一种气液两相流的模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种气液两相流的模拟方法，该方法针对工业流道中含水混合气体流通过程，结合物理原理与数学逼近算法，对流道中的两相流的气液情况进行分析模拟；经仿真可得到气态水的气压、摩尔流量与液态水的摩尔流量，从而分析实际中的两相流问题。本发明专利技术通过气液两相流的处理方法与动态仿真分析水的两相流情况，有益于分析管道湿度、水液体量、气液两相流等在工业过程中必须考虑的因素。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于工业过程中流道中的两相流模型仿真与预测领域，特别涉及一种气液 两相流的模拟方法。
技术介绍
气液两相管流（Gas liquid two phase flow in pipes)是指游离气体和液体在 管道中同时流动的情况，该过程中游离气体和液体气液状态共存、相互转换。 在两相管流的四种类型（气一液、气一固、液一液以及液一固）中，气一液两相流 是最复杂的。这是由于气一液两相流中存在可变形的两相界面，其中的气相具有高度可压 缩性，气液间存在一个互相转换的动态过程。两相界面分布成不同几何形态或不同流动结 构形式的现象称之为两相流流动型态，简称流态或流型。不同流型的气液混合物遵循各自 不同的流动规律。 本专利技术是针对工业过程中流经流道的含水混合气体中的水的气一液两相流的模 拟方法，特别强调的是，混合气体中的气体均应可看作理想气体，且在水中的溶解度可忽略 不计。工业应用中两相流的应用广泛，在工业过程的计算机仿真模拟方面，本专利技术运用常微 分方法，相对于偏微分方法，适用于针对同一模型的系统分析与控制器的设计。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供。 本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：，该方 法首先针对工业流道中混合气体流通过程，结合物理原理与数学逼近算法，对工业流道中 的两相流的气液情况进行分析模拟；其次经仿真可得到气态水的气压、流量与液态水的流 量，从而分析实际中的两相流问题。具体包括如下步骤： (1)构建工业流道中含水混合气体流通模型：其中与水两相流相关的主要变量为 流道中混合气体中各部分气体的气压；混合气体与水蒸气共同流通，气压与流量存在互相 耦合的关系；给出公式（1): 公式⑴中表示混合气体的总摩尔流量表示混合气体的单位摩尔质量，A 表示流道横截面积（若考虑气体经过比例阀的流动，则为比例阀的孔口面积），pall表示混 合气体总气压，R表示理想气体常数，T表示温度，其中Mmix，的Cd计算如下： 公式⑵中Xi(i = 1，2,...，i,...，n)表示第i种气体在混合气体中所占的比例， Mi(i = 1，2,. . .，i,. . .，n)表示第i种气体的单位摩尔质量，n表示除水蒸气外的气体数量， 以此类推，假设混合气体中含有若干气体与水蒸气，这些气体均可看作理想气体，在管道中 不会发生化学反应，以及在水中的溶解度可忽略不计； 公式（3)中？_表示混合气体出口处的气压，p in表示混合气体进口处的气压； 公式⑷中比热容比y = cp/cv，cp为气体恒压比热容，cv为气体恒容比热容，根 据混合气体成分确定； 混合气体中各种气体的气压-流量关系利用理想气体公式推导给出： 公式（5)中pgas表示混合气体中某一气体的分压，六^表示混合气体中该气体的分 压对时间的导数，V表示该段流道的体积，表示该气体的摩尔流量； 工业过程中因反应、机器工作升温、外界环境温度变化等情况会导致流道内温度 发生变化，而流道内温度变化会导致水的饱和蒸汽气压发生改变，由于水的气液两相流问 题存在于0~100°c的温度环境中，可选取符合温度范围的饱和蒸汽压经验公式建立温 度T和水饱和蒸汽气压P sat间的关系；普通工业过程环境温度处于10~168°C之间，符合 Antoine温度-水的饱和蒸汽压公式，如公式（6)所示；若温度处于0~10°C摄氏度范围， 可通过查阅温度-水的饱和蒸汽压表或通过Keenan和Keyes经验式建立二者关系； ln(Psat) = 9. 3876-3826. 36/(T-45. 47) (6) 公式（7)表示温度与热量的关系，其中T为温度，么表示在流道中因工业过 程中反应产生的热量的变化量，么表示在流道中因环境温度改变导致的热量的变化 量，么，_.表示在流道中因水因气液转换产生的热量的变化量，若有其他热量变化可添加； (2)根据步骤1得到的模型，引入两相流气液分配算法，实现工业流道含水混合气 体中水的气液两相流的模拟，具体如下：根据公式（5)可得到公式（8)、（9);其中，公式（8) 表示实际工业过程中水蒸气气压的变化公式，即存在两相流情况下的水蒸气气压变化公 式；公式（9)表示不考虑水蒸气的气液转换，假设所有水均已气态水方式存在下的水蒸气 气压变化公式； 公式⑶中/表示水蒸汽气压，，h〇_co分别表示进口水蒸汽摩尔 流量与出口水蒸汽摩尔流量，h_〃.o为管道内存在的反应生成水，表示生成水中的 液体部分； 公式（9)中/〃表不假设所有水均以气态水的方式存在下的水蒸气气压， 心2〇_C7，分别表示进口水蒸汽摩尔流量与出口水蒸汽摩尔流量，[//,0为管 道内存在的反应生成水； 工业过程中，水蒸气气压在达到临界值/C时会开始产生液态水；通过设定常 数water。进行调节，取值范围为（0.9RH，RH)，实际可根据工业过程需求自行调节； 计算方法如公式（10)和公式（11): 当小于临界值时，认为水以水蒸气形式存在，公式（12)成立： 公式（13)中watera，waterb, water。表示相关的常数系数，可根据实际操作需要修 改；其中watera，waterb表示与逼近速度相关的常数系数，可控制水蒸气气压曲线趋近于期 望水蒸气气压XL时候的速度，即圆弧曲度，取值为（〇, 1〇]，以达到期望的效果。 本专利技术的有益效果是：本专利技术通过气液两相流的处理方法与动态仿真分析水的两 相流情况，有益于分析管道湿度、水液体量、气液两相流等在工业过程中必须考虑的因素。【附图说明】 图1是本专利技术方法在流道中的水蒸气气压对饱和蒸汽压曲线的逼近。 图2是本专利技术方法在流道中的气态水摩尔流量以及液态水的摩尔流量变化曲线。【具体实施方式】 本专利技术针对水的两相流问题，首先利用MATLAB/Simulink软件建立模型。针对两 相流问题，模型在原理上可分为流道含水混合气体流通部分与水的气液两相流部分。本发 明主要考虑每个部分与水的气液状态问题有关的量，在模型内部进行一个多物理域的耦 合，实现对水的气液两相流情况的模拟。 本专利技术采用的技术方案的主要步骤如下： 第一步：构建工业流道中含水混合气体流通模型：其中与水两相流相关的主要变 量为流道中混合气体中各部分气体的气压。混合气体与水蒸气共同流通，气压与流量存在 互相耦合的关系。 因为在流道中考虑所有气体以混合气体的方式流通，参考文献： P. Beater. Pneumatic drives. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007. 给出公式（1): 公式（1)中元//表示混合气体的总摩尔流量，Mmix表示混合气体的单位摩尔质量，A 表示流道横截面积（若考虑气体经过比例阀的流动，则为比例阀的孔口面积），P all表示混 合气体总气压，R表示理想气体常数，T表示温度，其中，奶Cd计算如下： = A1 +A+".+A+ …+ 弋 ~(2) 公式（2)中Xi(i = 1, 2,. . . , i,. . . ,n)表示第i种气体在混合气体中所占的比例， Mji = 1，2,. . .，i,. . .，n)表示第i种气体的单位摩尔质量，n表示除水蒸气外的气体数量， 以此类推，假设混合气体中含有若干气体与水蒸气，这些气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气液两相流的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建工业流道中含水混合气体流通模型：其中与水两相流相关的主要变量为流道中混合气体中各部分气体的气压；混合气体与水蒸气共同流通，气压与流量存在互相耦合的关系；给出公式(1)：公式(1)中表示混合气体的总摩尔流量，Mmix表示混合气体的单位摩尔质量，A表示流道横截面积(若考虑气体经过比例阀的流动，则为比例阀的孔口面积)，pall表示混合气体总气压，R表示理想气体常数，T表示温度，其中计算如下：Mmix=x1*M1+x2*M2+...+xi*Mi+...+xn*Mn+xH2O*MH2O---(2)]]>公式(2)中xi(i＝1,2,...,i,...,n)表示第i种气体在混合气体中所占的比例，Mi(i＝1,2,...,i,...,n)表示第i种气体的单位摩尔质量，n表示除水蒸气外的气体数量，以此类推，假设混合气体中含有若干气体与水蒸气，这些气体均可看作理想气体，在管道中不会发生化学反应，以及在水中的溶解度可忽略不计；Cd=0.8414-0.1002*(poutpin)+0.8415*(poutpin)2-3.9*(poutpin)3+4.6001*(poutpin)4-1.6827*(poutpin)5---(3)]]>公式(3)中pout表示混合气体出口处的气压，pin表示混合气体进口处的气压；公式(4)中比热容比γ＝cp/cv，cp为气体恒压比热容，cv为气体恒容比热容，根据混合气体成分确定；混合气体中各种气体的气压‑流量关系利用理想气体公式推导给出：p.gasV=RTΣn.gas---(5)]]>公式(5)中pgas表示混合气体中某一气体的分压，表示混合气体中该气体的分压对时间的导数，V表示该段流道的体积，表示该气体的摩尔流量；工业过程中因反应、机器工作升温、外界环境温度变化等情况会导致流道内温度发生变化，而流道内温度变化会导致水的饱和蒸汽气压发生改变，由于水的气液两相流问题存在于0～100℃的温度环境中，可选取符合温度范围的饱和蒸汽压经验公式建立温度T和水饱和蒸汽气压Psat间的关系；普通工业过程环境温度处于10～168℃之间，符合Antoine温度‑水的饱和蒸汽压公式，如公式(6)所示；若温度处于0～10℃摄氏度范围，可通过查阅温度‑水的饱和蒸汽压表或通过Keenan和Keyes经验式建立二者关系；ln(Psat)＝9.3876‑3826.36/(T‑45.47)   (6)dTdt∝Q.reaction+Q.environment+Q.water---(7)]]>公式(7)表示温度与热量的关系，其中T为温度，表示在流道中因工业过程中反应产生的热量的变化量，表示在流道中因环境温度改变导致的热量的变化量，表示在流道中因水因气液转换产生的热量的变化量，若有其他热量变化可添加；(2)根据步骤1得到的模型，引入两相流气液分配算法，实现工业流道含水混合气体中水的气液两相流的模拟，具体如下：根据公式(5)可得到公式(8)、(9)；其中，公式(8)表示实际工业过程中水蒸气气压的变化公式，即存在两相流情况下的水蒸气气压变化公式；公式(9)表示不考虑水蒸气的气液转换，假设所有水均已气态水方式存在下的水蒸气气压变化公式；p.H2O*V=RT*(n.H2O_CI-n.H2O_CO+n._H2O-n.water)---(8)]]>公式(8)中表示水蒸汽气压，分别表示进口水蒸汽摩尔流量与出口水蒸汽摩尔流量，为管道内存在的反应生成水，表示生成水中的液体部分；p.H2O_all*V=RT*(n.H2O_CI-n.H2O_CO+n._H2O)---(9)]]>公式(9)中表示假设所有水均以气态水的方式存在下的水蒸气气压，分别表示进口水蒸汽摩尔流量与出口水蒸汽摩尔流量，为管道内存在的反应生成水；工业过程中，水蒸气气压在达到临界值时会开始产生液态水；通过设定常数waterc进行调节，取值范围为(0.9RH,RH)，实际可根据工业过程需求自行调节；计算方法如公式(10)和公式(11)：psatd=RH·psat---(10)]]>psatc=waterc·psat---(11)]]>当小于临界值时，认为水以水蒸气形式存在，公式(12)成立：pH2O_all=pH2O---(12)]]>当pH2O_all>psat*waterc]]>时n.water=watera*(e(pH2OPsat-waterc)*waterb+e-(pH2OPsat-waterc)*waterb-2)---(13)]]>公式(13)中watera，waterb,waterc表示相关的常数系数，可根据实际操作需要修改；其中watera，waterb表示与逼...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈剑，黄俍卉，洪凌，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33