[发明专利]一种基于CFD-PBM耦合模型对云空化时的空泡大小分布的分析方法

说明书

本发明是一种基于CFD‑PBM耦合模型对云空化时的空泡大小分布的分析方法。所述方法为采用空化模型，建立运输方程的空化模型，确定质量输运速率；进行大涡模拟，采用SST k‑ω模型，优化运输方程；根据优化后的运输方程，建立气泡群体平衡模型，采用均一离散法求解气泡群体平衡模型，得到均一离散的气泡动量；基于CFD‑PBM耦合模型，确定云空化时的空泡大小分布。本发明分析了空泡大小分布，并明确湍流耗散率的影响，CFD‑PBM耦合模型模拟结果基本与云空化准周期性变化保持一致。

技术领域

本发明涉及空泡大小分布技术领域，是一种基于CFD-PBM耦合模型对云空化时的空泡大小分布的分析方法。

背景技术

对于一定温度的液体，由于压强的降低而在其内部汽化的现象，叫做空化。就水力机械而言，空化大多是一种有害现象，因此空化特性一直是水力机械设计者除效率、稳定性外的三大目标之一。水翼绕流作为一个经典的流体力学问题，其空化特性的研究己经成为各种水力机械空化特性研究的前提。

另一方面，在依赖空化的工业应用中空泡尺寸分布的估计至关重要。群体平衡模型(Population Balance Model，PBM)是描述多相流体系中分散相大小分布的通用方法。针对水翼绕流中的气液体系，PBM模型有助于修正传统单一气泡模型的影响，更接近实际。

1997年Wei等提出将CFD和PBM耦合求解的思路后，其已成为多相流领域的一个研究热点。CFD-PBM耦合模型最初主要用在化工过程，如气液反应、气力输送、结晶沉淀、发酵等。但近年来在舰船气泡尾流的预测、超细颗粒物的团聚脱除、萃取柱内的流场模拟、离心泵内的盐析现象、三相磨粒流抛光方面有了更广泛的应用，涵盖了气-液、气-固、液-液、液-固乃至气-液-固三相，在学术界和工业界越来越受关注。

针对气液体系，研究者以鼓泡塔为背景，考察了空气-离子液体、空气-非牛顿流体等体系中的气泡大小分布，明确了CFD-PBM耦合模型的模拟结果更接近实际，同时发展出双气泡相群体平衡模型(Two-phase Bubble Population Balance Model，TBPBM)。可以看到CFD-PBM耦合模型由于可以将气泡聚并、破碎等行为纳入CFD的框架内，因此其适用范围更广，预测能力更强。

发明内容

本发明为确定空泡的大小分布，本发明提供了一种基于CFD-PBM耦合模型对云空化时的空泡大小分布的分析方法，本发明提供了以下技术方案：

一种基于CFD-PBM耦合模型对云空化时的空泡大小分布的分析方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：采用空化模型，建立运输方程的空化模型，确定质量输运速率；

步骤2：进行大涡模拟，采用SSTk-ω模型，优化运输方程；

步骤3：根据优化后的运输方程，建立气泡群体平衡模型，

步骤4：采用均一离散法求解气泡群体平衡模型，得到均一离散的气泡动量；

步骤5：基于CFD-PBM耦合模型，确定云空化时的空泡大小分布。

优选地，所述步骤1具体为：

步骤1.1：采用空化模型，建立混合物的密度和压力的关系，通过下式表示所述关系：

ρ＝f(p) (1)

其中，ρ为混合物密度，p为压力；

步骤1.2：建立运输方程的空化模型，通过下式表示所述运输方程的空化模型：

其中，为空化过程中的蒸发源项；为空化过程中的凝结源项，ρ_v为气体密度，α_v为气体体积分数，t为时间，V为流体运动速度；