[发明专利]一种气液两相流的模拟方法

摘要

本发明公开了一种气液两相流的模拟方法，该方法针对工业流道中含水混合气体流通过程，结合物理原理与数学逼近算法，对流道中的两相流的气液情况进行分析模拟；经仿真可得到气态水的气压、摩尔流量与液态水的摩尔流量，从而分析实际中的两相流问题。本发明通过气液两相流的处理方法与动态仿真分析水的两相流情况，有益于分析管道湿度、水液体量、气液两相流等在工业过程中必须考虑的因素。

主权项

一种气液两相流的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建工业流道中含水混合气体流通模型：其中与水两相流相关的主要变量为流道中混合气体中各部分气体的气压；混合气体与水蒸气共同流通，气压与流量存在互相耦合的关系；给出公式(1)：公式(1)中表示混合气体的总摩尔流量，Mmix表示混合气体的单位摩尔质量，A表示流道横截面积，若考虑气体经过比例阀的流动，则表示比例阀的孔口面积，pall表示混合气体总气压，R表示理想气体常数，T表示温度，其中Mmix,Cd计算如下：在混合气体中，含有若干种气体与水蒸气，均看作理想气体，在管道中不会发生化学反应，并忽略气体在水中的溶解度；公式(2)中xi表示第i种气体在混合气体中所占的比例，Mi表示第i种气体的单位摩尔质量，n表示除水蒸气外的气体数量；公式(3)中pout表示混合气体出口处的气压，pin表示混合气体进口处的气压；公式(4)中比热容比γ＝cp/cv，cp为气体恒压比热容，cv为气体恒容比热容，根据混合气体成分确定；混合气体中各种气体的气压‑流量关系利用理想气体公式推导给出：公式(5)中pgas表示混合气体中某一气体的分压，表示混合气体中该气体的分压对时间的导数，V表示该段流道的体积，表示该气体的摩尔流量；工业过程中因反应、机器工作升温、外界环境温度变化会导致流道内温度发生变化，而流道内温度变化会导致水的饱和蒸汽气压发生改变，由于水的气液两相流问题存在于0～100℃的温度环境中，选取符合温度范围的饱和蒸汽压经验公式建立温度T和水饱和蒸汽气压Psat间的关系；普通工业过程环境温度处于10～168℃之间，符合Antoine温度‑水的饱和蒸汽压公式，如公式(6)所示；若温度处于0～10℃范围，通过查阅温度‑水的饱和蒸汽压表或通过Keenan和Keyes经验式建立二者关系；ln(Psat)＝9.3876‑3826.36/(T‑45.47)  (6)公式(7)表示温度与热量的关系，其中T为温度，表示在流道中因工业过程中反应产生的热量的变化量，表示在流道中因环境温度改变导致的热量的变化量，表示在流道中因水的气液转换产生的热量的变化量，若有其他热量变化则添加；(2)根据步骤1得到的模型，引入两相流气液分配算法，实现工业流道含水混合气体中水的气液两相流的模拟，具体如下：根据公式(5)得到公式(8)、(9)；其中，公式(8)表示实际工业过程中水蒸气气压的变化公式，即存在两相流情况下的水蒸气气压变化公式；公式(9)表示不考虑水蒸气的气液转换，所有水均以气态水方式存在下的水蒸气气压变化公式；公式(8)中表示水蒸气气压，分别表示进口水蒸气摩尔流量与出口水蒸气摩尔流量，为管道内存在的反应生成水的摩尔流量，表示生成水中的液体部分的摩尔流量；公式(9)中表示所有水均以气态水的方式存在下的水蒸气气压，分别表示进口水蒸气摩尔流量与出口水蒸气摩尔流量，为管道内存在的反应生成水的摩尔流量；工业过程中，水蒸气气压在达到临界值时会开始产生液态水，该临界值通常略小于期望湿度要求RH下的期望水蒸气气压通过设定常数waterc进行调节，取值范围为(0.9RH,RH)，根据工业过程需求自行调节；计算方法如公式(10)和公式(11)：当小于临界值时，认为水以水蒸气形式存在，公式(12)成立：当时公式(13)中watera，waterb,waterc表示相关的常数系数，根据实际操作需要修改；其中watera，waterb表示与逼近速度相关的常数系数，用于控制水蒸气气压曲线趋近于期望水蒸气气压时候的速度，即圆弧曲度，取值为(0,10]，以达到期望的效果。