[發明專利]一種氣泡羽流湍流閉合的方法

有效

• 申請號: 201911335006.3
• 申請日: 2019-12-23
• 公開（公告）號: CN111191394B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發明（設計）人: 潘青青
• 申請（專利權）人: 國家海洋環境預報中心
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 王闖

本發明公開了流體工程技術領域的一種氣泡羽流湍流閉合的方法，基于氣液兩相的雙向力耦合，從氣泡羽流的控制方程推導出湍流輸運方程中與氣泡相關的源項并模型化；構建自由界面湍流模型，并推導出自由界面對湍流影響的源項；基于標準的k?epsilon湍流方程、湍流輸運方程中與氣泡相關的源項和自由界面對湍流影響的源項，構建新的湍流模型；采用歐拉?拉格朗日?自由界面追蹤的CFD模型模擬氣泡羽流，結合物理實驗，驗證新的湍流模型。本發明提出的新的湍流模型能更準確地模擬液相的流場和湍流、氣相的分布、以及氣液動量傳遞等，進而能夠更加深入地研究氣泡羽流的動力學特性和運動規律。

技術領域

本發明屬于流體工程技術領域，具體涉及一種氣泡羽流湍流閉合的方法。

背景技術

氣泡羽流在氣幕防波堤、冶金工業、水處理和污水處理、天然氣泄露以及環保疏浚等領域具有廣泛的應用，因此認清氣泡羽流的動力學特性及流動規律具有重要意義。湍流和多相流是流體工程中兩個最具有挑戰性的難題。氣液相之間存在動量和能量的交換，氣泡對液相的湍流有調節作用，液相湍流反過來會影響到氣泡的運動和分布，這使得對氣泡羽流的湍流認知更加復雜。湍流的正確刻畫關系到氣泡羽流中液相的流場、湍流、氣泡分布、氣泡尺寸和氣液動量傳遞的模擬等。實驗中觀測到了氣泡會給液體增加額外的擾動，但是在實驗中很難區分氣泡引起的湍流和剪切力引起的湍流。模型工作者把氣泡引起的湍流，以脈動速度或者湍動能的形式，線性疊加在普通意義上的湍流上。然而這些經驗和物理推理的方法不能揭示氣泡引起的湍流機制。因此亟需一種更加嚴謹科學的方法。

k-epsilon二方程湍流模型具有運行速度快、較高計算精度、以及穩定性的特點，成為流體工程的主要計算工具之一，廣泛地應用于氣泡羽流的工程應用中。然而標準的k-epsilon模型沒有考慮氣泡引起的湍流以及自由界面對湍流的影響，不能準確地預測液相的流場、湍流以及氣相的分布，阻礙了對氣泡羽流的動力學特性和運動規律的研究。因此亟需一種新的湍流閉合方法來彌補現有的技術缺陷。

發明內容

為解決現有技術中存在的技術問題，本發明提供一種氣泡羽流湍流閉合的方法，從氣泡羽流的控制方程的理論推導中，獲得湍流方程中與氣泡相關的源項，揭示氣泡對液相湍流調節作用的機制，還考慮了自由界面對湍流的影響，并模型化；構建了歐拉-拉格朗日-自由界面追蹤方法的CFD模型，結合物理實驗，對新的湍流模型開展驗證，從而更深入地研究氣泡羽流的動力學特性和運動規律。

為達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：一種氣泡羽流湍流閉合的方法，包括：

a、基于氣液兩相的雙向力耦合，從氣泡羽流的控制方程推導出湍動能輸運方程中與氣泡相關的源項，并模型化；

b、構建自由界面湍流模型，并推導出自由界面對湍流影響的源項；

c、基于標準的k-epsilon湍流方程、湍流輸運方程中與氣泡相關的源項和自由界面對湍流影響的源項，構建新的湍流模型；

d、采用歐拉-拉格朗日-自由界面追蹤的CFD模型模擬氣泡羽流，結合物理實驗，驗證新的湍流模型。

作為優選，所述步驟a包括：從氣泡羽流的質量和動量守恒方程出發，推導獲得湍動能輸運方程中與氣泡相關的源項，并模型化湍流耗散率方程中對應的源項。

作為進一步地優選，依據牛頓第三定律，動量方程中氣泡對單位體積液相的拖曳力通過統計氣泡所受到的拖曳力獲得：