一种气液固三相流仿真方法与流程

1.本发明属于液压仿真技术领域，尤其涉及一种气液固三相流仿真方法。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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)。
5.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。
6.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。
7.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。


技术实现要素：

8.针对现有仿真方法中存在的上述技术问题，本发明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。
9.具体地，本发明提供一种气液固三相流仿真方法，其包括以下步骤：
10.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；
11.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；
12.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；
13.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；
14.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；
15.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；ff为流体对颗粒的作用力；fc为颗粒受到的接触力；tc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 发明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saffman 力、basset力、虚拟质量力、压力梯度力以及magnus力等。本发明对已有耦 合接口程序进行了重新编写，加入前述颗粒受到流场的其余力，使其更加符合 颗粒运动实际情况。
[0028]
优选地，其中，fc为颗粒受到的接触力，其表达式为：
[0029]
fc＝f
c,n
f
c,t
[0030]
式中，f
c,n
和f
c,t
分别表示颗粒与颗粒、壁面接触过程中受到的法向力和切 向力；
[0031]
tc为颗粒受到的接触扭矩，其表达式为：
[0032]
tc＝t
t
tr[0033]
式中，t
t
和tr分别表示由切向接触力和滚动摩擦产生的接触扭矩；
[0034]ff
为流体对颗粒的作用力，其表达式为
[0035]ff
＝fg fb f
p
f
drag
f
vr
f
saff
[0036][0037][0038][0039]
式中，uf为流体的速度；fg为颗粒所受重力；fb为浮力；f
p
为压力梯度力； f
drag
为流体曳力；f
vr
为虚拟质量力；f
saff
为saffman升力；cd为曳力系数；d
p
为颗粒直径；ρf和ρ
p
分别为流体和颗粒的密度；μ为流体动力粘度；re为颗 粒雷诺数。
[0040]
本发明具有以下有益效果：
[0041]
(1)本发明是一种气液固三相流仿真方法，具有参数设置简单，准确度 高，仿真结果直观易懂，仿真周期短，效率高，适用范围广泛，通用性强等优 点。
[0042]
(2)所述气液固三相流仿真方法所有参数均在仿真软件fluent和 edem软件内设置，操作简单；所述气液固三相流仿真方法可以根据颗粒的实 际形状大小进行建模，设置颗粒的密度、泊松比和弹性模量等参数，真实还原 颗粒的本征属性；可根据实际工况设置颗粒与接触表面的摩擦系数和恢复系数 等接触参数；考虑了颗粒与颗粒、颗粒与壁面之间的接触作用，更符合实际， 仿真准确性高；
[0043]
(3)所述气液固三相流仿真方法对现有的耦合接口程序进行重新编写， 补全颗粒在流场运动受到的力，更符合实际情况，仿真准确度高；所述气液固 三相流仿真方法所得到的结果直接显示颗粒在仿真模型中的具体沉积位置，直 观地展示了颗粒的运动情况；
[0044]
(4)所述多相流仿真方法仿真周期短，耗费计算资源较少，计算效率高； 所述气液固三相流仿真方法不仅适用于油箱中，理论上适用于掺杂着固相和气 相的任意流动液体的数值仿真，适用范围广泛，通用性强。
附图说明
[0045]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示 意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图 中：
[0046]
图1为本发明实施例公开的仿真流程图；
[0047]
图2为本发明实施例公开的仿真应用模型和过程图；
[0048]
图3为本发明实施例公开的cfd-dem耦合仿真流程图；
[0049]
图4a和图4b均为本发明实施例公开的仿真耦合模型改进算法；
[0050]
图5a-5c分别为本发明实施例公开的一种液压油箱三相流仿真仿真结果 图，其中图5a为油液速度仿真图，图5b为气体体积分数仿真图，图5c为颗 粒沉积位置仿真图；
[0051]
图6a和图6b分别为本发明实施例公开的一种液压油箱三相流和两相流颗 粒沉积位置对比图。
具体实施方式
[0052]
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
[0053]
具体实施例
[0054]
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的 示例性实施例进行进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部 分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实 施例及实施例中的特征可以互相结合。
[0055]
图1和图2示意性地显示了根据本发明的一个实施例的气液固三相流仿真 方法，包括以下步骤：
[0056]
步骤s1：液相和气相在仿真软件fluent中进行稳态仿真。气液仿真采 用欧拉-欧拉模型，将气相和液相均视为连续相，气相和液相相关仿真参数在 fluent内设置，进行稳态仿真。
[0057]
步骤s2：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-dem耦合接口。
[0058]
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；
[0059]
颗粒体积分数定义式如下：
[0060][0061]
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。
[0062]
步骤s3：通过cfd-dem耦合接口连接fluent和edem，进行气液固 三相流仿真。所述气液固仿真部分为瞬态仿真，采用欧拉-拉格朗日方法进行 计算，将气相和液相视为连续相，将固相视为离散相，fluent中连接edem， 开始仿真。待仿真结束后，保存仿真数据，查看仿真结果。
[0063]
在一个优选的实施例中，如图3所示。fluent与edem耦合过程如下： 首先fluent中进行气泡流动仿真，气液两相采用欧拉-欧拉仿真方法，进行 稳态仿真，进行瞬态流场计算，等待稳态后，接入edem耦合接口；edem 内设置颗粒属性和定义接触模型和参数，并设置投放颗粒数量和时间。 fluent与edem耦合计算开始后，耦合接口会传递颗粒受到的流场力作用 到edem中，edem根据牛顿第二定律计算颗粒所受合力，更新颗粒的位置 和速度，并将该信息转化为颗粒给流场的动量作用，并通过耦合接口传递给 fluent。如此往复计算，直至fluent到达所设置时间步，耦合计算完成， 仿真结束。
[0064]
图4a和图4b示意性地显示了根据本发明的一个实施例的仿真耦合算法改 进内容。由于颗粒在流场中受到的不同力的程序架构和内容相似，图4a和图 4b仅示意地展示了耦合接口中颗粒受到的saffman力的程序内容。saffman 力与颗粒的转动角速度有关，算法首先对转动角速度进行分量定义，并对 saffman力计算式中所用的其他变量进行定义，最后编写力的计算式。
[0065]
在一个优选的实施例中，一种液压油箱气液固三相流仿真结果如图5a-5c 所示。均匀混有气体和固态颗粒的油液由油箱回油口进入，经过油箱中间的隔 板，由油箱吸油口流出。油液的速度分布云图显示油液的最大速度分布在油箱 回油管一侧，即隔板左侧；气体体积分数的分布云图显示油液中气体含量最大 的位置位于油箱回油管一侧，油箱吸油管一侧油液几乎不含有气体；颗粒在液 压油箱中的沉积位置图显示颗粒几乎都沉积于油箱的回油口一侧，回油管左侧 的两角处存在聚集的颗粒，回油管右侧的颗粒在仿真中呈现弧状分布。
[0066]
在一个优选的实施例中，一种液压油箱气液固三相流和气液两相流颗粒沉 积位置对比图如图6a和6b所示。气液固三相流和气液两相流仿真结果整体趋 势相似，即回油管左侧的两角处存在聚集的颗粒，回油管右侧的颗粒在仿真中 呈弧状分布。
[0067]
两者不同之处在于，气液固三相流仿真结果中颗粒的整体位置比气液两相 流更远，即更靠近油箱壁面，由此可见气液固三相流仿真结果和气液两相流仿 真结果之间的差异程度较大，反映对液压油箱进行流体仿真时考虑气体对固态 颗粒的作用的重要性。
[0068]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明 的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对 本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的 保护范围内。