一种考虑相间滑移的气液两相流计算方法

技术领域：

本发明属于水动力学研究技术领域，具体地，涉及一种气液两相流计算方法。

背景技术：

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容：

本发明提供一种速度快、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，本发明所采用下述技术方案：

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

其中，μ

(3)确定气液两相流混合相的密度ρ

ρ

μ

其中，ρ

(4)建立考虑相间滑移的气液两相流动方程组及边界条件；

(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。

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：

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

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明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；

本发明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；

本发明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。

综上所述，本发明提供了一种速度快、精度高，且能够考虑相间滑移的气液两相流计算方法。

本发明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

附图是用来提供对本发明的进一步理解，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发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明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；

图2是根据本发明的一种实施方式的液体粘性的微观-宏观模型示意图；

图3是根据本发明的一种实施方式的气体粘性的微观-宏观模型示意图；

图4是根据本发明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；

图5是根据本发明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；

图6是根据本发明的一种实施方式的平板层流边界层的计算网格示意图；

图7是根据本发明的一种实施方式的平板层流边界层的速度剖面图(x＝0.1m)；

图8是根据本发明的一种实施方式的平板层流边界层的速度剖面图(x＝0.2m)；

图9是根据本发明的一种实施方式的平板层流边界层的速度剖面图(x＝0.4m)；

图10是根据本发明的一种实施方式的SUBOFF模型绕流边界层的计算网格示意图；

图11是根据本发明的一种实施方式的SUBOFF模型绕流边界层的速度剖面图(x＝0.1m)；

图12是根据本发明的一种实施方式的SUBOFF模型绕流边界层的速度剖面图(x＝0.2m)；

图13是根据本发明的一种实施方式的SUBOFF模型绕流边界层的速度剖面图(x＝0.4m)。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

图1是根据本发明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，如图1所示，该方法包括如下步骤：

1、获取气液两相流的基本物理参数，其中所述的气液两相流的基本物理参数包括：当前工况所对应气体的密度和动力粘性系数，液体的密度和动力粘性系数，气体的体积分数。

2、建立气液两相流间的滑移动力学模型，其中所述的气液两相流间的滑移动力学模型包括：气体粘性和液体粘性各自的微观-宏观模型(已有的公共知识)、气液两相流粘性的微观-宏观模型(本专利新提出)。

具体地，液体粘性和气体粘性各自的微观-宏观模型如下。不同速度的两层液体之间的粘性，由两层液体分子之间的内聚力形成，如图2所示。两层液体之间存在速度差，使得两层液体分子之间的距离变大，微观上分子间的内聚力变大，宏观上就表现为两层液体间的粘性力。不同速度的两层气体之间的粘性，则由分子间的动量交换形成，如图3所示。上层速度较快的气体中，一些分子由于随机运动进到下层，通过与下层速度较慢的分子的碰撞交换动量，宏观上使得下层气体受到了向前的粘性力。类似地，下层气体分子进到上层，则使得上层气体宏观上受到了向后的粘性力。

进一步地，气液两相流中，气体以气泡形式存在，气体分子虽然在气泡内可以做随机运动，但是不能随意进入液体内部做随机运动，因此不能基于气体粘性的微观-宏观模型建模，而要基于液体粘性的微观-宏观模型建模。以气体的体积分数为1/N的情况为例(1/N与α相同，都表示体积的气体分数)，每层两相流上气体分子的体积占比也为1/N，具体会出现两种情况。一种情况是上下两层两相流中的气体分子不相邻，如图4所示，这时相邻液体分子间的内聚力仍存在，而相邻的气体和液体分子之间的内聚力可以忽略，即出现滑移，则总的内聚力比单相液体流动的情况减小了2/N。另一种情况是上下两层两相流中的气体分子相邻，如图5所示，这时相邻两侧气体分子在各自不同的气泡中，无法穿透气泡与另一层的气泡做动量交换，也没有内聚力，相互之间也存在滑移，液体分子间的内聚力仍存在，总的内聚力比单相液体流动的情况减小了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，，则可以得到两相流的动力学粘性数应为

即单相液体流动粘性的(1-1/N)

其中μ

3、计算气液两相流混合相的密度和动力粘性系数，其中所述的混合相的密度和动力粘性系数通过步骤2得到的表达式进行计算：

(1)混合相的密度计算公式：

ρ

(2)混合相的动力粘性系数计算公式：

μ

其中ρ

4、建立一种考虑相间滑移的气液两相流动方程组及边界条件。

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，ρ

5、划分计算域网格，使用求解器对第四步考虑相间滑移的气液两相流动方程组进行求解。先使用网格划分软件(如ICEM等商用软件)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(如FLUENT等商用软件)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。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面给出采用本发明的方法获得的考虑相间滑移的气液两相流的计算结果的两个实施例：

在第一个实施例中，计算对象为水中含气泡的平板层流边界层流动。

第一步，首先得到25°工况下气液两相流的基本物理参数。具体的，气体的密度为1.225kg/m

第二步，建立气液两相流间的滑移动力学模型；

第三步，依据气液两相流间的滑移动力学模型给出的混合相的密度和动力粘性系数计算公式，可以得到：

第四步，将求得混合相的密度和动力粘性系数代入到考虑相间滑移的气液两相流动方程组中；

第五步，划分的计算网格如图6所示，使用FORTRAN编写程序对考虑相间滑移的气液两相流动方程组进行离散求解，最终获得水中含气泡的平板层流边界层的流向速度。

该步骤中可得到不同位置处混合相的流向速度剖面，图7、图8和图9分别为距离平板前缘0.1m、0.2m和0.4m三个位置处速度u的剖面。为了清晰地看出考虑相间滑移对气液两相流速度剖面的影响，我们也画出了无气泡的液体单相流和基于均相粘性模型得到的两相流的结果，分别用实线和空心圆圈表示，而基于滑移动力学模型提出的考虑相间滑移的气液两相流计算方法所得到的结果，则用实心圆圈表示。结果显示本发明的计算方法可以很好地考虑相间滑移对气液两相流的影响。

在第二个具体实施例中，计算对象为水中含气泡的SUBOFF模型(Groves N,HuangT,Chang M.1989.Geometric characteristics of DARPA Suboff models.DTRC/SHD-1298-01.David Taylor Research Center–Ship Hydromechanics Department,Department of the Navy.)绕流边界层流动。

第一步，首先得到25°工况下气液两相流的基本物理参数。具体的，气体的密度为1.225kg/m

第二步，建立气液两相流间的滑移动力学模型；

第三步，依据气液两相流间的滑移动力学模型给出的混合相的密度和动力粘性系数计算公式，可以得到：

第四步，将求得混合相的密度和动力粘性系数代入到考虑相间滑移的气液两相流动方程组中；

第五步，使用ICEM软件对SUBOFF模型的计算域进行网格划分，如图10所示，然后用FLUENT软件对考虑相间滑移的气液两相流动方程组离散求解，最终获得水中含气泡的SUBOFF模型绕流边界层的流向速度。

该步骤中可得到不同位置处混合相的流向速度剖面，图11、图12和图13分别为距离SUBOFF模型前缘0.1m、0.2m和0.4m三个位置处速度u的剖面。为了清晰地看出考虑相间滑移对气液两相流速度剖面的影响，我们也画出了无气泡的液体单相流和基于均相粘性模型得到的两相流的结果，分别用实线和空心圆圈表示，而基于滑移动力学模型提出的考虑相间滑移的气液两相流计算方法所得到的结果，则用实心圆圈表示。结果显示本发明的计算方法可以很好地考虑相间滑移对气液两相流的影响。

本发明的一种考虑相间滑移的气液两相流计算方法，是一种可以快速准确计算考虑相间滑移的气液两相流的方法，该方法能够考虑相间滑移对气液两相流的影响，并且给出滑移对两相流粘性影响的定量的表达式。此外，本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。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。