[发明专利]一种气液混输泵内气泡尺寸的数值预测方法

说明书

本发明公开一种气液混输泵内气泡尺寸的数值预测方法，该方法包括以下步骤：步骤一：通过气液混输泵三维反问题设计，获得叶轮和导叶叶片的最终形状；步骤二：根据步骤一建立气液混输泵三维几何模型；步骤三：依据步骤二的几何模型，进行全流道六面体结构网格划分，并采用不同类型的拓扑结构提高网格质量；步骤四：建立气泡尺寸预测模型，包括基本控制方程、湍流模型和气泡方程；步骤五：基于步骤四的气泡尺寸预测模型，采用计算流体动力学CFD的仿真计算设定边界条件及求解参数，对混输泵内的气泡尺寸及气液两相流场进行数值预测；步骤六：对步骤五的数值计算预测进行后处理分析，获得混输泵叶轮和导叶内的气泡尺寸变化规律以及气液两相流场信息。

技术领域

本发明涉及流体机械多相流动数值模拟技术领域，特别是涉及气液混输泵内气泡尺寸的数值预测方法。

背景技术

气液混输泵广泛应用于石化、食品、核工业等领域的多相混输过程。与传统单独输运气体和液体的方式相比，由于多相混输没有繁杂的分离设备，且输运介质共用一条管线，因此显著提高了输运效率，带来了巨大的经济效益。比如对于海洋油田资源开发，多相混输意味着可以用海底增压泵站代替海上平台，仅基本建设投资费用就可减少约40％。

两相流模型是决定数值计算精度的关键因素。用于描述气液两相流动的数学模型包括均相流模型、扩散模型和双流体模型。在有关混输泵的数值计算中，与均相流模型和扩散模型相比，双流体模型目前由于具有相对较高的计算精度而得到了广泛应用。在该模型中，每种介质均建立一组守恒方程，即它们有各自的速度场，但共用压力场，且考虑了介质间的各种相互作用。

在双流体模型中，气液相间作用力主要包括阻力、附加质量力、湍流弥散力、升力、巴塞特力(Basset effect)和马格努斯力(Magnus effect)。其中相间阻力通常被认为是最重要的气液相间作用力，而气泡尺寸与相间阻力大小密切相关。事实上，在相间阻力计算表达式中除了直接含有气泡直径项，还含有与气泡直径密切相关的相间阻力系数项。

由于叶轮旋转、动静干涉以及气液相间作用，气泡在混输泵内必然会发生聚合和破裂现象，气泡尺寸必然会发生改变，但遗憾的是在之前有关气液混输泵内流动的数值模拟计算中均未考虑气泡的破裂和聚合现象，气泡直径通常给的是定值，导致无法通过数值计算得到气泡尺寸在混输泵内的变化规律。显然，恒定的气泡尺寸反过来也会直接影响气液相间作用力中最重要的阻力，进而影响数值预测的精度，无法得到准确的气液两相流场。

因此希望有一种气液混输泵内气泡尺寸的数值预测方法能够解决现有技术中混输泵内气液两相流动的数值模拟计算问题。

发明内容

本发明公开了气液混输泵内气泡尺寸的数值预测方法,所述预测方法包括以下步骤：

步骤一：通过气液混输泵三维反问题设计，获得叶轮和导叶叶片的最终形状；

步骤二：根据步骤一建立气液混输泵三维几何模型；

步骤三：依据步骤二的几何模型，进行全流道六面体结构网格划分，并采用不同类型的拓扑结构提高网格质量；

步骤四：建立气泡尺寸预测模型，包括基本控制方程、湍流模型和气泡方程；

步骤五：基于步骤四的气泡尺寸预测模型，采用计算流体动力学CFD的仿真计算设定边界条件及求解参数，对混输泵内的气泡尺寸及气液两相流场进行数值预测；

步骤六：对步骤五的数值计算预测进行后处理分析，获得混输泵叶轮和导叶内的气泡尺寸变化规律以及气液两相流场信息。

优选地，所述步骤一利用三维反问题设计混输泵的叶轮和导叶，首先设定基本参数、轴面形状、叶片厚度和叶片载荷，得到一个初始的叶片形状，然后通过叶片形状、涡量场和速度场的不断迭代计算，完成最终叶轮和导叶叶片形状设计。