[发明专利]一种单颗粒曳力模型系数标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及气固两相流动模拟技术领域，本发明公开了一种单颗粒曳力模型系数标定方法。

背景技术

目前气固两相流的模拟大多采用以下两种模型:离散相模型和双流体模型。这两种方法中气相均采用Navier-Stokes方程来描述，相间均通过曳力来耦合。实际上颗粒所受的力除曳力和重力外,还包括浮力、升力、虚质量力和静电力等。但是由于气体和颗粒间密度的巨大差异,这些难以用模型表达的力在实际的应用过程中通常被忽略。因此,如何描述相间的曳力就成为决定模拟结果正确与否的关键因素。

关于曳力的模型大致可归为以下三种:①根据实验数据关联得到的经验或半经验模型,如Wen&Yu模型、Ergun模型；②基于一定的气固作用机理,通过数学的方法推导得到的模型,如Zhang等模型、Hill等模型；③根据最小能量原理推导出的模型,如肖海涛等模型。这些模型都有各自的特点,提出的机理不同,各种曳力模型的应用可能会得到不同的结果。到目前为止,气固两相流的模拟过程中尚不能找到一个通用合适的模型。

目前最常用的标定曳力模型系数的方法是采用标准阻力曲线进行，在初步模拟方面能够模拟要求，但是由于标准阻力曲线是在一定的条件参数下获取的，不能够精确地满足目前越来越苛刻的计算条件，如高马赫数高雷诺数等，而有些状态曳力准确标定难度较大或者目前技术条件无法标定。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种实现单颗粒曳力模型系数标定的方法。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种单颗粒曳力模型系数标定方法，其具体包括以下的步骤：

步骤一、采用数值计算方法得到准确的单颗粒运动时间历程变量P_target，P_target＝ω₁*V_target+ω₂*CD_target；其中ω₁和ω₂分别为权系数，V_target为该单颗粒的速度时间历程，CD_target为该单颗粒的阻力时间历程；

步骤二、选定系数标定的基础模型，从该基础模型中获取多组设计变量分布a_j，使用不同的样本点计算该单颗粒在不同样本点的速度时间历程V_i和阻力时间历程CD_i，采用关联函数关联得到P_i，P_i＝ω₁*V_i+ω₂*CD_i；其中i为选取的样本点的个数，j为影响该单颗粒的历程的设计变量的个数；

步骤三、以a_j作为设计变量，以ΔP＝P_i-P_target作为标定的优化目标，建立响应面模型，并通过优化寻优寻找最小值，获取响应面最佳参数组合；

步骤四、以响应面最佳参数组合作为输入开展气固两相流动计算，如果计算轨迹结果与标定的优化目标ΔP之间满足收敛条件，则认为响应面最佳参数组合为最终标定系数组，如不满足收敛条件则将计算出的新结果与原有计算结果合并重新生成新的响应面模型，重新进行优化寻优，直至计算轨迹结果与标定目标ΔP满足收敛条件为止。

更进一步地，上述步骤一具体为采用CFD耦合六自由度运动方程计算该单颗粒的速度时间历程和阻力时间历程。

更进一步地，上述方法还包括采用DOE方法在设计空间内将单颗粒曳力模型系数均匀分布。

更进一步地，上述优化寻优的方式为采用SQP方法进行优化寻优。

通过采用以上的技术方案，本发明具有以下的有益效果：使得在不需要开展复杂试验的基础上即可对单颗粒曳力模型系数进行准确标定，同时能够对试验状态难度较大或者目前技术开展不了的单颗粒曳力模型系数进行准确标定，为气固两相流动计算研究提供准确基础参数。

附图说明

图1为本发明的单颗粒曳力模型系数标定方法的流程图。

图2为圆球模型空间网格划分示意图。

图3为采用CFD耦合六自由度飞行力学方程计算出的单球运动速度和阻力时间历程。

图4为采用DOE方法分布的曳力模型前3个系数的分布关系图。

图5为采用其中一组初始参数计算出的单球运动速度和阻力时间历程。

具体实施方式