一种考虑相间滑移的气液两相流计算方法技术

本发明专利技术提供一种考虑相间滑移的气液两相流计算方法，包括下列步骤：(1)获取气液两相流的基本物理参数，包括气体密度、气体动力粘性系数、液体密度、液体动力粘性系数、气体体积分数；建立气液两相流间的滑移动力学模型；确定气液两相流混合相的密度ρ

【技术实现步骤摘要】
一种考虑相间滑移的气液两相流计算方法

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[0001]本专利技术属于水动力学研究
，具体地，涉及一种气液两相流计算方法。

技术介绍
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[0002]水面舰船在航行的过程中，球艏周围的流体中含有大量的气泡，这是一种气液两相流动。当前，研究气液两相流动问题有三类方法：理论分析、实验测量和数值模拟，其中，数值模拟克服了理论分析和实验测量的某些缺点，如数值模拟方法成本低、耗时短，可以比较快速地获得流场数据。
[0003]水面舰船球艏是船首部水面以下的球状突出部分，一般为光滑回转体，是一种被用来减小舰船兴波阻力的结构。如果能够准确地对水面舰船球艏周围含气泡的气液两相流进行数值模拟，就可以定量地给出精确的减阻效果，为球艏部分的设计提供关键的技术支持。
[0004]目前关于气液两相流的研究已经取得了非常多的成果，与本专利相关的主要是水中含气泡流动的研究，早在18世纪就有人已经提出了研究思想，从20世纪后半叶开始，相关研究实质性地开展了起来。在数值模拟方面，根据是否将水气两相视为同一介质，可以将气液两相流模型分为均相流模型和非均相流模型。前者基于均质平衡流理论，对各相不加区分，而是简化为均质模型进行模拟；后者则考虑气液两相的区别，以及两相间的相互作用。
[0005]但是上述两种模型对相间作用力处理方式都相对比较粗糙。在均相流模型中，一般使用均相粘性模型。其做法是，将两相的动力粘性系数乘上各自的体积分数再加起来，就当作是气液两相流的粘性系数，这样做虽然简单，但实际上并没有考虑两相间的滑移，这是造成均相流模型计算不够准确的一个重要原因。而在非均相模型中，一般使用非均相作用力模型。其核心思想是，基于由经验得出单一气泡时的气液相互作用力，进而推演出多气泡时单位面积上的相间相互作用力，最后建立起相间作用力的模型。这一方法非常依赖经验公式，模型中的参数多是通过与实验工况的对比调试出来的，一般性工况下的计算效果和预报性不理想。
[0006]由此可见，目前现有技术中，尚未存在可以快速准确计算考虑相间滑移的气液两相流的方法。而实际上，气液两相间的滑移，对两相流有着重要的影响。因为滑移会引起粘性的变化，进而改变雷诺数，而雷诺数是流动中极为重要的一个参数，会对流动产生非常显著的影响，甚至使流动发生定性上的变化，例如改变雷诺数会改变流动的“层流/湍流”流态。因此在数值模拟气液两相流的过程中，不能忽略相间滑移对流场的影响。

技术实现思路
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[0007]本专利技术提供一种速度快、精度高，考虑相间滑移的气液两相流计算方法。该方法考虑气液两相流中液体和气体两相间的滑移，建立起两相流的滑移动力学模型，给出滑移对两相流粘性影响的定量的表达式，通过数值模拟，获得气液两相流计算方法。为实现上述目的，本专利技术所采用下述技术方案：
[0008]一种考虑相间滑移的气液两相流计算方法，包括下列步骤：
[0009](1)获取气液两相流的基本物理参数，包括气体密度、气体动力粘性系数、液体密度、液体动力粘性系数、气体体积分数；
[0010](2)建立气液两相流间的滑移动力学模型，方法如下：
[0011]设气体的体积分数为α＝1/N，每层两相流气体分子的体积占比也为1/N，考虑到气体分子不相邻和相邻两种情况各自出现的概率分别为1
‑
1/N和1/N，且气体分子不相邻和相邻时，液体分子间内聚力分别为单相液体流动时的(1
‑
2/N)和(1
‑
1/N)倍，确定宏观上两相流混合相的动力粘性系数μ
m
：
[0012][0013]其中，μ
w
是液体的动力粘性系数；
[0014](3)确定气液两相流混合相的密度ρ
m
和混合相的动力粘性系数μ
m
：
[0015]ρ
m
＝ρ
w
(1
‑
α)+ρ
a
α
[0016]μ
m
＝μ
w
(1
‑
α)2[0017]其中，ρ
w
是液体的密度，ρ
a
是气体的密度。
[0018](4)建立考虑相间滑移的气液两相流动方程组及边界条件；
[0019](5)划分计算域网格，使用求解器对考虑相间滑移的气液两相流动方程组进行求解，方法为：先使用网格划分软件对含气泡的气液两相流的计算域进行网格划分，然后采用CFD方法求解考虑相间滑移的气液两相流动方程组，最终获得混合相的流向速度u。
[0020]步骤(4)所建立考虑相间滑移的气液两相流动方程组及边界条件具体如下：
[0021][0022]其中u是混合相的流向速度，v是混合相的法向速度，w是混合相的展向速度，x是流向坐标，y是法向坐标，z是展向坐标，t是时间变量，p是压力，∞是法向无穷远处，U
∞
是自由来流的流向速度。
[0023]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0024]本专利技术所述的气液两相流间的滑移动力学模型是基于粘性的微观
‑
宏观模型建立的，可以准确地描述气液两相间的作用力；
[0025]本专利技术所述的气液两相流混合相的密度和动力粘性系数的计算公式，考虑了相间滑移的影响，给出滑移对两相流粘性影响的定量的表达式，简单方便；
[0026]本专利技术所述的考虑相间滑移的气液两相流计算方法，不依赖经验公式，对于一般性工况下的计算效果和预报性比较理想。
[0027]综上所述，本专利技术提供了一种速度快、精度高，且能够考虑相间滑移的气液两相流计算方法。
[0028]本专利技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0029]附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：
[0030]图1是根据本专利技术的一种实施方式的考虑相间滑移的气液两相流计算方法的流程图；
[0031]图2是根据本专利技术的一种实施方式的液体粘性的微观
‑
宏观模型示意图；
[0032]图3是根据本专利技术的一种实施方式的气体粘性的微观
‑
宏观模型示意图；
[0033]图4是根据本专利技术的一种实施方式的上下两层两相流中气体分子不相邻示意图；
[0034]图5是根据本专利技术的一种实施方式的上下两层两相流中气体分子相邻示意图；
[0035]图6是根据本专利技术的一种实施方式的平板层流边界层的计算网格示意图；
[0036]图7是根据本专利技术的一种实施方式的平板层流边界层的速度剖面图(x＝0.1m)；
[0037]图8是根据本专利技术的一种实施方式的平板层流边界层的速度剖面图(x＝0.2m)；
[0038]图9是根据本专利技术的一种实施方式的平板层流边界层的速度剖面图(x＝0.4m)；
[0039]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑相间滑移的气液两相流计算方法，包括下列步骤：(1)获取气液两相流的基本物理参数，包括气体密度、气体动力粘性系数、液体密度、液体动力粘性系数、气体体积分数；(2)建立气液两相流间的滑移动力学模型。方法如下：设气体的体积分数为α＝1/N，每层两相流气体分子的体积占比也为1/N，考虑到气体分子不相邻和相邻两种情况各自出现的概率分别为1
‑
1/N和1/N，且气体分子不相邻和相邻时，液体分子间内聚力分别为单相液体流动时的(1
‑
2/N)和(1
‑
1/N)倍，确定宏观上两相流混合相的动力粘性系数μ
m
：其中，μ
w
是液体的动力粘性系数；(3)确定气液两相流混合相的密度ρ
m
和混合相的动力粘性系数μ
m
：ρ
m
＝ρ
w
(1
‑
α)+ρ
a
αμ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永明，刘斌，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：