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申请/专利权人：江苏大学

摘要：本发明提供了一种基于IBM‑VOSET‑DEM的三相流动传热耦合仿真方法及系统，包括确定计算域和划分计算域的网格；初始化参数；重构液‑液界面：确定第n+1时刻流体体积分数：确定边界网格，确定第n时刻网格单元的符号距离函数；确定界面的网格单元的界面曲率：光顺界面突变物理量；确定界面的表面张力；确定流体中间速度：得出计算域中所有网格单元的流体体积分率和中间速度；确定颗粒速度：确定第n+1时刻第p固体颗粒位移和第n+1时刻的网格单元的固体体积分数：确定计算域在第n+1时刻的最终速度；求解温度和界面热流密度。本发明采用DEM软球模型计算固体碰撞力，能够精确获得并追踪固体颗粒的运动微观信息；采用界面热流密度模型考虑了界面的共轭传热影响。

主权项：1.一种基于IBM-VOSET-DEM的三相流动传热耦合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：S01：确定计算域和划分计算域的网格：确定计算域尺寸，确定计算域内颗粒数量N和粒径D；其中计算域中的任一网格表示为Nx,Ny，其中x∈[1，N1]；y∈[1，N2]；设置计算时间步长Δt，总时间步数Nt；其中N1为水平方向总网格数；N2为竖直方向总网格数；S02：初始化参数：确定初始时刻所有网格单元流体的速度初始时刻所有网格单元流体的温度和初始时刻所有网格单元流体的体积分率F0x,y；确定初始时刻所有固体颗粒的中心位置xs,ys、初始时刻所有网格单元固体的速度初始时刻所有网格单元固体的温度和初始时刻所有网格单元固体的体积分率确定所有热物性参数，包括：第一流体的密度ρ1、第二流体的密度ρ2，固体颗粒的密度ρs，第一流体的粘度μ1，第二流体的粘度μ2，第一流体的导热系数λ1，第二流体的导热系数λ2，固体颗粒的导热系数λs；S03：重构液-液界面：当流体体积分数Fnx,y∈0，1时，则第n时刻的网络单元Nx,Ny为液-液界面网格；当Fnx,y＝0时，则第n时刻的网络单元Nx,Ny被第二流体充满；当Fnx,y＝1时，则第n时刻的网络单元Nx,Ny被第一流体充满；当网格x,y为液-液界面网格时，采用分段线性插值技术PLIC重构第n时刻所有网格单元的界面形状；S04：确定第n+1时刻流体体积分数：根据第n时刻网格单元nx,Ny的速度和第n时刻网格单元Nx,Ny的流体体积分数Fnx,y获得Δt时间内流入和流出网格单元Nx,Ny的流体体积，进而获得n+1时刻的网络单元的流体体积分数Fn+1x,y；S05：确定边界网格，当网格x,y为液-液界面网格时，确定第n时刻网格单元Nx,Ny的符号距离函数S06：确定界面的网格单元Nx,Ny的界面曲率kx,y：S07：光顺界面突变物理量：采用Heaviside函数确定第n时刻网格单元Nx,Ny光顺界面附近的密度和粘度：第n时刻网格单元Nx,Ny光滑密度计算公式为： 第n时刻网格单元Nx,Ny光滑粘度计算公式为： 光滑Heaviside函数为： 其中，∈为光顺界面厚度；S08：确定界面的表面张力求解液-液界面的表面张力，第n时刻网格单元Nx,Ny表面张力Fsnx,y通过连续表面力模型计算，具体计算公式如下： 其中σ为表面张力系数，当不存在界面时，则不存在表面张力，第n时刻网格单元Nx,Ny的表面张力Fsnx,y＝0；S09：确定流体中间速度S10：重复步骤S03-S9，得出计算域中所有网格单元的流体体积分率Fnx,y和中间速度S11：确定颗粒速度：采用IBM和DEM方法分别确定固体颗粒受到的流体力和碰撞力确定颗粒的速度：根据第p颗粒受到的总流体力和总碰撞力采用牛顿动量方程和角动量方程求解出第n+1时刻第p颗粒的平动速度第n+1时刻第p颗粒转动速度和第n+1时刻第p颗粒速度矢量计算公式如下： 其中，msp为第p颗粒的质量，Isp为第p颗粒的惯性张量，为第n时刻第p颗粒中心到第p颗粒边界的半径矢量；为第p颗粒在第n时刻受到的总流体力；为第p颗粒在第n时刻所受的总碰撞力；获得所有颗粒的速度，进而获得计算域中所有颗粒的速度矢量，被颗粒占据的所有网格单元的流体力S12、确定第n+1时刻第p固体颗粒位移dn+1和第n+1时刻的网格单元Nx,Ny的固体体积分数S13：确定计算域在第n+1时刻的最终速度un+1x,y；S14：求解温度和界面热流密度，具体步骤如下：A、求解颗粒界面热流密度：A-1、根据第n+1时刻固体体积分数获得所有固体界面网格，将所有固体界面网格设有为合集其中，Hg为合集中第g个界面网格单元，G为合集内的界面网格单元总数；A-2、在界面网格Hg上，温度梯度分为法线方向和切线方向其中i，j分别为水平和竖直方向的网格数，TnHg为第n时刻界面网格Hg的温度，为颗粒界面法线方向上的单位矢量，I为单位矩阵；A-3、法向和切向方向的导热系数通过以下公式进行计算： 式中为界面网格单元He在第n+1时刻的法线方向热导率，为第n+1时刻的切线方向热导率；λs为固体的导热系数；λf流体的导热系数，当该固体界面Fn+1Hg0时，则λf取值为λf1，否则取值为λf2；A-4、界面网格处的热通量通过以下公式计算： B、流体界面热流密度求解：B-1、根据第n+1时刻流体体积分数Fn+1x,y确定所有液-液界面网格；将所有液-液界面网格设为合集其中，Fh为合集中第h个界面网格单元，H为合集内的界面网格单元总数；B-2、在界面网格Fh上，温度梯度分为法线方向和切线方向其中i，j分别为水平和竖直方向的网格数，T为TnFh为第n时刻界面网格Fh的温度，为液-液界面法线方向上的单位矢量，I为单位矩阵；B-3、法向和切向方向的导热系数通过以下公式进行计算： 式中为界面网格单元Fh在第n+1时刻的法线方向热导率，为第n+1时刻的切线方向热导率；λf1和λf2分别为第一流体和第二流体的导热系数；B-4、界面网格处的热通量通过以下公式计算： C、采用Crank-Nicolson方法对能量方程的扩散项进行时间更新，在欧拉系统上求解出温度场；S15：若当前时间步数nNt，则重复步骤S03-S14，直至当前时间步数n＝Nt；本方法用于获得流体-流体、流体-固体和固体-固体之间的动量交换，并能获得界面附件的热流密度，从而更准确的获得三相系统内部的流动与传热现象。

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