[发明专利]一种气液两相流的模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于工业过程中流道中的两相流模型仿真与预测领域，特别涉及一种气液两相流的模拟方法。

背景技术

气液两相管流(Gas liquid two phase flow in pipes)是指游离气体和液体在管道中同时流动的情况，该过程中游离气体和液体气液状态共存、相互转换。

在两相管流的四种类型(气—液、气—固、液—液以及液—固)中，气—液两相流是最复杂的。这是由于气—液两相流中存在可变形的两相界面，其中的气相具有高度可压缩性，气液间存在一个互相转换的动态过程。两相界面分布成不同几何形态或不同流动结构形式的现象称之为两相流流动型态，简称流态或流型。不同流型的气液混合物遵循各自不同的流动规律。

本发明是针对工业过程中流经流道的含水混合气体中的水的气—液两相流的模拟方法，特别强调的是，混合气体中的气体均应可看作理想气体，且在水中的溶解度可忽略不计。工业应用中两相流的应用广泛，在工业过程的计算机仿真模拟方面，本发明运用常微分方法，相对于偏微分方法，适用于针对同一模型的系统分析与控制器的设计。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种气液两相流的模拟方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种气液两相流的模拟方法，该方法首先针对工业流道中混合气体流通过程，结合物理原理与数学逼近算法，对工业流道中的两相流的气液情况进行分析模拟；其次经仿真可得到气态水的气压、流量与液态水的流量，从而分析实际中的两相流问题。具体包括如下步骤：

(1)构建工业流道中含水混合气体流通模型：其中与水两相流相关的主要变量为流道中混合气体中各部分气体的气压；混合气体与水蒸气共同流通，气压与流量存在互相耦合的关系；给出公式(1)：

公式(1)中表示混合气体的总摩尔流量，M_mix表示混合气体的单位摩尔质量，A表示流道横截面积(若考虑气体经过比例阀的流动，则为比例阀的孔口面积)，p_all表示混合气体总气压，R表示理想气体常数，T表示温度，其中M_mix,C_d计算如下：

公式(2)中x_i(i＝1,2,...,i,...,n)表示第i种气体在混合气体中所占的比例，M_i(i＝1,2,...,i,...,n)表示第i种气体的单位摩尔质量，n表示除水蒸气外的气体数量，以此类推，假设混合气体中含有若干气体与水蒸气，这些气体均可看作理想气体，在管道中不会发生化学反应，以及在水中的溶解度可忽略不计；

公式(3)中p_out表示混合气体出口处的气压，p_in表示混合气体进口处的气压；

公式(4)中比热容比γ＝c_p/c_v，c_p为气体恒压比热容，c_v为气体恒容比热容，根据混合气体成分确定；

混合气体中各种气体的气压-流量关系利用理想气体公式推导给出：

公式(5)中p_gas表示混合气体中某一气体的分压，表示混合气体中该气体的分压对时间的导数，V表示该段流道的体积，表示该气体的摩尔流量；

工业过程中因反应、机器工作升温、外界环境温度变化等情况会导致流道内温度发生变化，而流道内温度变化会导致水的饱和蒸汽气压发生改变，由于水的气液两相流问题存在于0～100℃的温度环境中，可选取符合温度范围的饱和蒸汽压经验公式建立温度T和水饱和蒸汽气压P_sat间的关系；普通工业过程环境温度处于10～168℃之间，符合Antoine温度-水的饱和蒸汽压公式，如公式(6)所示；若温度处于0～10℃摄氏度范围，可通过查阅温度-水的饱和蒸汽压表或通过Keenan和Keyes经验式建立二者关系；

ln(P_sat)＝9.3876-3826.36/(T-45.47)(6)

公式(7)表示温度与热量的关系，其中T为温度，表示在流道中因工业过程中反应产生的热量的变化量，表示在流道中因环境温度改变导致的热量的变化量，表示在流道中因水因气液转换产生的热量的变化量，若有其他热量变化可添加；