[发明专利]一种气泡羽流湍流闭合的方法

说明书

本发明公开了流体工程技术领域的一种气泡羽流湍流闭合的方法，基于气液两相的双向力耦合，从气泡羽流的控制方程推导出湍流输运方程中与气泡相关的源项并模型化；构建自由界面湍流模型，并推导出自由界面对湍流影响的源项；基于标准的k‑epsilon湍流方程、湍流输运方程中与气泡相关的源项和自由界面对湍流影响的源项，构建新的湍流模型；采用欧拉‑拉格朗日‑自由界面追踪的CFD模型模拟气泡羽流，结合物理实验，验证新的湍流模型。本发明提出的新的湍流模型能更准确地模拟液相的流场和湍流、气相的分布、以及气液动量传递等，进而能够更加深入地研究气泡羽流的动力学特性和运动规律。

技术领域

本发明属于流体工程技术领域，具体涉及一种气泡羽流湍流闭合的方法。

背景技术

气泡羽流在气幕防波堤、冶金工业、水处理和污水处理、天然气泄露以及环保疏浚等领域具有广泛的应用，因此认清气泡羽流的动力学特性及流动规律具有重要意义。湍流和多相流是流体工程中两个最具有挑战性的难题。气液相之间存在动量和能量的交换，气泡对液相的湍流有调节作用，液相湍流反过来会影响到气泡的运动和分布，这使得对气泡羽流的湍流认知更加复杂。湍流的正确刻画关系到气泡羽流中液相的流场、湍流、气泡分布、气泡尺寸和气液动量传递的模拟等。实验中观测到了气泡会给液体增加额外的扰动，但是在实验中很难区分气泡引起的湍流和剪切力引起的湍流。模型工作者把气泡引起的湍流，以脉动速度或者湍动能的形式，线性叠加在普通意义上的湍流上。然而这些经验和物理推理的方法不能揭示气泡引起的湍流机制。因此亟需一种更加严谨科学的方法。

k-epsilon二方程湍流模型具有运行速度快、较高计算精度、以及稳定性的特点，成为流体工程的主要计算工具之一，广泛地应用于气泡羽流的工程应用中。然而标准的k-epsilon模型没有考虑气泡引起的湍流以及自由界面对湍流的影响，不能准确地预测液相的流场、湍流以及气相的分布，阻碍了对气泡羽流的动力学特性和运动规律的研究。因此亟需一种新的湍流闭合方法来弥补现有的技术缺陷。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种气泡羽流湍流闭合的方法，从气泡羽流的控制方程的理论推导中，获得湍流方程中与气泡相关的源项，揭示气泡对液相湍流调节作用的机制，还考虑了自由界面对湍流的影响，并模型化；构建了欧拉-拉格朗日-自由界面追踪方法的CFD模型，结合物理实验，对新的湍流模型开展验证，从而更深入地研究气泡羽流的动力学特性和运动规律。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种气泡羽流湍流闭合的方法，包括：

a、基于气液两相的双向力耦合，从气泡羽流的控制方程推导出湍动能输运方程中与气泡相关的源项，并模型化；

b、构建自由界面湍流模型，并推导出自由界面对湍流影响的源项；

c、基于标准的k-epsilon湍流方程、湍流输运方程中与气泡相关的源项和自由界面对湍流影响的源项，构建新的湍流模型；

d、采用欧拉-拉格朗日-自由界面追踪的CFD模型模拟气泡羽流，结合物理实验，验证新的湍流模型。

作为优选，所述步骤a包括：从气泡羽流的质量和动量守恒方程出发，推导获得湍动能输运方程中与气泡相关的源项，并模型化湍流耗散率方程中对应的源项。

作为进一步地优选，依据牛顿第三定律，动量方程中气泡对单位体积液相的拖曳力通过统计气泡所受到的拖曳力获得：