[發(fā)明專利]一種氣液兩相流的模擬方法

有效

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• 申請日: 2015-06-12
• 公開（公告）號: CN104933243B
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發(fā)明（設計）人: 陳劍;黃俍卉;洪凌
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 邱啟旺

技術領域

本發(fā)明屬于工業(yè)過程中流道中的兩相流模型仿真與預測領域，特別涉及一種氣液兩相流的模擬方法。

背景技術

氣液兩相管流(Gas liquid two phase flow in pipes)是指游離氣體和液體在管道中同時流動的情況，該過程中游離氣體和液體氣液狀態(tài)共存、相互轉(zhuǎn)換。

在兩相管流的四種類型(氣—液、氣—固、液—液以及液—固)中，氣—液兩相流是最復雜的。這是由于氣—液兩相流中存在可變形的兩相界面，其中的氣相具有高度可壓縮性，氣液間存在一個互相轉(zhuǎn)換的動態(tài)過程。兩相界面分布成不同幾何形態(tài)或不同流動結(jié)構形式的現(xiàn)象稱之為兩相流流動型態(tài)，簡稱流態(tài)或流型。不同流型的氣液混合物遵循各自不同的流動規(guī)律。

本發(fā)明是針對工業(yè)過程中流經(jīng)流道的含水混合氣體中的水的氣—液兩相流的模擬方法，特別強調(diào)的是，混合氣體中的氣體均應可看作理想氣體，且在水中的溶解度可忽略不計。工業(yè)應用中兩相流的應用廣泛，在工業(yè)過程的計算機仿真模擬方面，本發(fā)明運用常微分方法，相對于偏微分方法，適用于針對同一模型的系統(tǒng)分析與控制器的設計。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種氣液兩相流的模擬方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：一種氣液兩相流的模擬方法，該方法首先針對工業(yè)流道中混合氣體流通過程，結(jié)合物理原理與數(shù)學逼近算法，對工業(yè)流道中的兩相流的氣液情況進行分析模擬；其次經(jīng)仿真可得到氣態(tài)水的氣壓、流量與液態(tài)水的流量，從而分析實際中的兩相流問題。具體包括如下步驟：

(1)構建工業(yè)流道中含水混合氣體流通模型：其中與水兩相流相關的主要變量為流道中混合氣體中各部分氣體的氣壓；混合氣體與水蒸氣共同流通，氣壓與流量存在互相耦合的關系；給出公式(1)：

公式(1)中表示混合氣體的總摩爾流量，M_mix表示混合氣體的單位摩爾質(zhì)量，A表示流道橫截面積(若考慮氣體經(jīng)過比例閥的流動，則為比例閥的孔口面積)，p_all表示混合氣體總氣壓，R表示理想氣體常數(shù)，T表示溫度，其中M_mix,C_d計算如下：

公式(2)中x_i(i＝1,2,...,i,...,n)表示第i種氣體在混合氣體中所占的比例，M_i(i＝1,2,...,i,...,n)表示第i種氣體的單位摩爾質(zhì)量，n表示除水蒸氣外的氣體數(shù)量，以此類推，假設混合氣體中含有若干氣體與水蒸氣，這些氣體均可看作理想氣體，在管道中不會發(fā)生化學反應，以及在水中的溶解度可忽略不計；

公式(3)中p_out表示混合氣體出口處的氣壓，p_in表示混合氣體進口處的氣壓；

公式(4)中比熱容比γ＝c_p/c_v，c_p為氣體恒壓比熱容，c_v為氣體恒容比熱容，根據(jù)混合氣體成分確定；

混合氣體中各種氣體的氣壓-流量關系利用理想氣體公式推導給出：

公式(5)中p_gas表示混合氣體中某一氣體的分壓，表示混合氣體中該氣體的分壓對時間的導數(shù)，V表示該段流道的體積，表示該氣體的摩爾流量；

工業(yè)過程中因反應、機器工作升溫、外界環(huán)境溫度變化等情況會導致流道內(nèi)溫度發(fā)生變化，而流道內(nèi)溫度變化會導致水的飽和蒸汽氣壓發(fā)生改變，由于水的氣液兩相流問題存在于0～100℃的溫度環(huán)境中，可選取符合溫度范圍的飽和蒸汽壓經(jīng)驗公式建立溫度T和水飽和蒸汽氣壓P_sat間的關系；普通工業(yè)過程環(huán)境溫度處于10～168℃之間，符合Antoine溫度-水的飽和蒸汽壓公式，如公式(6)所示；若溫度處于0～10℃攝氏度范圍，可通過查閱溫度-水的飽和蒸汽壓表或通過Keenan和Keyes經(jīng)驗式建立二者關系；

ln(P_sat)＝9.3876-3826.36/(T-45.47)(6)

公式(7)表示溫度與熱量的關系，其中T為溫度，表示在流道中因工業(yè)過程中反應產(chǎn)生的熱量的變化量，表示在流道中因環(huán)境溫度改變導致的熱量的變化量，表示在流道中因水因氣液轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱量的變化量，若有其他熱量變化可添加；