[发明专利]一种大密度比气液相变的混合LBM数值模型及应用

说明书

本发明属于计算机模拟技术领域，公开了一种大密度比气液相变的混合LBM数值模型及应用，为了弥补传统单组分伪势相变模型界面参数在相变模拟中无法独立调节控制以及无法正确反映沸腾过程中气泡内部过热度的缺陷，在单组分多松弛伪势格子Boltzmann模型的基础上，通过采用界面压力驱动相变的方式耦合传热方程建立了气液相变模型。通过对液面蒸发现象进行模拟，验证了模型的正确性以及模拟精度；采用此模型模拟了单个气泡生长过程中的温度分布及界面变化。本发明与现有相变沸腾模型相比，模拟的气液两相密度比大为提高，并且采用此模型可以对两相界面参数进行独立控制，能够反映气泡生长过程中气泡内部过热度的变化，与气泡动力学理论更加吻合。

技术领域

本发明属于计算机模拟技术领域，尤其涉及一种大密度比气液相变的混合LBM数值模型及应用。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：沸腾传热在核能、航天、材料等技术领域和能源、动力、石油、化工、冶金、制冷食品、造纸等工业中得到广泛应用。由于沸腾现象机理复杂，采用传统的实验和理论方法很难得到精确的结果。随着计算机技术的发展，数值计算流体得到充分的发展。其中，格子Boltzmann方法是近几十年来发展起来的基于统计热力学理论的介观模拟方法，由于其良好的并行性以及高精度，在流体数值模拟中得到广泛的应用，并逐渐应用于气液两相流以及沸腾换热现象的模拟中。其中单组分伪势格子Boltzmann模型是其中最常用的气液两相流模型，采用单组份伪势模型对沸腾相变模拟常用的方法是通过引入非理想气体状态方程，通过耦合温度方程计算状态方程中的温度参数，从而达到相变的目的。近年来通过学者们不断的努力，在采用伪势模型模拟相变问题上取得了很大的进展，并且应用于气泡生长以及成核的研究中。采用单组份伪势型在模拟相变机理问题上取得了很多成果，不仅反映了气泡的成核、生长、脱离的基本规律，也实现了沸腾换热曲线的模拟。但是现有模型与在实际沸腾相变过程中应用仍然具有很大差距。主要原因是由于模型中所模拟两相密度比仅为5到20左右，且各项参数相互影响难以独立控制，而工程中常见制冷剂的密度比往往在50到1000左右，而水沸腾过程中密度比则达到1500以上。除此之外，相变模型的所有参数均由状态方程决定，状态方程中温度的改变将直接影响模型一些固有参数如表面张力、界面厚度、汽化潜热等等，而这些变化模拟计算过程中无法独立控制，研究其变化规律也比较困难，由于多相流体种类繁多，实际模拟中需与模拟对象参数吻合，参数无规律变化将会导致模拟结果不准确。并且从以往文献的研究可以发现伪势模型的性质除受状态方程影响外还受到诸多数值因素的影响，忽视这些影响会使得模型的各种参数的量化很难实现，并且难以得到精确的数值结果，从而使得模拟所得速度场温度场等物理量与实际产生偏差。

除直接采用状态方程自动模拟相变现象外，在LBM自由能模型的基础上引入传统气液相变机理(如采用VOF、Levelset等方法模拟相变)建立了LBM相变模型。与基于状态方程的方法相比，由于其相变量由传入界面热量直接算出，因此能够很好的保证在计算过程中的能量守恒。但是，由于其相变量由质量方程中源项引入，很难反映气泡生长过热度等问题。由气泡动力学理论可知，沸腾过程中气泡生长过热度与气泡半径成反比，随着气泡直径减小，气泡生长所需过热度明显增加。气泡过热度是气泡成核重要条件，直接影响气泡生长成核机理，忽略过热度会使模拟气泡生长成核与实际产生较大差别。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有模型很难对实际气液相变现象进行模拟；相变模型变化模拟计算过程中无法独立控制，得到变化规律比较困难；难以得到精确的数值结果；很难反映气泡生长过热度。

解决上述技术问题的难度和意义：由于气液相变及沸腾换热是一种十分复杂的物理过程，受到流体运动，界面性质，加热条件多方面影响。特别是微小尺度下的气泡成核机理现有热力学理论虽然较为完善，但是对实际沸腾过程仍然很难准确进行预测。因此，发展准确并且符合热力学理论的沸腾相变模型具有很大的难度。而由于沸腾现象在工业中的广泛应用，特别是高效换热器以及核工业的应用中，沸腾相变传热直接影响换热器的热效率，对能源高效利用有重要意义，同时在核反应堆等高功率换热设备中，沸腾换热过程对设备的安全运行具有重大影响。发展精确的沸腾换热模型对预测换热器效率、指导换热器设计、实现能源高效利用以及安全利用有着重要意义。