[发明专利]一种基于气液两相流声速的仿真实验模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于气液两相流声速的仿真实验模拟方法，属于气液两相流技术领域，针对管道内存在的气液两相流条件进行模拟，包括两种不同流型的两相流中的当地声速模拟，分为分散均匀流模拟和分层流模拟；采用分层流模拟中的模拟模型分析两相流问题，对离散两相流下的声速进行仿真实验模拟，分层流模拟模型中，通过体积分数在网格面上的重构，将网格面上的通量分为两侧分别是气体‑气体，气体‑液体和液体‑液体这三种情况。该基于气液两相流声速的仿真实验模拟方法，通过采用分层流模拟模型对空气‑水两相流中的压力传播过程进行了仿真实验模拟，通过与实验和理论解的对比，验证了本方法在计算两相流声速方面的准确性。

技术领域

本发明属于气液两相流技术领域，具体为一种基于气液两相流声速的仿真实验模拟方法。

背景技术

飞行器速度接近音速时，飞行器前面的空气来不及恢复原状，一直处于压缩状态，不断叠加后阻力急剧增大，使飞行器产生强烈振荡、速度衰减，甚至会导致飞行器失控，这使得前人们一度以为音速是飞机速度不可逾越的障碍，被称之为音障。

突破音障时，由于飞行器本身对空气的压缩无法迅速传播，逐渐在其迎风面积累，形成激波面，在激波面上声学能量高度集中。激波面后方(post shock)压力升高，该压力超过常温条件下的饱和蒸汽压，引起空气中水蒸气雾化，也就是飞行器机翼附近出现的凝结雾。

在流体力学中，流体随压强的增大而体积缩小的性质，称为流体的压缩性。以上现象归根结底都是流体的可压缩性引起的。

在多相流中，即使是常态下的不可压缩流体，在一些条件下其可压缩性依然不可忽视。

空气动力学中，常常会提及马赫数。马赫数为物体速度与当地音速的比值大小，本质上体现流体被压缩的状态。流体的可压缩性通常借助马赫数进行判断，那么流体中的声速的计算就显得格外重要。

气液两相流表现出很多与单相流不同的性质。如气液两相流体中的音速远低于其中任何一种单相流体，当截面气含率在50％时，其音速仅为几十米每秒。如此低的音速使两相流体很容易实现超音速流动。超音速流动在受到干扰或背压影响的情况下可能发生激波，激波的发生将使两相压力突增，增加两相的化学势差，促进相变的发生。

现有技术中，例如管道系统在极端条件下会产生阻塞流、水锤等流体压缩现象，对管道系统的质量输送、管壁的稳定性产生影响，也是实际工程安全中需要考虑的问题。

为此，我们提出了一种基于气液两相流声速的仿真实验模拟方法对气液两相流声速的安全问题进行分析。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于气液两相流声速的仿真实验模拟方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于气液两相流声速的仿真实验模拟方法，针对管道内存在的气液两相流条件进行模拟，包括两种不同流型的两相流中的当地声速模拟，分为分散均匀流模拟和分层流模拟；

其中，分散均匀流模拟中，观察到小气泡弥散在主流流体中；

其中，分层流模拟中，观察到明显的气液交界面，上层为密度较小的气相，下层为密度较大的液相；

采用分层流模拟中的模拟模型分析两相流问题，对离散两相流下的声速进行仿真实验模拟，分层流模拟模型中，通过体积分数在网格面上的重构，将网格面上的通量分为两侧分别是气体-气体，气体-液体和液体-液体这三种情况，同时，时间积分采用4步Runge-Kutta方法，空间离散则采用3阶Osher-Chakravarthy TVD格式。

进一步优化本技术方案，所述分散均匀流模拟模型为

进一步优化本技术方案，所述分层流模拟模型为