[发明专利]基于动网格的管道紊流化学析晶耦合数值模拟方法及系统

权利要求书

1.基于动网格的管道紊流化学析晶耦合数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤SS1：确定各物理场的模型参数，所述模型参数包括：湍流k-ε模型的流体密度、流速、流体粘度、湍流动能、湍流耗散率，化学反应模型的对流传质系数、表面反应速率常数、活化能、饱和浓度，所述动网格方程的法相网格速度、流体速度、移动边界平滑调整参数、曲面梯度算子；

步骤SS2：根据所述步骤SS1收集的模型参数，基于质量和能量守恒原理、湍流方程以建立排水管内的反应性溶质运移方程；

步骤SS3：确定反应性溶质运移模型的初始条件、边界条件、水力参数、源汇项，进行空间网格剖分和时间离散；

步骤SS4：求解反应性溶质运移模型，得到模拟区内时间上和空间上流速矢量的分布及溶质浓度的分布；

步骤SS5：在步骤SS4获得的反应性溶质运移模型结果的基础上，根据动网格方程，建立基于动网格的岩溶隧道排水管结晶堵塞数值模型；

步骤SS6：确定所述步骤SS5中的排水管结晶堵塞数值模型的初始条件、边界条件、模型参数及源汇项，进行空间网格剖分和时间离散；

步骤SS7：求解岩溶隧道排水管结晶堵塞数值模型，得到修正后模拟区内时间上和空间上流速矢量的分布、溶质浓度的分布以及生成结晶物的体积分数分布；

步骤SS8：根据流场、浓度场及结晶物体积分数的变化，刻画出排水管结晶堵塞数值模型边界的位移变化，完成岩溶隧道结晶堵塞数值模拟。

2.根据权利要求1所述的基于动网格的管道紊流化学析晶耦合数值模拟方法，其特征在于，所述步骤SS4中的反应性溶质运移模型及所述步骤SS7中的排水管结晶堵塞数值模型均包括湍流模型、化学反应模型。

3.根据权利要求2所述的基于动网格的管道紊流化学析晶耦合数值模拟方法，其特征在于，所述步骤SS4中的所述湍流模型，采用标准k-ε模型进行计算：

其中，ρ为流体密度，u为流速，p为压力，I为湍流强度，K为黏性应力，F为体积力，μ为流体动力粘度，μ_T为湍流运动粘度，为拉格朗日算子，k为湍流动能，∈为湍流耗散率。

4.根据权利要求2所述的基于动网格的管道紊流化学析晶耦合数值模拟方法，其特征在于，所述步骤SS4中的所述化学反应模型的建立过程包括：

步骤a：确定CaCO₃结晶过程的化学反应：

步骤b：建立平衡反应热力学数据库，用于计算所需物种的组分形态和参与反应性溶质运移数值模拟；

步骤c：建立动力学反应的速率方程：根据化学反应动力学过渡态理论TST来确定参与矿物溶解和沉淀的反应速率方程。

5.根据权利要求4所述的基于动网格的管道紊流化学析晶耦合数值模拟方法，其特征在于，所述步骤b具体包括：定义排水管结晶堵塞过程中水溶液组分和生成物种，确定所述生成物种的生成反应过程和热力学平衡常数，并将所述水溶液组分和生成物种及热力学平衡常数组成一个数据组合，最后将反应性溶质运移模型中多个组分的数据组合组成平衡反应热力学数据库。

6.根据权利要求4所述的基于动网格的管道紊流化学析晶耦合数值模拟方法，其特征在于，所述步骤c中的建立动力学反应的速率方程具体包括：采用CaCO₃沉积-剥蚀反应速率表达式：

m＝m_d-m_r

(5)

其中，m为净沉积速率，m_d为沉积率，m_r为剥蚀率，β为对流传质系数，k_R为表面反应速率常数，u为流速，m_f为单位面积污垢质量，β为线膨胀系数，T_w、T_f分别为管壁温度及流体温度，d_P为晶体粒径。