[发明专利]一种考虑动态摩阻的水气耦合瞬变流的模拟方法

权利要求书

1.一种考虑动态摩阻的水气耦合瞬变流的模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：将管道系统内瞬变流划分为水体、水-气交界面、滞留气团三大部分，并分别建立相应的控制方程；

S2：分别添加三种动态摩阻模型至步骤S1中三个控制方程形成的数学模型中，所述三种动态摩阻模型分别为原始的基于卷积的动态摩阻模型、优化的基于卷积的动态摩阻模型和基于瞬时加速度的动态摩阻模型；

S3：设置初始条件和边界条件；

S4：求解控制方程进行数值模拟；

所述步骤S2中三种动态摩阻模型的方程如下：

原始的基于卷积的动态摩阻模型：

利用流体加速度和加权函数的卷积以表示层流中的动态摩阻项：

优化的基于卷积的动态摩阻模型：

基于瞬时加速度的动态摩阻模型：

给出了动态摩阻项与局部瞬时加速度和瞬时对流加速度之间的关系，如下式：

其中，当V≥0时，sign(V)＝1；当V＜0时，sign(V)＝-1；k为布鲁诺摩阻系数。

2.根据权利要求1所述的一种考虑动态摩阻的水气耦合瞬变流的模拟方法，其特征在于：所述步骤S1中水体、水-气交界面、滞留气团三大部分的控制方程如下：

水体部分控制方程：

其中，H是压力水头，V是平均流速，a是声速，g是重力加速度，x是距离，t是时间，J_s和J_u分别是恒定摩阻和非恒定摩阻中单位长度下的水头损失，其中恒定摩阻J_s定义为：

其中，f_s是达西-威斯巴赫摩阻系数，D是管道直径；

气体状态方程为：

其中，和是滞留气团的绝对压力和绝对压力水头，它们的初始值分别为和V_a和L_a分别是气团的体积和长度，它们的初始值分别为V_a0和L_a0；

可移动的气液交界面的控制方程：

H_wa＝H_a+Z_wa (6)

其中，H_wa和V_wa是气液交界面处的压力水头和流速，Z_wa是气液交界面到水平管中心线之间的高程，H_a是滞留气团中的相对压力，L_w0是初始水体长度。

3.根据权利要求1所述的一种考虑动态摩阻的水气耦合瞬变流的模拟方法，其特征在于：所述原始的基于卷积的动态摩阻模型中加权函数是上一时步速度的权值，写成如下形式：

τ＞0.02：

τ≤0.02：

其中，j和k是时步Δt的维度，v是流体运动粘度。

4.根据权利要求1或3所述的一种考虑动态摩阻的水气耦合瞬变流的模拟方法，其特征在于：所述基于瞬时加速度的动态摩阻模型中布鲁诺摩阻系数k通过下式给出的瓦迪衰减系数C*计算得出：

5.根据权利要求1所述的一种考虑动态摩阻的水气耦合瞬变流的模拟方法，其特征在于：所述步骤S3中初始条件和边界条件分别为：

初始条件：水体初始流速为0，气团初始压力为0；

边界条件：上游进口压力在模拟过程中保持恒定不变。

6.根据权利要求1所述的一种考虑动态摩阻的水气耦合瞬变流的模拟方法，其特征在于：所述步骤S4中利用一阶精度MOC求解控制方程。