突扩流道内单相流动的数值模拟_徐永国
形状因子及复杂结构井拟稳态流动阶段井底压力渐近解的计算方法
天 然 气 工 业Natural Gas Industry 第41卷第6期2021年6月· 74 ·形状因子及复杂结构井拟稳态流动阶段井底压力渐近解的计算方法徐有杰1 刘启国1 李晓平1 杨思涵1 张楷2 谭晓华11.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学2.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院摘要：寻求一种实用、有效的油气藏形状位置因子（以下简称形状因子）计算方法，对于准确获取复杂结构井拟稳态流动阶段井底压力渐近解及产能指数具有重要的意义。
为此，针对不同形状封闭边界油气藏中的直井，根据试井分析曲线——压力及压力导数曲线之间的关系，重新计算形状因子，并且与Dietz形状因子进行对比；在此基础上，推导出复杂结构井拟稳态流动阶段井底压力渐近解并进行验证，进而绘制了Blasingame递减曲线典型图版。
研究结果表明：①通过计算不同形状封闭边界直井拟稳态流动阶段无因次井底压力及压力导数，求得两者的差值，则可以反求形状因子，并且采用该方法计算的形状因子与Dietz形状因子结果非常接近，验证了该方法的准确性；②通过求取复杂结构井拟稳态流动阶段无因次井底压力及压力导数之差，可以求得复杂结构井拟稳态流动阶段井底压力渐近解系数（b Dpss），进而可以获得任意复杂结构井拟稳态流动阶段井底压力渐近解；③基于新方法计算的大斜度井拟表皮因子与Ozkan等的计算结果相对误差在1%以内，验证了新方法的准确性；④对于矩形封闭边界油气藏中的常规直井，拟稳态流动阶段Blasingame递减曲线的无因次产量曲线斜率为－1，并且长宽比越大，晚期线性流特征越明显；⑤对于矩形封闭边界油气藏中压裂直井，在外边界长度一定的情况下，若长宽比越大，单井控制面积则越小，b Dpss越大，晚期线性流特征越明显，Blasingame递减曲线在非稳态流动阶段所处的位置越高，而在单井控制面积相同的情况下，若无因次裂缝导流能力越大，b Dpss则越小，Blasingame递减曲线在非稳态流动阶段所处的位置越高。
井筒气液两相流动数值模拟研究
数值模拟是利用计算机技术和数值计算方法，对物理模型进行数学描述和求解 的一种方法。在石油和天然气工程中，数值模拟通常采用离散化方法和有限元 素法等数值计算方法，对井筒气液两相流动进行数学描述和求解。离散化方法 是将连续的物理模型离散化为网格模型，然后利用有限元素法等数值计算方法 对网格模型进行求解。有限元素法是将连续的物理模型离散化为有限个元素， 并对每个元素进行数值计算，最终得到物理量的近似值。
气泡之间在上升过程中可能会相互靠近并且产生合并现象。这些结果表明气泡 上升规律的变化可能主要是由液体黏度和密度变化等因素导致的。因此油水密 度黏度比的差异会决定气泡合并前流型是呈柱状或弹状的特点；在相同流量条 件下随着油水比例的增加油水界面的波动幅度逐渐减小当油水比例达到一定程 度后界面的波动幅度已经很小；
4、结果及分析
通过对数值模拟结果进行分析，可以得出以下结论：
（1）管内气固两相流动呈现出明显的非均匀性，且流动状态受固体颗粒性质 和气体速度的影响较大。
（2）在较低气体速度下，固体颗粒容易在管道底部积聚，形成固相浓度较高 的区域。随着气体速度的增加，固相浓度分布趋于均匀。
（3）在一定条件下，管内流动可能出现稳定的层流状态，即气体和固体颗粒 分层流动。这种现象有利于减小能量损耗和维护设备正常运行。
四、计算结果及分析
通过计算得到了不同工况下的流动规律和液相分布情况。当油水比例达到50% 时，气泡流动不再存在液膜的气泡接触角变小并且向正流区变化的现象变得更 为显著；在初始上升高度不随油水比例的变化而变化的情况下，随着油水比例 的增加，气泡在垂直管上升过程中更容易被拉长；当油水比例达到50%时，气 泡在垂直管上升过程中更容易被拉长；当油水比例增加到一定值后，
关键词：气力输送，管内流动， 气固两相流，数值模拟
撞击流气固两相流动中曳力模型的分析
撞击流气固两相流动中曳力模型的分析余廷芳;陈润果;熊桂龙【摘要】为研究水平对称撞击流中气固两相曳力模型对球形颗粒运动的影响,运用FLUENT软件对spherical、stokes-Cunnin-gham模型以及一种新型曳力模型下的气固两相流进行了数值模拟.新型曳力模型利用FLUENT中用户自定义函数(UDF)程序实现.采用欧拉-拉格朗日方法计算流场速度分布、进出口压力差、颗粒在撞击流装置停留时间以及颗粒运动轨迹.结果表明,采用新型曳力模型模拟撞击流气固两相流动,其速度分布基本关于撞击面对称分布.对于不同曳力模型,气固两相撞击流装置进出口的压力差在24.9～25.0 Pa之间.采用新型曳力模型模拟颗粒在撞击流装置停留时间主要分布在0.4～1.0 s,其颗粒运动现象与实验结果在定性上是一致的.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2019(019)015【总页数】7页(P353-359)【关键词】撞击流;气固两相流;数值模拟;曳力模型;颗粒运动【作者】余廷芳;陈润果;熊桂龙【作者单位】南昌大学机电工程学院,南昌330031;南昌大学机电工程学院,南昌330031;南昌大学资源环境与化工学院 ,南昌330031【正文语种】中文【中图分类】X513燃煤电厂大多采用了较为先进的除尘设备和湿法烟气脱硫设施，这些措施能够有效除去燃煤电厂烟气中的粗颗粒，但对细颗粒的脱除效率相对较低[1]。
因此，针对常规除尘技术难以有效脱除的细颗粒物，目前中外正在研究开发的控制技术主要有两种[2]：①团聚(凝并)促进技术：在常规除尘设备前加装处理设备，利用物理或化学作用使颗粒长大以便脱除；从原理上讲，应用外加声场[3]、磁场[4]，光辐射[5]、电场[6]、吸附剂[7]、湍流[8]和蒸汽相变[9]对促进微粒长大均有一定作用。
②复合式除尘器：将不同的除尘机理相结合，使之共同作用以提高对细颗粒的脱除效果。
20世纪60年代初Elperin[10]提出撞击流理论(impinging tream)并进行相关研究，直到1975年俄罗斯学者Lainer开展了将撞击流技术应用于除尘领域的研究。
水平突变管内油水两相流数值模拟
水平突变管内油水两相流数值模拟范开峰;王卫强;孙策;石海涛;万宇飞【摘要】采用计算流体力学中 VOF模型对水平突扩管和突缩管内油水两相流进行数值模拟，两相流中原油为中质稠油并且含水率较高，从50%到80%不等。
结果表明，不同含水率油水两相流在突扩管和突缩管内主要为水包油流型，在管径突变处压力波动变化明显，但含水率从50%变化到80%时对压力变化趋势影响较小。
得到的不同含水率油水两相流在突变管径管道中的流动规律，可为原油集输管网油水两相流混输问题提供参考。
%Using the VOF model of computational fluid dynamics to simulate oil-water two-phase flow in horizontal sudden expansion pipe and contractible pipe,the crude oil in the two-phase flow is medium viscous oil and the moisture content is high, ranging from 50% to 80%.The results show that:the different water content flow in oil-water two-phase flow in the sudden expansion pipe and sudden contraction pipe belong to oil-in-water stream,the pressure fluctuation in diameter mutation changes obviously,but the pressure change trend is affected little when the moisture content changes from 50% to 80%.Flow in the mutant diameter pipes with different water content of oil-water two-phase flow pattern obtained can provide certain reference when involving mixed oil-water two-phase flow transportation problems in crude oil pipeline.【期刊名称】《石油化工高等学校学报》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】4页(P84-87)【关键词】突扩管;突缩管;油水两相流;VOF模型;压力变化;流动规律【作者】范开峰;王卫强;孙策;石海涛;万宇飞【作者单位】辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001;辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001;辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001;辽宁石油化工大学，辽宁抚顺113001;中国石油大学北京，北京 102249【正文语种】中文【中图分类】TE866油水两相流动因所处的流动条件不同而具有多种流型［1］。
使用扩散模型数值模拟二维湍流气固两相流
使用扩散模型数值模拟二维湍流气固两相流
杨瑞昌;赵磊;巨泽建;刘若雷
【期刊名称】《工程热物理学报》
【年(卷),期】2005()z1
【摘要】本文从描述多维湍流气固两相流的两流体模型出发,导出了计算湍流气固两相流中固体颗粒扩散速度的计算模型,进而基于在一维流场中颗粒的终端速度是重力加速度gi的函数,提出在多维流场中颗粒相处于一个修正的加速度场g'i的作用下,该修正的加速度g'i包含了包括重力在内的各种力的作用,这些力对颗粒的加速作用与重力对颗粒的加速作用没有区别。
根据这种观点,提出了用于模拟多维湍流气固两相流的改进的扩散模型。
本文使用改进的扩散模型对台阶后方的气固两相流进行了数值模拟,并将数值计算结果与实验结果进行了比较,结果表明,改进的扩散模型的预报结果与实验结果符合得相当好。
【总页数】4页(P113-116)
【关键词】湍流气固两相流;改进的扩散模型;数值模拟
【作者】杨瑞昌;赵磊;巨泽建;刘若雷
【作者单位】热能动力工程与热科学重点实验室清华大学热能工程系
【正文语种】中文
【中图分类】TB120
【相关文献】
1.木纤维脉冲-旋流气流干燥气固两相流分析及数值模拟 [J], 陈峰;高珣;程万里
2.旋转,弯曲,扩散流道中流固两相流场的数值模拟及其分析 [J], 袁丹青;刘天宝
3.扩散式旋风分离器气固两相流场的数值模拟 [J], 操波;高广德
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气固两相流模型在流场分析中的研究进展_孙晨(1)
第25卷第1期2011年3月上 海 工 程 技 术 大 学 学 报JOU RNAL OF SH ANGH AI UNIVERSIT Y OF ENGINEERING SCIENCEVol.25No.1M ar.2011文章编号:1009-444X(2011)01-0049-05收稿日期:2010-12-23基金项目:上海市科委重点科技攻关资助项目(0852*******);上海工程技术大学研究生科研创新资助项目(A-0503-10-14)作者简介:孙 晨(1985-),男,在读硕士,研究方向为车辆尾气排放与控制.E m ail:scn_ok@ 指导教师:陈凌珊(1966-),女,教授,博士,研究方向为车辆尾气排放与控制.E m ail:b ech enlsh@气固两相流模型在流场分析中的研究进展孙 晨,陈凌珊,汤晨旭(上海工程技术大学汽车工程学院,上海201620)摘要:介绍了气固两相流的基本方程、理论模型和研究方法,论述了常用3类模型在流场模拟中的研究进展及应用状况.研究表明,气固两相流模型在工程实践中具有重大的应用价值,并对其研究趋势作出了展望.关键词:气固两相流;连续介质;颗粒轨道模型;拟流体;数值模拟中图分类号:TK 121 文献标志码:AStudy and Development of Gas Solid Two PhaseFlow Model in Flow Field AnalysisSU N Chen,CH EN Ling shan,TANG Chen x u(College of Automotive Engineering,Sh angh ai University of Engineering Science,Shanghai 201620,Chin a)Abstract :Basic equations,theo retical models and research m ethods o f the g as solid two phase flo w w er e introduced.Recent studies and applications of three com mon m odels in flow field simulatio n w ere dis cussed.A conclusion is draw n that the gas so lid tw o phase flow m odel ow ns g reat value in engineering practice.Then,the trend of researches on gas so lid tw o phase flow model w er e ex pected.Key words :g as solid tw o phase flow ;continuous m edium ;par ticulate tr ajector y mo del;pseudo fluid;numerical simulatio n纷繁复杂的多相物体流动普遍出现在自然界、日常生活和生产实践中.其中,气体与固体颗粒形成的多相流称为气固两相流,是流体力学与能源、动力、石油、化工等学科交叉的新兴系统科学.随着科技的迅猛发展,人们对两相流在工业应用领域的研究日益重视,如何用气固两相流模型对流场内流体分布及特征进行模拟仿真,已成为两相流问题的研究热点.近年来,国内外众多专家学者对气固两相流问题进行了大量的研究.其中,气相流动、固相流动、气固相互作用是气固两相流研究的3个主要方面.本文着眼于稠密两相流颗粒运动模拟、气固紊流剪切流场模拟、不同管线及复杂弯管流场模拟、内燃机缸内湍流燃烧分析、旋风分离器和流化床气力输送等当前热门研究领域,结合相关理论与方法,系统地论述了基于欧拉坐标系的连续介质模型、基于上海工程技术大学学报第25卷拉格朗日坐标系的颗粒轨道模型和颗粒拟流体模型在工业应用中的研究状况,为较好地掌握工业生产中流场分布规律及优化提供理论依据.1 两相流方程与模拟方法1.1 两相流基本方程1)两相流连续方程t + x j( v j )=-n k mk(1)2)两相流动量方程t ( v j )+ x j ( vv)=- p x j + x j e v j x i + v ix j+ g i +k (v ki -v i )/ rk +v i S +F M i(2)3)两相流能量方程t ( c p T )+ x j ( v j c p T )= x j e T Tx j+ s Q s -q r +n k Q k +c p T S (3)式中: 为颗粒表观密度;n k 、mk 为第k 种颗粒密度与单位颗粒质量;Q k 为各组颗粒与连续流体相间对流换热;c p T S 为单位体积中连续流体相; s 为连续流体相第S 组反应率; s Q s 为流体相单位体积反应热;F M 为颗粒Magnus 力; e 为方程对应的扩散系数.1.2 两相流模拟方法1.2.1 欧拉双流体法该方法将不同相视作同一微元体内相互贯穿的连续介质,对各相体积率在时间与空间上进行平均,用流动方程描述欧拉参考系下流体质量及动量运输过程,广泛用于自模化管流、风洞实验和气体绕流等流场模拟.曹玉春等[1]用欧拉双流体法分析了不同曳力模型及颗粒弹性恢复系数对鼓泡床稠密气固多相流的影响.郭印诚等[2]基于欧拉双流体法考察了突扩燃烧室内液雾燃烧过程,模拟结果与实验数据符合程度高.1.2.2 拉格朗日法该方法适用于研究二维流场及球形离散相传输过程,忽略颗粒间及颗粒与流体间的相互作用,由瞬态模型计算剪切流离散相传输.在流场特定点源引入大量颗粒后,结合积分方程求得每一颗粒运动轨迹与瞬时速度.昌泽舟等[3]数值研究了气固紊流剪切流中颗粒弥散的拉格朗日模拟.袁竹林等[4]成功地将拉格朗日法用于漏斗流模拟.王聪等[5]在双拉格朗日框架下解决了用离散涡法求解单相流与颗粒运动方程的相容性问题.1.2.3 欧拉-拉格朗日法该方法将特征线法与数值法相结合,主要用于求解连续相与离散相组成的多相流动问题.其中:连续相流场通过网格时间平均求得,并由经典Navier -Stokes 方程控制;离散相流场则由动量方程独立控制.刘向军等[6]详细描述了国内外稠密气固两相流欧拉-拉格朗日法的研究现状,揭示出颗粒运动的复杂经历及运动规律.庞明军等[7]用欧拉-拉格朗日双向耦合法研究了泡状湍流结构及其影响因素.丁琴等[8]通过建立基于欧拉-拉格朗日法的气固两相流模型,数值模拟了泡沫颗粒顶部及侧向射料的填充过程.2 气固两相流模型及应用2.1 连续介质模型连续介质模型把流体看成无数质点组成的毫无间隙的连续介质,从宏观上把握流体物理性质和运动特性,假设各种物理量在流体空间的连续分布、连续变化.采用 欧拉法 把固相看成拟流体,气固两相相互渗透,是目前两相流研究中广泛采用的一种模型,其典型数学模型有k - 模型和单流体模型.2.1.1 k - 模型k - 模型以单方程模型为基础,把湍动能k 与耗散率 相联系,综合考虑湍动能运输扩散与速度比尺的历史效应,通过求解湍流特性方程来确定涡黏性.该模型形式简单,使用方便,可用来计算复杂湍流,预测平面射流、边界层流、管内流动和多维无旋或弱旋流动,是目前最普遍、最具代表性的双方程湍流模型.毛宇飞等[9]通过低Reynolds 数k - 模型对超临界压力下直管湍流强制对流换热及其影响因素进行数值研究.该模型简洁直观、模拟精度高,在改善复杂湍流模型的同时,能在较苛刻的传热工况下进行准确计算.张建等[10]采用标准k - 模型对空流场平衡大气边界层进行数值模拟,通过对比不同方位的湍动能及黏性系数,准确显示各位置气流廓线特征.但由于驻流区湍动能驻点异常,还需采用修正方程对模型边界层自保持性进行修正,为改50第1期孙 晨,等:气固两相流模型在流场分析中的研究进展1)本文涉及的浓度,均为质量浓度( ).善空流场平衡性提出解决思路.刘晶[11]用标准k - 模型定性研究了内燃机汽缸内湍流流场分布及变化情况.研究表明:湍动能大小与缸内壁面距离有关,离壁面越近湍动能越小,且大部分集中于凹坑形燃烧室中心.该研究较真实地显示了内燃机缸内气流分布状况及变化过程.2.1.2 单流体模型单流体模型又称 无滑移模型 ,是在单相湍流模拟逐渐成熟的基础上发展起来的气固两相流模型.该模型假设:1)颗粒按尺寸分组,每组颗粒时均速度等于当地气体时均速度,即动量平衡;2)颗粒温度为常数或等于当地气体温度,即能量平衡;3)气相扩散系数与固相扩散系数相等,即扩散平衡;4)颗粒群按初始或当地尺寸分组;5)各相间相互作用,颗粒群与连续流体相阻力忽略不计.刘云卿[12]指出单流体模型的主要优点是处理方法简单,可采用较成熟的处理两相流问题,并运用该模型对柴油机微粒过滤器气固两相流特性进行数值模拟,着重研究了过滤体内压力场、速度场及均匀性分布.结果表明:过滤体阻力造成内部压力逐层递减,扩口壁面压力损失较明显,径向微粒浓度1)呈抛物线状分布,受涡流强度影响较大.徐刚等[13]应用单流体模型数值模拟了旋流喷嘴流体速度场、喷嘴出口处空气涡流及其深度随压强的变化关系,指出气涡深度与流量大小成正比,气涡越深流量越大,并进一步分析流量 压强关系曲线,为改善喷嘴结构提供可行方案.2.2 颗粒轨道模型颗粒轨道模型也称 离散颗粒模型 ,它把颗粒群看成离散相,在拉格朗日坐标系中考察颗粒与气体、颗粒与颗粒间相互作用,通过追踪颗粒运动轨迹来观察沿轨道颗粒的速度、温度、密度、质量及能量的变化过程.该模型假设:1)颗粒相是与连续流体相存在速度及温度滑移的离散相;2)颗粒群自身无湍流黏性、湍流扩散和湍流导热;3)颗粒群按初始尺寸分组,每组颗粒在任何时刻都有相同尺寸、速度和温度;4)各组颗粒从一定位置出发沿各自轨道运动,可追踪颗粒质量、速度和温度的变化情况;5)颗粒作用于流体的质量、动量能量源等价均布于气相单元内.文献[14]认为,颗粒轨道模型的最大优点在于物理概念明确,计算简单,可节省计算机存储及运算时间,能追踪描述复杂经历的固相颗粒,数值模拟时不产生伪扩散.徐江荣[15]基于湍流理论研究了两相流颗粒轨道模型的特征频率,构造频谱分布函数后对频谱指数特性进行分析,结合相关流体理论系统描述了湍流脉动过程,为复杂工程流场中颗粒轨道模型的改善提供相应技术方案.胡建新等[16]将颗粒轨道模型中3种颗粒跟踪与定位算法进行对比研究,结合超声速拦截器外流场模拟算例,详细分析了飞行器复杂流场的变化过程,指出综合考虑搜索网格数与搜索时间条件下,R.Chor da 颗粒轨道算法具有显著优势.胡长松等[17-19]基于颗粒轨道模型建立柴油机微粒过滤器二维流场模型及气固两相流模型,对微粒在多孔介质中的扩散、惯性捕集机制进行模拟研究,指出气体流速与微粒粒径对捕集效率均产生不同程度影响,模拟结果与实验数据误差较小,具有一定的合理性与可行性.2.3 颗粒拟流体模型颗粒拟流体模型又称 小滑移模型 ,该模型基于连续介质概念,把颗粒视作与流体相互渗透的一种拟流体,全面考虑相间速度滑移、颗粒扩散、相间耦合和颗粒对流体的作用.该模型将流体与颗粒在整体上视为一种特殊介质,给出三维空间颗粒速度、浓度、温度的分布规律,在计算、建模、求解上具有统一性.于勇等[20]指出颗粒拟流体模型对可压缩两相流具有典型指导意义,并将其用于研究超声速可压缩两相流中气相与颗粒的相互作用规律.研究表明,颗粒浓度与粒径大小均对两相流产生较大影响,且颗粒的存在会使流场产生较大变化,造成轴向射流马赫数降低,温度升高.鲍仲辅等[21]采用颗粒拟流体模型对圆柱气固喷射器两相流动进行三维数值仿真,并指出该模型将能量耗散转化为黏度,较大程度地简化了计算规模,且运算时间短.郑建祥等[22]基于黏性颗粒拟流体模型数值模拟了流51上海工程技术大学学报第25卷化床纳米颗粒气固两相流动特性,主要研究了颗粒间的黏性作用与能量耗散,为提出适用纳米颗粒的新拟流体模型提供科学依据.汪翔等[23]实验研究了基于颗粒拟流体模型的柴油高压喷嘴空化流动,进一步寻找影响柴油机喷雾及燃烧的主要因素.研究表明,边界条件对喷口内空化流动较敏感,压力波动导致空化过程不稳定,且液相湍流分布特征与喷口速度有助于柴油一次性雾化.王维等[24]采用颗粒拟流体模型对循环流化床流场分布进行模拟仿真,并将空隙率、颗粒速度等相关参数与传热过程相耦合,其模拟结果与实验数据吻合程度高,为耦合流动、传热、反应的二维模拟及燃烧器结构优化提供可靠依据.潘卫国等[25]将颗粒拟流体模型与离散介质动力理论结合,对不同弯管及复杂管线内气固两相流动进行数值模拟,详细研究了弯曲角度与曲率半径对不同尺寸粒子的分离效果,为电站锅炉燃烧流场优化提供有效途径.3 模型分类及对比用于描述气固两相流场变化的数理模型主要有3类,分别为基于欧拉坐标系的连续介质模型、基于拉格朗日坐标系的颗粒轨道模型和颗粒拟流体模型.其中:连续介质模型主要包括k - 模型与单流体模型;颗粒轨道模型可分为颗粒轨道随机模型和颗粒轨道模型频谱法等;典型颗粒拟流体模型为气体拟颗粒模型.目前,将气固两相流理论融入工程实践还处于不断完善阶段,通过对两相流模型研究现状的分析比较,结果表明:1)连续介质模型大多用于研究工程流体力学中的气液运动规律,其优点在于能将流体结构抽象为连续介质,对微观问题进行宏观处理,但该模型不适用于研究分子间距较大的特殊气体动力学问题.2)颗粒轨道模型主要用于研究流体力学中颗粒相与流体相的相互作用,其优点在于能较好地描述复杂经历中颗粒蒸发、凝结、挥发等过程,但该模型对流场颗粒浓度、速度分布及湍流扩散等现象缺乏较好的处理方法.3)颗粒拟流体模型重点用于研究流体中颗粒相黏性、扩散及导热等物理性质,其优点在于能同时考虑颗粒自身的湍流扩散与相间速度滑移,统一处理弥散颗粒与连续流体,但该模型计算量过大,对复杂流体现象的处理有待进一步改进.4 结 语经过多年的不懈努力,我国气固两相流研究已取得迅猛发展,并逐步成为以守恒方程为基础,从本构关系出发的多层次现实性交叉学科.在加强国际前沿交流的基础上,我国气固两相流研究将立足实际工业需求,从工业生产中寻求创新突破口,在协调发展相关学科的同时,深入研究非线性流动、流型转变机制、瞬态现象解析和多维紊流等复杂两相流现象,不断开拓学术领域与研究成果,为我国现代化工业建设奠定坚实基础.参考文献:[1] 曹玉春,吴金星,李言钦,等.基于欧拉-欧拉模型的气固鼓泡床数值模拟研究[J].热力发电,2008,37(11):35-38.[2] 郭印诚,林文漪,王冬.液雾燃烧的全欧拉模型数值模拟[J].燃烧科学与技术,2000,6(1):38-43.[3] 昌泽舟,Berlemont A ,Go uesbet G.气固紊流剪切流中颗粒弥散的拉格朗日模拟[J].空气动力学学报,2001,19(1):39-46.[4] 袁竹林,徐益谦.用拉格朗日法对气固两相流动的数值模拟[J].发电设备,1997(6):27-29,36.[5] 王聪,陈斌,郭烈锦,等.双拉格朗日模型模拟气固两相双圆柱绕流[J].西安交通大学学报,2009,43(1):77-80.[6] 刘向军,石磊,徐旭常.稠密气固两相流欧拉-拉格朗日法的研究现状[J].计算力学学报,2007,24(2):166-172.[7] 庞明军,魏进家,刘海燕,等.泡状流相分布及湍流结构的欧拉-拉格朗日双向耦合数值研究[J].西安交通大学学报,2010,44(7):1-5.[8] 丁琴,吴志超,姜俊侠,等.基于欧拉-拉格朗日模型的射料过程的数值模拟[J].特种制造及有色合金,2006,26(4):211-214.[9] 毛宇飞,郭烈锦,白博峰.基于低R eynolds 数k -模型的超临界流体对流换热的快速计算模型[J].化工学报,2010,61(2):281-288.[10] 张建,杨庆山.基于标准k - 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气固两相流动的数值模拟与建模
气固两相流动的数值模拟与建模气固两相流动是指在管道或设备中，同时存在气体和固体颗粒的流动现象。
这种流动在许多行业中都很常见，例如化工、能源、环境保护等领域。
通过数值模拟与建模，可以更好地理解和预测气固两相流动的特性，提高流动过程的效率和安全性。
在进行气固两相流动的数值模拟时，首先需要进行流体性质的建模。
气固两相流动中，气体和固体颗粒的物理性质和运动行为是不同的，因此需要对两相流动中的气相和固相进行单独建模。
对于气相，常用的模型有Navier-Stokes 方程和连续介质假设，通过这些模型可以描述气体在流动中的速度、压力和密度等特性。
对于固相颗粒，通常采用离散相模型，这个模型假设颗粒之间互相不作用，并体现出颗粒的运动和排列状态。
通过对气相和固相的建模，可以建立气固两相流动的数值模型。
数值模拟中最常用的方法之一是计算流体力学（CFD）方法。
CFD是通过离散化的数学方程和计算方法，对流场进行求解的一种方法。
在气固两相流动的数值模拟中，CFD方法可以用来解决气体和颗粒的速度、压力、浓度和能量等方程。
通过CFD方法，可以得到气固两相流动的速度和压力分布、颗粒浓度分布等参数，从而有效地描述了流动的特性。
除了CFD方法外，还可以采用粒子流体动力学（SPH）方法进行气固两相流动的数值模拟。
SPH方法是一种基于颗粒的数值计算方法，通过模拟颗粒的运动和相互作用，得到流场的分布和特性。
在气固两相流动中，SPH方法可以考虑颗粒之间的碰撞、沉积和湍流扩散等现象，从而更加准确地描述气固两相流动的特性。
数值模拟与建模的目的是为了更好地理解和预测气固两相流动的行为，以便优化流动过程的设计和操作。
通过数值模拟，可以得到气固两相流动中关键参数的分布规律，进而优化设备的结构和工艺参数。
例如，在化工领域中，通过数值模拟可以优化固体颗粒的输送设备，减小颗粒的堵塞和磨损程度，提高流动过程的效率和稳定性。
在能源领域中，数值模拟能够预测煤粉燃烧过程中的颗粒分布和燃烧效率，从而优化燃烧设备的设计和操作。
SIMPLE算法及应用
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＩＭＰＬＥ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｇｒａｖｉｔｙ ｃｕｒｒｅｎｔ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ
上海交通大学博十后出站报告
第一章ＳＩＭＰＬＥ算法概述
对于不可压缩流动，由于其控制方程对空间各坐标都是椭圆型的，给数值求解带来较 大困难。Ｐａｔａｎｋａｒ与Ｓｐａｌｄｉｎｇ Ｔ－１９７２年提出的ＳＩＭＰＬＥ（Ｓｅｍｉ．Ｉｍｐｌｉｃｉｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｌｉｎｋｅｄ Ｅｑｕａｔｉｏｎ）算法是一种能够有效地求解不可压缩流动的数值方法，自其问世以来在世 界各国计算流体力学及计算传热学界得到，、泛的认可和应用，这一算法及其后的各种改进方 案已成为计算不可压缩流场的主要方法，并成功推广到可乐缩流场的计算中，成为一种可以 计算具有任何流速流动的数值方法。
岸例四通过数值模拟辅助人｝：造流系统设计，对造流系统蹬计给出了一些有益的建议。
关键词 ｓｌＭＰＬＥ算法：湍流模式；异重流： 数值模拟： 计算流体力学
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应的入口湍流 耗散能按混合长度理论计算得出 : ε= 其中 , l m 为混合长度 。
3 /4 3 /2 c μ k k l m
( 9)
Байду номын сангаас
图 2 突扩通道结构的贴体网格划分
3 数值模拟结果及分析
实际上 , 影响复杂几何形状内流体 流动的主要 因素有两 个: 通道的几何形状和入口边界条件 。 本文同时考 虑和分析 了不同扩 张比 ( h /H )和 不 同入 口 R e 数 下 , 流 体的 流 动特 性。
其中, μ 为动力黏 度 , δ 为K r o n e k e r 算 符 , 当 i=j 时其值为 t i ,j 时其值为 0 , k 为单位质量流体湍流脉动动能 , 是紊 1, i ≠j 流流场中速度 脉动时间平均值的平方 , 表示为 k=
2 2 v ′ +w ′ )。
1 2 ( u ′ + 2
206
( 2)k-ε 二方程紊流模型
汽 轮 机 技 术
第 52 卷
度 。 计算对象的结构参数如下 : 模拟对 象的长度和 高度之比 为 L : H = 6: 1 , 入口截面离台阶 面的距离 L = 1. 3h。 入口 1 流 动参数 由进 入突扩 通道 的流 动状态 值 — — —R e 数 给出 , 其 中 R e 数与通道入口高度 h 和通道入口流速 V 0 的关系为 : R e= ( 2) ρ V h 0 μ ( 7)
u u i j -ρ ε + x x j i μ+ μ t σε ε x j
( ρ ε ) ε + ( ρ u )= j t x x i j +
c u 1ε i μ k t x j
2 u u ε i + j -c 2ρ k x x j i
( 3) 其中, ρ 为流体的密度 ; k 为湍流动能 ; ε 为湍流耗散能 ; μ 为 t 涡黏性系数 ;σk 、 σε 、 c 1 、 c 2 、c μ分别为常数 。 ( 3)假设流体为 单相流体 。 1. 2 控制方程 在进行流场数值 模拟时 , 对流扩散方程为 ( ρ u ) p u i i + ( ρ u u ) =+ +S ( 4) μ i j e f f x x x t x i i j j 将式 ( 2) 及式 ( 3) 变换成式 ( 4) 的形式 , 得到二 维直角坐 标系下紊流流动控制 方程的通用形式 : ( ρ u) ( ρ v) + = + +S Γ Γ x y x x y y ( 5) 其中 , Γ为扩散系数 ; 分别对应的是 u 、v 、k 及 ε; S 为源项 。 1. 3 壁面函数法 紊流 模型只适用于湍流中心区域 , 也称为 高 R e 数 k-ε 模型 。 在靠近壁面处 , 湍流形成 了一个 附面层 , 附面 层中 R e 数很低 , 湍流动能和 耗散能 的变 化比较 复杂 , 不 适合用 微分 输运方程确定 。 为把整个求解 区域统一起来 , 首先 要知道附
+ 面层的厚度 。 可利用一个无量纲距 离 y 来判别计 算区域内
图 1 突扩通道内结构示意图
本文分别 应用矩形 网格和 贴体 网格对 突扩 紊流 流动的 回流区长度进 行了预测 , 其中 , 贴 体网格划分如图 2 所示 , 流 场中共包含了 52 × 12 个节 点 。 对于 矩形网 格 , 入口 处认为 是充分发展的 紊流流动 ; 对 于贴 体网格 , 入 口条 件按 如下开 口系统边界条 件的确 定方 法取值 。 入口边 界上 的湍 流动能
( 6)
3. 1 通道几何形状对流动的影响 图 3 中所示的 是在 R e =2. 6 ×104 时 , 突 扩管 内回 流区 长度 L 随扩张比 ( h /H )变化的 数值 计算及 实验 测量结 果 。 r 其中 , 实线代表的是 采用矩 形网 格的模 拟结 果 , 虚线 是采用 贴体网格的 模拟 结 果 , 圆点 代 表的 则是 突 扩流 场 的扩 张比 ( h /H ) 在 0. 2 ～ 0. 7 之间变化时 , K .C .K a r b i 等所测的实验 值。 从图中可 以看出 , 采 用的 两种 不同 网格 时的 数值 计算 结果 相差不大 , 两曲线重合度好 , 特别是在扩张比 h /H < 0. 5 时 , 两者的计算结果基本一致 , 并 且与 K .C .K a r b i 等所得的 实验值吻合得 很好 。 但 在扩张比 h /H > 0. 5 时 , 随 着扩张比 的 增大 , 两者偏 离实验 值越来 越大 , 而采 用矩形网 格时的 模
第 52卷 第 3 期 2010 年 6 月
汽 轮 机 技 术 T U R B I N ET E C H N O L O G Y
V o l . 52 N o . 3 J u n . 2010
突扩流道内单相流动的数值模拟
徐永国 , 付金波 , 李秀香 , 李宇峰
1 2 1 1
( 1 哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 , 哈尔滨 150046; 2 中国船舶重工集团公司第 703研究所 , 哈尔滨 150001)
N u m e r i c a l S i m u l a t i o no nt h e F l o wi naS u d d e nP i p eE x p a n s i o n
X UY o n g g u o, F UJ i n b o, L I X i u x i a n g, L I Y u f e n g ( 1H a r b i nT u r b i n e C o m p a n yl i m i t e d ,H a r b i n150046, C h i n a ; 2C h i n a S h i p b u i l d i n gI n d u s t r y C o r p o r a t i o n , N o . 703 R e s e a r c hI n s t i t u t e , H a r b i n150001, C h i n a )
收稿日期 : 20091224 作者简介 : 徐永国 ( 1984) , 男 , 工程师 , 从事汽轮机设计工作 。
1 数学模型
1. 1 简化和假设 ( 1) R e y n o l d 应力 τ t 根据 B o s s i n e q 的假设 , 类似于层流流动 中切应力 和速度 应变率的关系 , 本文中 τ 和紊流时均 速度梯度成比例 : t ( τ ) i ,j t =μ t u u 2 i j - δ k + ,j 3 i x x j i ( 1)
通过对瞬态 N-S 方程及 其时均 形式作 一系 列运算 , 可 以分别得到有关湍流动能和耗 散能的微分方 程形式 , 具体的 推导过程可参考刘秋 生等 [ 7] 所做的工作 。 其最终形 式如下 : ( ρ k ) k + ( ρ u )= j t x x i j +μ t u i x j μ+ μ t σk k x j
Ab s t r a c t : I n v e s t i g a t i o no f f l o wd y n a m i c si nas u d d e np i p ee x p a n s i o ni s m e a n i n g f u l ef o r p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g a n dt h e o r e t i c a l s t u d y .B o t hr e c t a n g u l a ra n db o d y f i t t e dg r i ds c h e m ea r eu s e dt os i mu l a t et h es i n g l e p h a s ef l o wi nas u d d e np i p ee x p a n s i o n w i t hd i f f e r e n t e x p a n s i o nr a t i o sa n di n l e t R en u m b e r si nt h i sp a p e r .T h er e s u l t s , c o m p a r e dw i t ht h o s eo b t a i n e db yK .C . K a r b i e t a l .a n dV i j a yK .G a r ge t a l . ,s h o wt h a t w h e nh /H < 0. 5, t h ed i f f e r e n c ei sv e r ys m a l l b yu s i n gt h e s et w ok i n d so f g r i ds c h e m e s , a n di t a g r e e sw e l l w i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s , w h i l e h /H > 0. 5, t h e t w os i m u l a t i n gr e s u l t s d e v i a t ef r o mt h e e x p e r i m e n t a l v a l u e s o b v i o u s l y . Ke yw o r d s : s u d d e np i p ee x p a n s i o n ;r e c t a n g u l a rg r i d ;b o d y-f i t t e dg r i d ;n u me r i c a l s i mu l a t i o n 但是由于受到 坐标系的束缚 , 很难推广 到复杂几何 形状的流 场中去 。 随着贴体网格 技术的出现 , 有 限差分法得 到了更为 广泛的应用 , 同时也给网格的生成方 法提出了 新的课题 。 而 以往的数值研究中大多 采用直交的矩形网格 , 本文 根据突扩 通道的结构特 点 , 还 采用贴 体网 格 , 对突扩 通道 内的 流体的 流动物性进行 了数值模拟 。