（动力机械及工程专业论文）基于非结构化网格气液两相流数值方法及并行计算研究与软件开发.pdf

基于非结构化网格气液两相流数值方法及并行计算研究与软件开发 高鼍e 捅要 气液两相流广泛地存在于能源、动力、核能、石油、化工、制冷、冶金、 航天和环境保护等许多工业领域中，研究气液两相流运动规律对工业设计具 有重要指导意义。目前对气液两相流动进行很多的理论研究和实验研究，数 值研究方法较少，而且主要依赖商业软件或者在结构化网格下进行，使得其 应用受到限制。本文主要展开了基于非结构化网格气液两相流动数值模拟方 法的研究。 研究了基于非结构化网格通用输运方程的数值求解方法，包括输运方程 的离散格式，边界条件处理方法，压力速度耦合s i m p l e 求解方法，详细讨 论了影响界面流量计算的重要因素。对不同物性材料耦合流场及温度场求解 方法及实现方式进行了讨论。 研究了大型稀疏线性方程求解方法。研究表明在计算流体力学( c f d ) 中，线性方程组的求解方法占总c p u 时间的6 0 以上，提高线性方程组的求 解速度是提高数值计算总体性能的关键所在。本文研究了一种聚合型代数多 重网格方法，并开发了相应的计算程序，提高了线性方程组的求解速度，该 方法的另一个特点是可以方便的实现并行处理，这也是本文所关心的另一个 重要特性。 基于非结构化网格开发了流体力学数值计算平台，在此平台上对一些经 典的算例进行了验算，计算结果与理论和实验吻合很好。同时与大型商业软 件计算结果进行了对比，本文开发的平台各方面性能表现良好。 详细研究了气液两相流动的双流体模拟方法，包括气液两相流的湍流封 闭模型，相间作用力模型以及相变模型。同时还对轴对称数值计算方法进行 了研究，并将此模型添加到数值计算平台中，节省了计算资源，提高了计算 性能。本文开发了基于m p i 的并行计算模块，得到了理想的加速比，可实现 对大规模实际问题设计计算或者流动细节进行理论研究，。 关键词：沸腾传热：双流体方法：非结构化网格；计算流体力学；并行计算； 哈尔滨工程大学博士学位论文 a b s tr a c t g a s 1 i q u i dt w op h a s ef l o wp h e n o m e n a a r ep r e s e n te x t e n s i v e l yi ni n d u s t r i e so f e n e r g y , n u c l e a r , o i l ，a n dc h e m i s t r y r e s e a r c ho nt w op h a s ef l o w si sm e a n i n g f u lt o m a k eg u i d e l i n ef o ri n d u s t r yd e s i g n t h e r ea r eal o to fe x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a l r e s e a r e h e si nt h el i t e r a t u r e h o w e v e r , n u m e r i c a ls t u d i e sa r el e s sp u b l i s h e da n d r e p o r t si n t h i sa r e aa r em a i n l yf o c u s e do na p p l y i n gt h ec o m m e r c i a l s o f t w a r eo r w i t h i nt h ef r a m e w o r ko fs t r u c t u r e dg r i d sw h i c hh a sl i m i t e da p p l i c a t i o n sf o rt w o p h a s ef l o w s t h ep r e s e n tt h e s i sf o c u s e so nt h ed e v e l o p m e n to f n u m e r i c a lm e t h o d s f o rg a s 1 i q u i dt w op h a s ef l o w sw i t hu n s t r u c t u r e dg r i d s 。 b a s e do nt h ee x p e r i e n c e si nc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ，t h el i n e a r e q u a t i o ns o l v e rt a k e sm o r et h a n6 0 c p u t i m eo ft h ew h o l ep r o c e s s ，t h e r e f o r e a c c e l e r a t i o no ft h el i n e a re q u a t i o ns o l v e ri sak e ye l e m e n ti ne n h a n c i n gt h ew h o l e p e r f o r m a n c eo fc f d a na g g l o m e r a t i o na l g e b r a i cm u l t i g r i dm e t h o d i sd e v e l o p e d a n di m p l e m e n t e di nt h es o l v e rw h i c ha c c e l e r a t e st h el i n e a re q u a t i o ns e ts o l u t i o n 。 a n o t h e ra d v a n t a g eo ft h i sl i n e a re q u a t i o ns o l v e ri st h a ti ti sc o n v e n i e n tf o rp a r a l l e l c o m p u t i n g ，w h i c hi sa l s ot h ep u r p o s eo f t h i sr e s e a r c h n u m e r i c a la l g o r i t h mf o rg e n e r a lt r a n s p o r te q u a t i o nb a s e do nu n s t r u c t u r e d g r i d i s p r e s e n t e d ，w h i c h i n c l u d e sd i s c r e t i z a t i o n ，b o u n d a r yc o n d i t i o n a n d v e l o c i t y 。p r e s s u r ec o u p l i n g s o m ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ef a c ef l u xc a l c u l a t i o n a r e a l s od i s c u s s e di nd e t a i l c o u p l es o l v e ro fm u l t i m a t e r i a li s c o n s t r u c t e da n di t s i m p l e m e n ti sa l s og i v e n 。 a nn se q u a t i o ns o l v e rb a s e do nu n s t r u c t u r e dg r i d si sd e v e l o p e d t h es o l v e r i sv a l i d a t e di nan u m b e ro fc l a s s i c a lf l o wp r o b l e m sa n dt h er e s u l t sa g r e ew e l lw i t h o t h e re x p e r i m e n t a ld a t ai nl i t e r a t u r e c o m p a r i s o n o fp r e s e n ts o l v e rw i t h c o m m e r c i a ls o f t w a r ef l u e n ts h o w st h a tt h ed e v e l o p e ds o l v e rw o r k sw e l l t w o 。f l u i dm e t h o do fg a s 1 i q u i dt w op h a s ef l o w si sd i s c u s s e di nd e t a i l ， i n c l u d i n gt u r b u l e n te n c l o s u r em o d e l ，i n t e r f a c i a l f o r c em o d e la n dp h a s ec h a n g e m o d e l m e a n w h i l et h ea x i s y m m e t r i cm o d e lh a sb e e ni m p l e m e n t e di n t ot h es o l v e r 基于非结构化网格气波两相漉数值方法及并行计算研究与软件开发 a n du s e dt os a v er e s o u r c e sa n de n h a n c et h ep e r f o r m a n c ef o ra x i s y m m e t r i cf l o w s i no r d e rt os i m u l a t ed e t a i l e d l a r g e s c a l ei n d u s t r i a l p r o b l e m s ，t h ep a r a l l e l c o m p u t i n gm e t h o db a s e do nm p ih a sb e e nd e v e l o p e da n di d e a ls p e e d u p i s a c h i e v e d k e y w o r d s ：b o i l i n gh e a tt r a n s f e r ；t w of l u i dm o d e l ；u n s t r u c t u r e dg r i d ；c f d ； p a r a l l e lc o m p u t i n g ； 基于非结构化网格气液两相流数值方法及并行计算研究与软件开发 主要符号表 气泡运动速度，m s 重力加速度的幅值，单位为m s 2 气泡半径，m 压力，p a 密度，k g m 3 时间，s 湍流粘性系数，p a s 表面张力系数，n m 阻力系数 升力系数 虚拟质量系数 界面压力系数 雷诺数 爱特弗斯数 普朗特数 传递热量，j 热流密度，j m 2 波长，m 应力张量分量，p a ：时间，s 通用求解变量 单元体积，m 3 ( 三维) m 2 ( - - 维) 单元表面积，m 2 ( 三维) m ( - - 维) 广义扩散系数 界面两侧单元中心位置矢量 计算区域内点到参考点的位置矢量 速度矢量，m s 材 g ， p户，q盯q胎肋办q g 名 f 矽矿s r 口 ，u 哈尔滨工狂大学博士学位论文 速度矢量法向分量，m s 速度矢量切向分量，m s 体积力矢量，m $ 2 威力张量，p a 单位张量 比焓，j k g 导热系数，w ( m - 确；湍流动能，m 2 s 2 定压比热容，j ( k g k ) 界面的外法向单位矢量 界面流量，蜒态 单元中心变量 边界变量 壁面变量 单元界面上变量 致虬；务r童厅露g撑厂 礴f蚤w 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 圭旦。 作者( 签字) ： 彤7 争 日期：加弋年，明知日 筻l 章绪论 。 课题研究营景 第 誊绪论辩 犟三趸了瑟 关于多捆流动，w a l i i s ( 1 9 6 9 ) 誓绘出麴下描述：a p h a s ei ss i m p l yo n eo f t h es t a t e so fm a t t e ra n dc a r lb ee i t h e rag a s ，al i q u i do ras o l i d 。m u l t i p h a s e f l o wi s t h es i m u l t a n e o u sf l o wo fs e v e r a lp h a s e s 。t w o - p h a s ef l o wi st h es i m p l e s tc a s eo f m u l t i p h a s ef l o w ”i t l 多稽流校据不同组合，可以分为气液两裰流、气露两程 流、固液两相流、液液两相流、气液阉三相流等。其中，气液两相流是最常 见的一种多榴流动现象。在气液两褶流孛又存在着许多不同的流动形式，泡 状流是其中最基本、最重要的种流动结构。 漶获流也是星常生活煮蜜然暴豹常冤现象和物理鲻题。遗状漉还广泛存 在于能源、动力、核能、石油、化工、制冷、冶金、航天和环境保护等许多 王业领域中。懿核电站、火电站豹气液混合器、气液分离器、热交换装置、 冷凝器、蒸发器蒸馏塔等运行设备中存在着大量的泡状流现象；石油工业中 的石油输送管道中也普遍存在着泡状流。为此国家自然科学基金委员会于 1 9 9 9 年资助了重大项霹描能源动力中多裙流热物理基磷理论与技术研究 ， 由麟安交通大学林寨虎院士主持，西安交通大学、清华大学、中国科学院工 程热物理研究所、浙江大学、东南大学共5 家单位共圈系握，取得大量研究 成果【2 1 。提出了自然循环过冷沸腾净蒸汽产生点、过冷沸腾空泡率和两相流 动不稳定性计算摸型秘计算方法，针对多维汽液两裰波发展了漂移流数学模 型。西安交通大学黎颐年对漫蒸汽两相流动进行大量的研究，也是国内开展 这方瑟研究较旱酌学者之一p 叫。 作为核动力装嚣中一、二回路之间的连接枢纽，蒸汽发生器，是核电站 的关键设备，也是核动力装鬣运行中发生故障最多的设备之一。蒸发器内传 热管对傈障核电厂安全运行极为重要。根据2 0 世纪7 0 年代蔽来整界压水堆 运行调查报告，每年蒸汽发生器发生传热管破裂事故约占被调逝装置总数的 4 0 左右，霞际上发生蒸汽发生器簧热管破损的反应堆，占基运行反应壤总数 哈尔滨工程大学博士学位论文 3 0 - - - 5 0 。实验和理论分析结果表明：发生在传热管二次侧两相流动的热 工水力特性是传热管破损的重要原因之一。引起蒸汽发生器传热管破裂的干 湿交替、膜态沸猎失稳等现象属于汽液两相流动、传热菲稳态闻题，因此研 究蒸汽发生器的可靠性与安全性，必须对蒸汽发生器内二次回路传热管束间 能两相流沸腾传热秘流动特性进行深入的研究。焉嚣麓对蒸发器内麓两辐流 动传热计算都采用经验公式【5 _ 9 】，这些经验公式对管内外流体流动考虑不够， 而且无法考虑传热的非稳态效应。近年来有些研究者开始研究流动对管募传 热性能的影响，采用三维模型求解n - s 方程，但研究仍然局限在稳态研究i l 圳。 在内燃机、燃气轮机等动力机械中存在大量的铸造零件，铸件的生产过 程中常用淬火来消除内部应力和改善金属的结构_ 以满足需要，沸腾传热过程 对淬火效果具有重要地影响。在近年来成本较低的铝合金在飞机与汽车制造 业占的比重越来越多，有大量取代那些成本较高或者较重的金属材料趋势。 这主要是因为铝合金具有较好的机械性能和较高强度重量比值，因此可以降 低发动机的总体质量从面提高效率。铝合金专才料和其它金属誊孝料一样，机械 性能除了与材料成分有关外，主要受热处理过程影响。例如，为了控制气缸 盖冷却速度，铸造成型空冷到一定渥度后进行水淬。淬火过程中，因为几何 结构复杂及温度梯度较大而导致应力分布不均经常产生裂纹，给设计和生产 带来严重后果。金属淬火过程中是两相流动与沸腾传热耦合作用的复杂过程。 化工领域里常用的鼓泡床装置就是依据泡状流的流动特设设计的反应 器。搅拌混合式化工是工业过程中最常见和最重要的单元操作之一，其主要 西的就是加速传质或者传热。因此，两相掺混等流动特性对萁效果具有重要 影响。气液鼓泡塔是气液两相进行质量、动塑和能量传递及化学反应的重要 设备。气液鼓泡塔凌滚动是典型的气液两相流动，丽量存在不瓣的形态，泡 状流是其中很基本和重要的一种流动结构。从化学反应工程设计来看，研究 鼓泡塔内鼹相流动规律和流场结构具有重要意义，因为在动量、热量和质量 的输运过程中起支配作用。大连理工大学王树立对鼓泡塔内的两相流进行数 值模拟与实验研究i l 。天津大学王晓玲对精馏塔板上流体的三维流场及传质 进行了数筐模拟h 引，侯经纬利用计算流体方法研究了塔板上的流体流动并设 计了新型塔，取得了成功l i 引。 自第二次世爨大战以来，船能表西的泡状嚣相流研究吸引了越来越多的 第l 攀绪论 注意。一方面，气泡的出现可以改变重要的设计参数。另外，船舶主轴系附 近的嚣相流动强烈熬影响气泡尾迹流和船貔产生的声摄信号。c a r r i c a 等利耀 双流体模型对u s 。n a v yf r i g a t ef f 1 0 5 2 进行了数值研究f 嘲。 正因为泡状流有着如此广泛的应用，所以对它的研究越来越号| 起人们的 重褫。但毒予沲状流福眈于单相流动存在福阀界霹，备稽运动参量在裰闻赛 面处不连续，且通过相间界面进行质量、动量和能量的传递。尽管经过几十 年的发震，泡状流的研究取得了一定的戚票，徨总体来说还报不成熬，尚处 于发展阶段。 不管是从物理阗题还是数值计算豹焦度来看，多褶流动有葵鑫赛兹复杂 性，因此通用的实用型计算程序设计难度很大。b g m v a nw a c h e m 等认为主 要有以下三个原因； l 、多相流动是个非常复杂的过程，存在不同的多裙流动种类( 如气。固， 气。液，液液等不同组合的多相流) ，霄时还同时存在，而且在同一多相流动 中还可麓存在不同鹩流动季霆制。 2 、两相流动中出现的现象( 界面力，合并，破碎，阻力等) 的复杂物理 翘律帮数学处理方法都有祷发展。到逡煎秀止，学寒界关于多褶流动豹控制 方程仍未达成一致观点。另外，提出的各种本构模型一般为经验关系，而且 缺少实验验谖它们豹适臻蕊慰。 3 、求解多相流动控制方程和封闭模型本身极为复杂。通常情况下，多相 流动出现振荡现象，嚣要使用计算昂贵的毒# 定常求解算法。 i ，2 国内外研究现状 卜2 1 气液两相泡状流动 2 e 世纪中麓，两稽流概念的提出使得气液薅裙流动能够和单相液体流动 区分开来，并用两相流观点对其进行深入的系统研究 1 6 - t 8 。 ( ) 蕈气泡动走学 对于泡状流的研究，首先要从单个气泡的动力学研究入手。因为泡状流 是囊大量气泡在液落中摆对运动彩残的，所越整个泡状流翁运动特性是单气 嗡尔滨工程大学博士学位论文 泡运动特性的“整体”表现。 对于小气泡，其变形较小与球形接近，并保持直线上丹遴动。对予大气 泡，当气逡尺寸达至一定程度时，气沲就会明显发生髟变，呈椭球形、舞影， 严重时呈碟形。变形后的气泡很容易失去对称性，使得其在液体中的相对运 动路径不稳定，编离垂直方蠢，徽螺旋型或“之”字形上爵运动。d ev r i e s 酋次利用实验方法详细研究了上升气泡的运动，并且首先发现了气泡在上升 过程中呈现之字形或者螺旋鞔迹主要原墨为气泡后的建滚f 1 9 】。气泡在静止滚 体中经过一段时闻的相对上升运动后会达到稳定状态，以恒定的速度自由上 升，这个速度就是气泡的终极速度。气泡在大空间静止液体中的运动与其垂 越方向的受力( 主要是阻力) 有关，文献 2 铡对球形颗粒的隰力进行了总结 并对球形颗粒的终极速度遴行了研究；d v a i e s 和t a y l o r 给出了计算较大气泡 上舞速度掰髂公式瑟j ： 封幂詈( 扩) ( i - i ) g 重力加速度，为气泡半径。 r a y l e i g h 最早在1 9 1 7 年给出了不可压缩流体气泡运动方程( r a y l e i g h 方 程) 2 2 l ： 掣= 芬+ 兰( 砉) 2 m 2 ， p f 鑫l 三磊l 该方程给出了气泡周围水体内压强的瞬态分布以及气泡半径随时间的变化情 况。在气泡直径禳小静情况下，r a y l e i g h 方程计算结果不莲怒，穰多学者从 气泡动力学角度进行分析，并对其遴动方程进行了改进，其中蠼著名的就是 p l e s s e t ， 也在r a y l e i g h 方程中增加了粘性黎表蚕张力顼，得到了著名豹 r a y l e i g h ，p l e s s e t 方程【2 3 l ： 百d 2 r 十三f ，生1 2 + 一4 v , 一d r + 一2 0 ( 1 - 3 )一每一l l 一一4 一 硪2 2kd tj rd t 1 p ，r 该方程得到了广泛的应用，也是目前工程使用最多的空泡模型。 气泡运动数值模拟方法| 嚣开究，露前主要有以下凡辩方法，如罄l 。 凄示 【2 4 1 a 赛瑟拟合方法，主要是透过系辫霹格暴蕾来拟合运动界爱，可以认为 4 第l 章绪论 是一种l a g r a n g i a n 网格方法。 赛蚕捕捉方法，主要利瑙标识丞数来表示鑫童运动界蘑两绷不同的流体， 网格固定，因此可以认为是e u l e r 网格方法。界面捕捉方法相对比较简单， 因魏皇由界蘧可当作内部网格葱处理，而且光需重新生成网格，界面捕捉方 法具有根多的不同形式。可以模攒任意鲁由雾面运动的m a c ( m a r k a n dc e l l ) 方法，h i r t 和n i h c o l s l 提出v o f ( v o l u m eo f f l u i d ) 方法f 2 5 】，l s ( l e v e ls e t ) 方法。 界面追踪方法，它是采用一系列节点显示的表示和追踪自由运动界面， 计算瓣罄仍然采霜露定露格，此方法可以认黄是一种e u l e r - l a g r a n g i a n 混合方 法。t r y g g v a s o n 教授和他领导的团队在界面追踪方法研究上作出了重要贡献， 缝簦j 利熏戴方法对气泡动力学进行了深入研究2 嗣。 a 界瑟拟合方法b 葬瑟捕捉方法e 界嚣追踪方法 图1 1 自由界面运动模拟方法 f i g 1 。ls i m u l a t i o nm o d e l f o rf r e es u r f a c ef l o w 气液两糖流模型 前面主要对单气泡动力学研究进展作了介绍，单气泡动力学研究有利于 对气泡运动觏律谈识，也是进行实际过程中气沲运动规律研究的基础。气液 两相流数值研究方法主要有欧拉一欧摭方法和欧拉一拉格朗日方法两大类，两 释方法都有各蜜嚣优缺点【2 嚣。建立合理、准确静模型来描述气液嚣摆流的运 动是气液两相流理论研究的最终目标。不同模型，其适用范围不同，对两相 流籀述的准确程度也不羼，所以模型是否合理是理论研究的关键。 ( 3 ) 建模方法 5 哈尔滨工程大学博士学位论文 由于泡状流并不存在解析解，为了提高其求解精度，就必须增加模型的 复杂程度。常用的欧拉一欧控泡状流数理模型从简单到复杂有均相模型、分相 模型漂移模型和双流体模型等。 ( 4 ) 两相流平均方法 冒前有大量的文献利用双流体模型对泡状流进行了理论研究【2 爱。1 。砍流 体模型的建立通常是对气液两相分别写出质量、动量和能量守恒方程，并通 过冕面闻的相互作用( 质量、动量和能量交换) 将两缝方程藕合起来。对圭 气液两相局部、瞬时守恒方程建立的微观模型还要进行平均处理，最终得到 平均后的宏观意义上的双流体模型。平均处理的方法有时间平均【3 t l 、空间平 均f 3 2 】、时间加空闯平均f 3 3 】、系综平均【3 4 鄂、单元系综平均【3 6 等。 ( 5 ) 双流体模型的封闭 双流体模型壶于经过了平均处理，所以丢失了原方程中的瞬时特征信患。 这使得双流体模型中未知量的个数远远多于方程的个数，导致双流体模型无 法求解。为了使双流体模型封闭，得以求解，就需要补充羞于的本构关系式。 其中最主要的两项就是液相雷诺应力和相间作用力封闭模型。 近几十年闻，对泡状流动的湍流研究表明：离散的气泡极大地改变了连 续液相湍流。气泡引起的湍流脉动提高了液相湍流的总体脉动水平，改变了 湍流的产生、分布以及耗散的机制。在均相流动或者几个自由气泡流动( 射 流、混合层以及尾流) 中，与相应的单相流动相比，气泡强化了液相湍流脉 动【3 7 1 。在剪切和边界层流动中，气泡降低了湍流剪切应力和湍流强度3 73 8 棚】。 1 9 9 2 年l o p e zd eb e r t o d a n o 将代数应力模型发展到两相流动，髑它模拟了液 相湍流效应 4 0 】。在假设剪切和气泡引起的湍流可以线性叠加的基础上，推导 出了湍流尺度方程，总的液相涡耗散通过增加s a t o 等撬出战气泡辱| 起涡扩教 模型进行修正，计算结果与竖直管内实验数据吻合较好【4 。耗敝率通过增加 一下产生项乘以特征频率来平衡，特征频率豳湍流耗散率和气泡直径决定。 2 0 0 1 年y r o s h k o 和h a s s a n 利用扩展至0 两相流动的标准k s 模型模拟液相湍 流，通过界面作用考虑气泡引起的伪湍流并在商业软件c f x 4 2 的上实现了 算法，模拟结采较好【4 2 1 。 正确描述相间作用力是双流体模型的另外一个重要方面，到目前为止， 相闻 乍蔫力模型研究仍然是一个篷得继续深入研究的阀题。嚣楣闯作用力中 6 第 霉绪论 最为重要的就是相阀阻力，冀研究也是最为完善的【2 0 t4 3 4 引。 攮离力静律震对气遵分布有重要影响，l u o 黠垂蛊藩管内球澎轻颗粒进 行了实验研究，发现相同直径球形轻颗粒的体积分数峰值更靠近管壁，这表 明颡粒足寸魄较大黠，其所受鹣爵力比等壹径的气泡要大嗣。t o m i y a m a 剩 用实验方法研究了线性赞切场中气泡运动规律，实验表明：气泡变形对气沲 舞力熬影响很大，它不仅改变舞力豹大小，还会改变升力酶方翔，出现受的 弁力【辅。文献 4 8 j 对莛塞圆管虑的尚上涟状流进行了实验研究，实验绣果表 明：在垂直上升的管瀛孛，小气泡会影裁马鞍彤( w a l l ，p e a k ) 空泡率分布； 大气遗会形成擞魏线形( c o r e - p e a k ) 空泡率分布。这是因麓小气沲变形小， 所受升力较大，会在壁面附避稳定下来，从丽形成马鞍形空泡率分布：丽大 气沲变形大，所受爵力小葚至为受毽，新熬会在篱孛心稳定下来，从丽影成 抛物线形空泡率分布。遗憾的是，至今仍然没有可靠的关系式来表述气泡升 力憨上述性矮。显然t o m i y a m a 给出黪气泡舞力关系式岔宥气逡变澎豹影响， 僵帮忽略了液稽速度梯度的影响湖。 露时，气泡的横岛运动透要受至# 壁蔬的影噙。c h e r u k a t 发现在垂直缓管 内鹣静止液体串，从管壁处放入个密度太子液体魄球形颡粒，该颡粒在徽 下降运动的同时还会向警中心移动 4 9 1 。a n t a l 将这种壁西对颗粒的排斥作用 剃徽壁酉力( w a i lf o r c e ) ，并推导了璧西力斡关系筑p 霹。t o m i y a m a 耋薪对壁 面力关系式进行了修改，并绘出了气泡的壁面力系数表达式【5 i 。 对于单个气滢，它的形状会辍着气泡尺寸、连续籀瀛缓瑷及耪性参数熬 改变而变，这样就会影响相间作用力。通常会采用一些无量纲数来考虑这些 医囊躺影嫡，懿雷谨数( r e ，爱特弗斯数( e o ) 以及蒙将数( m ) 。近年 来，t o m i y a m a 等在大量实验数据的基础上给出了一组阻力、舞力和虚熬质量 力封闭模型l 珏j 。 、 然一8兰坚塑一e)12(i-4)3e z 3 e o + 1 6 ( 1 - e 2 ) e 4 3 。蛰然一一p lj 其中，= 丽矗莉。| 专啦。l 务j 奎辩”。 7 晗尔滨工程大学博士学位论文 ，( 露) = 坚雩堕 卜p 8 t a n h ( 0 1 2 i r e ) ，厂( ) 泡状流毅流体模型的解法 泡状流双流体模型由于没有解析解，所以需要通过数值的方法来求解。 许多基峰通过对双流体控剁方程作了简化后，给出了准层流粘性液体两相流动 遥似分析解，与实验结果定性吻合，但是其实雳范围受到限制骖弱。先了扩大 泡状流动双流体模型应用范围，数值求解成为一种研究方向。双流体模型常 餍的数僮求解方法有有限差分、有限元、有限体积等方法。 1 2 ，2 沸腾传热磷究 gh e t s r o n i 等认为固体壁面与液体之间周期性地接触进行传热，在单个 周期疼将壁垂上瀚流传热q 分老层流传热与漩流葬发倦热两部分垮引。 o 端q l + q 珐为层流传递热量，皱为猝发湍流传递热量。剩用热膜红外技术研究了加热 金属表面的温度分布与流动结构之间的关系。对于革相流动，加热固体表面 有层状结构，而泡状流破坏了这种，其结果就是极大的提高了金属表面传热 豢l 耄绪论 系数，同时大大降低了金属表面温度脉动。 j w s t e v e n s 和l c 。w i 技e 利用实验方法对圆球表面的膜态沸腾的不稳定性 进行了研究，金属球在蒸馏水中以恒定速度运动，金属球表面温度范围 2 6 0 0 c - 5 3 8 0 c ，水的过冷度为2 4 0 c - - 一7 7 0 c ，所有实验在大气压下进行f 5 5 】。实 验过程中，观察到两种不同的沸腾模式过渡机制：1 ) 圆球表面的蒸汽膜突然 破裂，完成时间大约0 2 5 m s ，随后进入脉动沸腾状态；2 ) 圆球表面出现些 不规则的小气泡豹长大和破灭，这种扰动弓| 超蒸汽膜的不稳定丽进入脉动沸 腾状态，这种过渡方式有一个发展过程，大约5 0 - l o o m s 。 c h a n g 等嘲首先认识到需要研究t a y l o r 波动不稳定性对膜态沸腾规律的 重要性，在此基础上z u b e r 等首先利提出预测无限大水平平板加热面上临界 热流方法1 5 7 l 。 挚= p h 喹 g 甜言利 ，a = 0 。0 9 j h l i e n h a r d 在此基础上进一步完善了水平平板计算方法，给出了系数a 的可取值0 0 7 8 、0 0 9 1 、0 1 0 4 ，并给掇了金属丝表面稳界热流计算公式： q 豳= 艿夕 ( 2 + 1 ) r b 的取僮0 。0 5 1 、0 。0 6 、0 。0 6 8 ，震镏、? 形g 尹厂一纬，为r 为最大气泡 半径。 对于过渡沸腾阶段的沸辫传热机制是研究最不透耢的部分，传统认为加 热面的热流密度是加热表面过热度的单一函数，即对于同一加热表面在相同 的条件下应具有相同的热流密度。大量实验数据显示，在沸腾过程中存在两 条媳型不同的曲线，它们因系统环境不同而具有不同的变化方式。 l 。c 。w i t t e 等人的研究表甓：在过渡沸腾阶段存在两条不同的曲线i s 9 1 。如 图1 。2 ，对于加热过程和冷却过程来说，过度沸腾阶段的曲线并不重合。 9 哈尔滨工程大学博士学位论文 b o i l i n g 图1 2 两条沸腾曲线 f i g 。1 2t w ok i n do fb o i l i n gc u r v e 由于过渡沸腾过程的复杂性，至今对于这部分理论依然不是很清晰。大 家所公认的是：在液圊接触的瞬间，大部分的能量从固体传递给淬火剂。台 湾清华大学c h i np a n 等将过渡沸腾分成非稳态导热、沸腾开始、厚层蒸发和 汽膜沸腾传热四个阶段进行了逐一分析得出了过渡沸腾传热计算方法【6 0 i 。 根据一维非稳态导热，c h i np a n 推导出了液固接触面上温度表达式： 瓦t = 霉+ 百桶 岛( 1 专龟) 缸器黼h 甜娟训 m 9 ， 耕湍淄 “e r f c 啭l 一 1急l ( 1 + 岛) ( 1 + 乞) j弋。吖， 岛= 獬心獬 下标c ，h ，分别表示镀层，金属以及液体的物性参数。导热系数= 毫+ 毫， 岛，也分别为层流和湍流导热系数，因此可以求出非稳态接触时的热流量。 l o 第 攀绪论 置i i i l l l i l l ll 鼍薯i 置置i 罩掌薯高薯宣宣 而流体流动区域是宏观的决定性过程。近年来有学者将微观的统计方法与宏 观豹c f d 方法摆结含进行了池沸腾数值计算研究，絮j i n gy a n g 和l i e j i ng u o 等幂| 用元胞自动机模型来描述金属表面的汽化与外围的流体的c f d 方法相 结合研究了池沸腾，结果与物理过程基本吻合【6 l j 。 1 2 3 非结构化网格技术 精于一个具体的闯遂，计算流体力学首要解决的是计算网格盼生成。计 算网格有结构化网格和非结构化网格。对于结构化网格，由于其结构规则， 对复杂并形酌物体在整个流场内生成单一静结构化霹格是览较困难。因蜀， 利用非结构化网格处理复杂外形物体的绕流问题得到广泛认可。非结构化网 格麓生成主要有驻下方法： ( 1 ) d e i a u n a y 方法【1 首先在计算流场中预布置阕格点，在裂用圆内准则生成网格单元。圜内 准贝| j 就是某个单元的外接圆或者外接球内不包含其它的网格点，这僳证了黼 格点之间连接的唯一性，满足最大最小角的性质。该方法生成非结构化网格 效率蒿且过程稳定，在工程设计中得到广泛静应用。 ( 2 ) 阵面推进法1 6 驯 阵面推进法是网格秘节点同时生成鹩网捂生成方法。该方法主要有几个 步骤：a 背景网格的生成；b 初始阵面的生成；c 阵面向前推进而生成网格。 ( 3 ) 叉褥法l 嘲 叉树滋就是网格单元根据定准则分裂为几个小单元，如同个树干分 出些小秘枝。该方法的关键是选择合适静数据结构。 各种方法都有各蜜的特点，产生的网格质量也不尽相同。结合各自的优 点两生成混会网格已受到人们的重视。如何在混合网格上求解流体力学控制 方程是基于毒# 结构纯网格求解器必须解决酶阏题之一。基于毒荽结捣纯丽格数 值求解方法国外发展比较成熟，发展很多商业软件。国内关于非结构化网格 生成技术研究以及求解器酶开发也毙较多，但大部分为基于密度酶高速流求 解器【6 5 研l ，对基于压力的非结构化网格求解器国内也有些单位展开研究， 取得了一些研究戒果，翔嚣安交逶大学陶文铨院士带领懿课题组在姥领域徽 哈尔滨工程大学博士学位论文 出了突出贡献，但仍需要进一步的发展f 6 s l 。 1 ，2 + 40 f d 软件发震溉况 旱在1 9 3 3 年，英国科学家t h o m 应用手摇计算机完成了对一个外掠圆柱绕 流计算p l ，但应用计算机和数值方法求解流动及传热问题在全世界范圈内逐 渐形成规模而且得出有益的结果，大致始于6 0 年代。流动与传热问题控制方 程已发展髓数值求解方法霄：有限差分法、有限体积法、有限元法、边暴元 法、有限分析法、谱方法、格子玻尔兹曼方法以及面元法等，这些方法各具 特点，适用范围和性价比差别极大。随着计算机工业的发展，c f d 行业也迅 速发展，1 9 8 1 年英国c h a m 公司将p h o e n i c s 软件推向市场，开始了c f d 商 业软件的先河，相继出现其它的著名商业软件，如f l u e n t ，s t a r - c d ，c f x ， n u m e c a ，f i r e s w i f t 等。随后c f d 也发展成为与理论与实验流体力学研 究并驾齐驱的第三大工具。c f d 迅速发展并成为工程实用工具主要得益一些 重要的核心技术发展：多重弱格加速技术，它加快了线性方程组求解速度 提高处理大规模问题的能力；具有高分辨率有界离散格式提高了计算精度； 菲结构化网格技术，它简化了复杂几何结构的处理；更好的压力速度耦 合算法，提高了计算收敛性；多处理器系统并行计算技术也极大地促进了 c f d 应用 7 0 1 。这些实用技术使得c f d 具有极大吸引力，并成为- - 幂e e 2 1 2 程设计 的常用工具，但是这些技术仍然有待进一步的发展。同时，c f d 发展还有一 个重要的发展方向就是将这些先进的技术从单相流动发展到多相流动的数值 模拟。多相流动数值模拟主要困难在于数值解法更加复杂，需要考虑多相藕 合的质量、动量以及能量方程。 国内学者与研究祝构也开展大量的流体流动与传熟数值诗算的研究，取 得了大量的研究成果，但是由于各种原因，囡内对通用c f d 计算程序或者商 用软件发展较为落詹，到冒麓为止，还没有广泛推广使用的c f d 软件。国内 c f d 开发研究大部分是基于密度求解方法，而基于压力求解方法发展相对较 少。 i 2 5 并行计算 1 2 第1 章绪论 单机性能的提离使得计算流体力学得到迅速推广，成为一般工业过程基 本设计分拼工其。毽入鬟一童难激解决以下闻题：流动瓿理的细致研究方蘑 的问题 7 1 - 7 3 l ，工业应用大规模设计计算问题【7 4 稍l 。尽管可以优化提高串行算 法计算效率，塑由于计算量级快速增加和元器件本身限制，使缛创建和使用 并行计算成为唯一解决方法。在国际上软件技术先进的国家，计算流体力学 领域并行算法研究开展较早，而国内发展较晚t 州。并行计算机随着微处理芯 片的发展，已经进入了一个薪时代。鼹前并行计算视性能已经接近 1 0 0 t f l o p s ，1 0 0 0 t f l o p s 的并行计算机正在规划之中。我国并行计算机的 研制已经走在世赛翦捌，正在研麓生产t 0 0 t f l o p s 兹甄型诗算枧系统。2 0 0 3 年由联想公司生产的深腾6 8 0 0 在2 0 0 3 年l1 月世界t o p 5 0 0 排名中位列第1 4 名， 2 0 0 4 年疆光公司生产的蟹光4 0 0 0 a 在2 0 瓣年6 爿的世界t o p 5 0 0 摊毫中位列第 l o 名，这是我国公开发布的高性能计算机在世界t o p 5 0 0 中首次进入前十名， 这标志着我国在并行计算枫系统的研制和生产中已经赶上了国际先进水平， 为提高我国的科学研究水平奠定了物横基础。舆有性价比高、可扩展性强、 易获得等优势，近年来集群技术发展十分迅猛，在最避计算机界的t o p 5 0 0 评选中，计算机集群系统所占眈德越来越大，成为并行处理鹩主流f 雒。对手 c f d 应用，负载平衡问题主要是网格分割和网格映射到各处理器，使得各处 理器之阉的计算量平衡帮透信量最少。在诧豢导思想下，发震了穰多区域分 割方法，包括简单的遗传算法、强有效的混合遗传算法，文献 7 8 】对各种算 法进行了详细讨论。周誊华在p o t h e n 提箍的递归对分谱方法豹基戳绘出了一 种c f d 非结构化网格并行划分的方法。文献 8 0 】对迭代方法的并行性能进 行了缨致分橇，但主要对k r y l o v 子空闻方法的论述，来提及多重网格技术的 并行方法，文献哆l 】对多重网格并彳亍方法迸彳亍了研究。集群式并行计算主要 将任务分解为子任务，子任务可以并行执行。中间通过信息交换，完成通信 工作。秘震先进酶p c 集群寒满足尽益增长的c f d 计算麓力需求是群发震趋 势。陈军等给出t c f d 并行应用程序的可扩展性的三个评价参数【8 引。在并行 c f d 方嚣，发展高效率蘸并行计算方法是主要的努力方两。同时物理分区的 并行计算属非通信密集型，因此基于定制集群计算机和工作站p c 联网计算将 迅速得到接广，可以预测在未来凡年中，藿蠹将在航空、航天、汽车、船舷 行业中完成该类并行计算的普及。 哈尔滨工程大学搏士学位论文 “| _ 3 本文研究的目的和意义 气液掰相流动的数值模拟方法研究是当前国际多相流动磊开究的前沿课题 之一，两相流动机制和运动规律复杂，两相流动数值求解本身也很复杂，有 时会出现数值振荡难以收敛，计算量极大。鼠前对高楣变沸腾传热过程进孳亍 数值研究还很少，几乎没有考虑固体金属与沸腾传热耦合计算方法研究。开 展气液两相流动数值模拟方法研究，尤其是固体金属与沸腾传热耦合计算方 法研究具有重要的学术意义和工程价值。开展菲结构化网格研究对于工程闻 题中复杂边界十分必要，多重网格方法和并行计算技术研究对加速多相流动 数值模拟意义重大。 开发具有独立知识产权的气液两相流动数值仿真软件是十分必要的，没 有源代码缀难实现与其它仿真模块的相互调簇、交互和优化仿真。理论秘实 验研究取得的成果，新的研究方法或者模型以及特殊的理念难以添加到数值 计算中，丽是依赖于国外商业软件水乎。具有自主知识产权的气渡两楣流动 数值仿真软件是实现超越和领先技术能力的必备条件。 本文研究的主要目的：研究基于非结构化网格的单相、气液两相流动数 值求解方法，并开发通用的大型数值计算平台，为工业没汁过程中气液两褶 流动丁f 发理论分析工具。 1 。4 本文的主要研究内容 本文主要研究内容如下： l 、为了解决工程问题中复杂边界条件，拟采用任意非结构化网格用有限 体积法，开发三维两相流动的双流体方法计算程序，并且在程序结构设计中 要考虑以后方便的扩展到多相( 三相以上) 流动。与单相流动相比，多相流 动更为复杂，拟将s i m p l e 系列算法扩展到多相流动，解决了多相流动速度 与压力的耦合。另外采用p e a ( p a r t i a le l i m i n a t i o na l g o r i t h m ) 隐式处理相间 相互作用和高精度格式处理强体积力，提高收敛速度。 2