(jìn)行不同參數(shù)的設(shè)置，能夠針對(duì)不同物體表現(xiàn)其特征，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確；本發(fā)明還按照實(shí)體的物理參數(shù)賦予粒子各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)，提高模擬與水力旋流器中的真實(shí)流動(dòng)狀態(tài)的匹配性；此外，本發(fā)明通過(guò)對(duì)邊界條件的細(xì)分，使模擬更貼合實(shí)際運(yùn)行情況；采用雙曲型核函數(shù)來(lái)解決應(yīng)力不穩(wěn)定問(wèn)題，采用可變光滑長(zhǎng)度解決自適應(yīng)空間分辨率，粒子間距不均勻且隨時(shí)間變化的問(wèn)題，還參考粒子間距、粒子分裂和合并技術(shù)等，大幅度降低計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間；最終實(shí)現(xiàn)了精度高、穩(wěn)定性好、計(jì)算量少、計(jì)算效率高等優(yōu)點(diǎn)。

40、3、本發(fā)明通過(guò)監(jiān)測(cè)水力旋流器兩個(gè)出口的顆粒粒子的流量和水流量，可以定量的判斷計(jì)算是否到達(dá)穩(wěn)定，從而提高水力旋流器模擬結(jié)果的可信度。