[发明专利]根据数值模拟结果识别两相流中气体分布形态的方法

说明书

本发明提供了一种根据数值模拟结果识别两相流中气体分布形态的方法，从模拟结果中抽取各计算单元中心坐标及气体体积分数数据，对纯气相数据集合和气液混合相数据集合分别采用阈值自适应的单链接凝聚层次聚类方法识别气泡主体和气泡边界，再对混合相数据类进行归并和分裂处理，从而识别出气体分布形态。本申请引入无量纲距离阈值的概念，提出了一种阈值自适应的凝聚层次聚类算法，并针对数据量庞大的数值模拟结果提出了“数据空间软分割‑子空间分别处理‑结果合并”的处理方法，测试结果表明：该方法可以有效地提取两相流体系中的气泡尺寸等气体分布形态信息。

技术领域

本发明涉及两相流数值模拟数据识别技术领域，特别地，涉及一种根据数值模拟结果识别两相流中气体分布形态的方法。

背景技术

气液两相流是冶金及化工领域中的常见体系，在此类体系中气体的分布形态对两相流的运动特性以及两相间的传热、传质以及化学反应过程具有重要影响，因此，准确获取气泡尺寸、形状等信息对气液两相流研究具有重要意义。针对两相流中气体分布形态的直接测量方法可分为接触式测量和非接触式测量两大类。接触式测量是在流体中布置一定数量的探针(光导纤维探针、电导探针等)，根据探针输出信号(光强、电压等)的差异辨识气相、液相及界面，从而计算出通过探针的气泡的直径、速度等信息。接触式方法测量结果相对可靠，但只能获取两相流的局部特性，布置的探针会对流场产生一定干扰，而且在高温、高压、腐蚀性的环境中无法使用。非接触式测量主要采用激光多普勒(LDA)、过程层析成像(PT技术)、共振声谱或高速摄影等一次测量技术，并结合图像处理等后处理技术，以非侵入的方式获取两相流中气泡尺寸、气含率、气泡运动速度等信息。非接触式测量方法对流场无附加干扰，并且理论上能获取范围更广的流场信息，但在目前的技术条件下，各种非接触方法在实际应用中均有较大的局限性，例如：激光多普勒、过程层析成像、高速摄影等技术均要求流体及设备具有较好的透光性；激光多普勒技术不适用于动态变化的流场；共振声谱法不适合含气量较大的情况；高速摄影技术只能得到近壁处的图像。显然，现有的直接测量方法(包括接触式和非接触式)均难以适用于实际工业环境，一般仅能用于实验室研究。

另一方面，随着多相流数值模拟技术的不断发展与进步，现有的数值模拟方法，例如流体体积分数(volume offluid，VOF)方法等，已经可以较为准确地模拟两相流中的两相分布及其界面特征。张振扬等运用VOF方法对富氧底吹熔池熔炼炉内两相流进行数值仿模拟，并将模拟结果与水模型实验结果进行比较分析，发现数值模拟结果与实验结果平均误差在5％左右；Akhtar等将VOF与相变模型相结合对薄膜沸腾过程进行了二维及三维模拟，通过二维模拟得到的平均Nusselt数与Berenson和Klimenko 等人推导计算得到的结果基本吻合；马斗等运用VOF模型对气液两相流中的单孔气泡的形成与运动过程进行了数值模拟，结果与高速摄像法获得的实验结果基本一致。这些研究表明现有数值模拟方法可以较为准确地计算获取计算区域各网格的气体体积份数，并能以图像的方式直观地展示两相流中的气体分布形态。然而，基于模拟结果的进一步分析往往依靠人的视觉观察，例如，通过观察发现气泡群尺寸分布随时间的变化规律。这种对模拟结果的分析模式效率低并且往往无法获得准确的定量信息。事实上，人们从模拟图像中识别气泡的过程在本质上是人脑对图中数据点依据属性(空间位置、颜色、气体体积份数)相似的原则进行归类的过程，该过程在理论上可以由聚类分析等数据挖掘技术在计算机上自动完成。但是利用这类技术从气液两相流数值模拟结果数据中提取气相或液相分布形态的研究尚未见报道。

VOF方法定义每个网格单元中目标流体与网格单元的体积比为目标流体体积份数，满足如下控制方程：

式中，u为流体速度，单位为m·s^-1。

该方程与连续性方程、动量方程等其它控制方程构成一个封闭的方程组，数值模拟即是根据一定的边界条件对该方程组进行离散化求解。气体在两相流中的分布形态最终体现为计算区域各计算网格气体体积份数的计算结果：