一种气液固三相流仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种气液固三相流仿真方法，以真实模拟液压油箱中固态颗粒的运动轨迹和沉积位置。所述气液固三相流仿真方法包括：在FLEUNT中设置液相和气相的仿真参数，进行气液两相稳态仿真；在EDEM中设置固相仿真参数；气液两相仿真数据保持不变，仿真模式切换为瞬态，接入CFD

【技术实现步骤摘要】
一种气液固三相流仿真方法


[0001]本专利技术属于液压仿真
，尤其涉及一种气液固三相流仿真方法。

技术介绍

[0002]随着计算机技术的发展，计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics， CFD)被广泛用于流体运动研究。通过CFD仿真能有效分析流场的速度、温 度以及压力等参数，对流场结构的设计和优化有重要指导意义。
[0003]当液压系统中的油液进入液压油箱时，往往掺混着固体杂质和气泡，构成 多相流动。为了研究液压油箱中的多相流流动，经常需要进行仿真计算。
[0004]目前分析多相流的仿真方法主要有欧拉
‑
欧拉法和欧拉
‑
拉格朗日法。欧拉
ꢀ‑
欧拉法着眼于流场中的某一空间点，将研究对象看作连续相，研究流体质点 通过该空间点的运动情况。欧拉
‑
拉格朗日法着眼于流体质点的运动，将研究 对象看作离散相，跟踪每一质点，观察并分析各离散质点的运动历程。其中欧 拉
‑
拉格朗日方法包括离散粒子法(Discrete Particles Method，DPM)和离散元 法(Discrete Element Method，DEM)。
[0005]但是现有的多相流仿真方法大多是仅进行气液两相流或者固液两相流计 算，并未同时考虑气液固三相流动，导致与液压油箱内的实际情况并不相同， 仿真结果只具有一定的参考价值。
[0006]另外，油箱内油液掺混的固态颗粒常包含金属颗粒和非金属颗粒，颗粒大 小不一，形状不规则，并且油液中的固态颗粒受力的情况十分复杂，会受到油 液对颗粒的浮力、曳力、压力梯度力等力和颗粒之间、颗粒与壁面之间的接触 力等。而现有的三相流仿真方法多是利用CFD仿真软件FLUENT中两相流模 型和离散粒子模型(DPM)进行仿真，该仿真方法不能完全考虑实际中颗粒 的形状大小和受力情况，把颗粒当成规则球体进行模拟，虽能按照数学方法进 行设置形状系数，但仍无法贴近实际颗粒形状大小。且DPM模型只考虑了油 液对固态颗粒的力，忽略了颗粒与颗粒之间、颗粒与壁面之间的接触力，与实 际不符。另外从仿真结果上，该方法只能大致模拟出颗粒在液压油箱中的运动 轨迹，不能准确显示和预测颗粒的最终沉积位置。
[0007]因此现有的多相流仿真方法并不能真实的模拟出液压油箱中颗粒的真实 运动状况。如何在多相流仿真中考虑气相与颗粒、颗粒与颗粒以及颗粒与约束 之间的影响，尽可能准确地模拟出颗粒的运动轨迹和沉积位置是多相流仿真中 亟待解决的问题。

技术实现思路

[0008]针对现有仿真方法中存在的上述技术问题，本专利技术提出一种气液固三相流 仿真方法，以真实模拟液压油箱中颗粒的运动情况。该仿真方法基于 CFD
‑
DEM耦合方法，充分考虑了气液固三相之间的相互作用、颗粒的实际形 状大小以及颗粒在流场中的受力情况，能够较为准确和有效地预测液压油箱中 固态颗粒的运动轨迹和沉积位置。
[0009]具体地，本专利技术提供一种气液固三相流仿真方法，其包括以下步骤：
[0010]步骤S1、在仿真软件FLEUNT中设置液相和气相的仿真参数，进行气液两 相稳态仿真；
[0011]其中，气液两相稳态仿真采用欧拉
‑
欧拉法，将液相和气相均当作连续相 进行仿真，液相和气相仿真参数在仿真软件FLUENT中进行设置；
[0012]之后将液相和气相两相仿真设置为稳态仿真，待液相和气相两相仿真结果 进入稳态后，进行步骤S2；
[0013]步骤S2、在仿真软件EDEM中设置固相仿真参数，气液两相仿真数据保持 不变，将仿真模式切换为瞬态仿真，之后接入CFD
‑
DEM耦合接口；
[0014]所述步骤S2中CFD
‑
DEM耦合接口包括两种耦合接口，两种耦合接口分别 为基于多相流的耦合接口和基于DPM的耦合接口，两种耦合接口根据液体中颗 粒的密集程度大小各包括两种计算和设置方法，两种计算和设置方法分别为需 考虑颗粒的体积分数的计算和设置方法以及不需要考虑颗粒的体积分数的计 算和设置方法；
[0015]颗粒体积分数定义式如下：
[0016][0017]式中，α
p
和α
l
分别为颗粒和液体的体积分数，当颗粒体积分数η大于10％ 时，对应仿真方法需考虑颗粒的体积分数；当颗粒体积分数η小于或者等于10％ 时，对应仿真方法不需要考虑颗粒的体积分数；
[0018]步骤S3、通过选择的耦合接口连接FLUENT和EDEM，进行气液固三相流仿 真，直至仿真完全稳态后，仿真结束；
[0019]所述步骤S3中气液固三相仿真采用欧拉
‑
拉格朗日法，将液相和气相视为 连续相进行仿真，将固态颗粒视为离散相进行仿真，固相仿真参数在EDEM中 进行设置，固态颗粒在仿真时包括其所受的力，所述固态颗粒的受力模型为：
[0020][0021][0022]式中，m
p
和I
p
分别为颗粒的质量和惯性张量；u
p
和ω
p
分别为颗粒的线速 度和角速度；F
f
为流体对颗粒的作用力；F
c
为颗粒受到的接触力；T
c
为颗粒 受到的接触扭矩。
[0023]优选地，所述基于多相流的耦合接口若不考虑颗粒的体积分数，需开启欧 拉模型，开启模型后，在FLUENT中为气液两相流仿真，颗粒与流体之间通过 自定义源项相互作用；
[0024]所述基于多相流的耦合接口若考虑颗粒的体积分数，开启欧拉模型后，欧 拉相数设置为3相，在FLUENT中为气液固三相流仿真，颗粒与流体之间通过 自定义源项相互作用。
[0025]优选地，所述基于DPM的耦合接口若不考虑颗粒的体积分数，若不考虑颗 粒的体积分数，在FLUENT中开启欧拉模型和DPM模型，Eulerian模型中设置 气液两相仿真，DPM模型中设置固相仿真，EDEM中颗粒的位置、体积、速度等 参数初始化当前步下的DPM信息；
[0026]所述基于DPM的耦合接口若考虑颗粒的体积分数，在FLUENT中开启 Eulerian模型
和DPM模型后，激活DDPM模型，其余参数设置与不考虑颗粒的 体积分数时一致。
[0027]颗粒在油箱油液中运动受到的力可以分为两类，即流场施加给颗粒的作用 力、颗粒之间以及颗粒与壁面之间的作用力。现有的两相流仿真方法仅考虑了 部分流场施加给颗粒的力，未考虑颗粒之间以及颗粒与壁面之间的作用力。本 专利技术充分考虑颗粒在油箱中实际运动情况，对现有的仿真方法进行改进，加入 气相对颗粒的作用，构成三相流仿真；根据实际运动补齐颗粒所受到的力，更 符合实际。所述已存在的CFD
‑
DEM耦合接口中仅考虑颗粒在流场中受到的浮 力、曳力和重力，但除了所述的力之外，实际流场中运动的颗粒还受到Saffma本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气液固三相流仿真方法，其特征在于：其包括以下步骤：步骤S1、在仿真软件FLEUNT中设置液相和气相的仿真参数，进行气液两相稳态仿真；其中，气液两相稳态仿真采用欧拉
‑
欧拉法，将液相和气相均当作连续相进行仿真，液相和气相仿真参数在仿真软件FLUENT中进行设置；之后将液相和气相两相仿真设置为稳态仿真，待液相和气相两相仿真结果进入稳态后，进行步骤S2；步骤S2、在仿真软件EDEM中设置固相仿真参数，气液两相仿真数据保持不变，将仿真模式切换为瞬态仿真，之后接入CFD
‑
DEM耦合接口；所述步骤S2中CFD
‑
DEM耦合接口包括两种耦合接口，两种耦合接口分别为基于多相流的耦合接口和基于离散粒子法的耦合接口，两种耦合接口根据液体中颗粒的密集程度大小各包括两种计算和设置方法，两种计算和设置方法分别为需考虑颗粒的体积分数的计算和设置方法以及不需要考虑颗粒的体积分数的计算和设置方法；其中，颗粒体积分数定义式如下：式中，α
p
和α
l
分别为颗粒和液体的体积分数；当颗粒体积分数η大于10％时，则对应仿真方法需考虑颗粒的体积分数；当颗粒体积分数η小于或者等于10％时，则对应仿真方法不需要考虑颗粒的体积分数；步骤S3、通过选择的耦合接口分别连接FLUENT和EDEM，进行气液固三相流仿真，直至仿真完全稳态后，仿真结束；所述步骤S3中气液固三相仿真采用欧拉
‑
拉格朗日法，将液相和气相视为连续相进行仿真，将固态颗粒视为离散相进行仿真，固相仿真参数在EDEM中进行设置，固态颗粒在仿真时包括其所受的力，所述固态颗粒的受力模型为：时包括其所受的力，所述固态颗粒的受力模型为：式中，m
p
和I
p
分别为颗粒的质量和惯性张量；u
p
和ω
p
分别为颗粒的线速度和角速度；F
f
为流体对颗粒的作用力；F
c
为颗粒受到的接触力；T
c
为颗粒受到的接触扭矩。2.根据权利要求1所述的气液固三相流仿真方法，其特征在于：所述基于多相流的耦合接口若不考虑颗粒的体积分数，则计算和设置方法具体为：需开启欧拉模型，开启模型后，在FLUENT中为气液两相流仿真，固态颗粒与流体之间通过自定义源项相互作用；所述基于多相流的耦合接口若考虑颗粒的体积分数，则计算和设置方法具体为：开启欧拉模型后...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚静，李曼迪，孔德才，刘翔宇，郭琪，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：