[发明专利]一种考虑气体释放的两相均质瞬变流高德诺夫模拟方法

说明书

本发明公开了一种考虑气体释放的两相均质瞬变流高德诺夫模拟方法，包括：基于单一等效流体假设，通过脱气系数Gs动态地耦合气体空隙率与流动参数之间的两相瞬态流关联，计算管道主体的质量和动量通量；引入马松‑汉高科方法的全变差衰减约束来重构二阶精度高德诺夫模型，并且在模型中引入边侧双虚拟网格；根据管道主体的质量和动量通量，通过高德诺夫模型得到模拟结果。本发明有利于均质气液两相瞬态事件的物理机制探究和精确模拟，并实现或改进管道输水系统的安全操作方案。

技术领域

本发明属于水电站(泵站)水力学数值模拟计算技术领域，具体涉及一种考虑气体释放的两相均质瞬变流高德诺夫模拟方法。

背景技术

在实际的输水管道中，气液两相均质流通常由各种原因形成，例如系统曝气和溶解气体释放，呈现出总含量小于1％的小气泡，均匀分布在水中。这种流型可能会在系统运行期间造成危险的压力波动，从而对管道系统造成极端损坏。因此，需要对所有此类均质气液两相瞬态事件进行精确的数值模拟，以更好地理解瞬态流的物理机制，并实现或改进安全操作协议。

气液两相均质瞬变流(以下简称均相流)在数学模型的建立和数值格式的实现方面都进行了研究。对于数学模型公式，首先定义有，当重力对整体压力变化的影响很小时，可以将均质流视为单个等效均质流。之后，确认混合物中的气体含量应低于1％，这进一步阐明了基本原理均质流的定义。基于基本定义，在一系列实验观察后，制定了相关模型。例如，提出了具有传质表达式的初步均匀泡状流模型。之后，通过考虑粘度、空化和空气-水界面的影响，改进了均匀流模型。此外，为了准确再现实验结果，其他研究人员在模型中加入了更复杂的物理参数，例如气体释放、管道弹性、传热和波速变化。

先前的研究表明，上述所有物理参数都会影响模型精度，其中气体释放被认为是相对显著的。当混合物压力降至气体饱和压力以下时，水中的溶解气体开始释放为自由气体，并进一步导致在汽化压力下释放蒸汽。此外，由于气体溶解的量和速度相对较小，气体释放可以近似为瞬态时间尺度中的单向过程。已经证明，即使气体的一小部分也会导致均匀流中相当大的波速扰动。虽然气体释放进一步增加了混合物中气体含量的不确定性，但它可能会放大均相流的复杂性和危害。

因此，存在对气体释放效应进行的详细研究，虽然最初应用于空化流，但对均匀流中气体释放的模型公式作出了很大贡献。提出有分布式气泡生长模型，以初步研究气体释放的影响，应用于液柱分离和空化流动，但该模型中仅包含半经验气体释放率。之后开发了准均质流模型，其中空化流中有气体释放项，其中气体释放项主要取决于饱和和瞬时管线压力之间的差。为了更定量地展示气体释放现象，之后通过空化流中的脱气系数连续改进了气体释放模型。此外，其后通过结合一致的热力学模型对气体释放效应进行了更详细的分析，发现在复杂的热力学考虑下，流体对气体释放的机械响应，如色散、衰减和滞后。到目前为止，气体释放对空化流的影响已经得到了很好的研究，并且已经开发了一些有效的数值模型来表示气体释放过程。然而，以往关于气体释放的研究工作很少涉及均匀流，均匀流在流型和相变方面应与空化流显著不同。因此，参考现有的空化流气体释放研究，有必要建立均相流的气体释放模型，并对气体释放及其相应的不确定性和敏感性评估分析进行更多的定量研究。

求解均相流中首先应用的是的有限差分方法，包括Lax-Wendroff方法、特征线法(MOC)和改进的两时间步长有限差分法。然而，由于离散化方法的本质局限性，现有的有限差分方法在捕捉瞬态流中的冲击波时经常遇到守恒和分辨率问题。相比之下，控制体积法高德诺夫格式(Godunov)具有处理这些守恒问题的优势，随后被广泛用于瞬态管道流的模拟。证明，高德诺夫在单相瞬态流动和管道填充过程中可以获得满意的结果，二阶高德诺夫方案比一阶方案更精确。此外，提出了高德诺夫方案来模拟混合流，并通过对比实验证实了高德诺夫的准确性、稳定性和效率。随后，提出了均匀流中不同格式的高德诺夫和边界处理技术，但他们没有考虑气体释放的影响。先前的结果表明，二阶高德诺夫对于忽略气体释放的各种瞬态流事件更为稳健。然而，有必要进一步研究高德诺夫型方案对于更复杂的水力瞬态问题的可行性，包括将气体释放纳入均相流中。

发明内容