一种优化液-固水力旋流器分离性能的数值仿真方法

本发明涉及计算机数据处理技术领域，具体而言，涉及一种优化液-固水力旋流器分离性能的数值仿真方法。

背景技术：

水力旋流器是工业生产中常用的两相分离设备，具有结构简单、操作方便、生产能力大、分离效率高、占地面积小等诸多优点，其基本工作原理是基于离心沉降作用。当待分离的两相混合液以一定压力从水力旋流器入口进入器内后，将产生强烈的旋转运动，由于轻相和重相存在密度差，所受的离心力、向心浮力和流体拽力的大小不同，受离心沉降作用，大部分重相经旋流器底流口排出，大部分轻相从溢流口排出。

目前，对水力旋流器的优化研究更多是针对具体的工程应用问题，通过单因素试验方法定量分析各因素对水力旋流器性能的影响，进而实现水力旋流器关键参数的选取。

然而该方法需要进行大量实验，其成本巨大且效率低下。

技术实现要素：

基于此，为了解决现有通过单因素试验方法定量分析各因素对水力旋流器性能的影响而存在的成本巨大且效率低下的问题，本发明提供了一种优化液-固水力旋流器分离性能的数值仿真方法，其具体技术方案如下：

一种优化液-固水力旋流器分离性能的数值仿真方法，包括以下步骤：

确定所述液-固水力旋流器的几何参数；

确定所述液-固水力旋流器的物性参数以及操作参数；

根据所述几何参数、所述物性参数以及所述操作参数构建液-固水力旋流器三维模型；

对所述液-固水力旋流器三维模型进行网格划分处理并将划分处理所得网格导入cfd软件；

确定气-液两相流的流动特性以及空气柱特性；

确定固相流动特性；

通过所述cfd软件进行所述液-固水力旋流器三维模型的数值模拟仿真。

所述优化液-固水力旋流器分离性能的数值仿真方法先根据所述几何参数、所述物性参数以及所述操作参数构建液-固水力旋流器三维模型，然后确定气-液两相流的流动特性、空气柱特性以及固相流动特性，最后通过所述cfd软件进行所述液-固水力旋流器三维模型的数值模拟仿真以获取模拟数据，可以很好解决现有通过单因素试验方法定量分析各因素对水力旋流器性能的影响而存在的成本巨大且效率低下的问题，其可对水力旋流器分离性能的优化工作提供参考依据，进而简单、经济、高效地实现液-固水力旋流器分离性能的提升。

进一步地，所述对所述液-固水力旋流器三维模型进行网格划分处理并将划分处理所得网格导入cfd软件的具体方法包括如下步骤：

对所述液-固水力旋流器三维模型的进口以及圆柱段上部分进行网格划分，并将划分所得网格记为a；

对所述液-固水力旋流器三维模型的圆柱段下部分及锥段进行网格划分，并将划分所得网格记为b；

组合a以及b，获取所述液-固水力旋流器三维模型的整体网格；

将所述整体网格导入cfd软件。

进一步地，所述cfd软件为fluent软件。

进一步地，所述几何参数包括进料管直径di、圆柱段直径dc、圆柱段长度dh、锥段上直径d1、锥段下直径d2、锥角θ、溢流管直径d3、溢流管长度h2、底流管直径d4、底流管长度h以及入口宽度b。

进一步地，所述圆柱段长度dh＝1.18dc，所述进料管直径di＝0.15dc，所述入口长宽比l/b＝0.39，所述溢流管直径d3＝0.20dc-0.30dc，所述底流管直径d4＝0.25dc-0.75dc，所述锥角θ＝10°-25°。

进一步地，所述物性参数包括进口流速v、颗粒粒径c、进口密度差异ρ以及颗粒浓度cv。

进一步地，所述操作参数包括入口速度v1以及回流比s。

进一步地，在通过所述cfd软件进行所述液-固水力旋流器三维模型的数值模拟仿真后，确定所述液-固水力旋流器三维模型的分离效率。

进一步地，所述分离效率其中，umfr为低流质量流量，imfr为进口质量流量。

进一步地，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机，当所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述的优化液-固水力旋流器分离性能的数值仿真方法。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。

图1是本发明一实施例中一种优化液-固水力旋流器分离性能的数值仿真方法的整体流程示意图；

图2是本发明一实施例中一种优化液-固水力旋流器分离性能的数值仿真方法的液-固水力旋流器三维模型的进口以及圆柱段上部分的网格示意图；

图3是本发明一实施例中一种优化液-固水力旋流器分离性能的数值仿真方法的液-固水力旋流器三维模型的圆柱段下部分以及锥段的网格示意图；

图4是本发明一实施例中一种优化液-固水力旋流器分离性能的数值仿真方法的液-固水力旋流器三维模型的整体网格示意图；

图5是本发明一实施例中一种优化液-固水力旋流器分离性能的数值仿真方法的液-固水力旋流器三维模型的分离效率曲线图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

如图1所示，本发明一实施例中的一种优化液-固水力旋流器分离性能的数值仿真方法，包括以下步骤：

确定所述液-固水力旋流器的几何参数；

确定所述液-固水力旋流器的物性参数以及操作参数；

根据所述几何参数、所述物性参数以及所述操作参数构建液-固水力旋流器三维模型；

对所述液-固水力旋流器三维模型进行网格划分处理并将划分处理所得网格导入cfd软件；

确定气-液两相流的流动特性以及空气柱特性；

确定固相流动特性；

通过所述cfd软件进行所述液-固水力旋流器三维模型的数值模拟仿真。

所述优化液-固水力旋流器分离性能的数值仿真方法先根据所述几何参数、所述物性参数以及所述操作参数构建液-固水力旋流器三维模型，然后确定气-液两相流的流动特性、空气柱特性以及固相流动特性，最后通过所述cfd(computationalfluiddynamics，计算流体动力学)软件进行所述液-固水力旋流器三维模型的数值模拟仿真以获取模拟数据，可以很好解决现有通过单因素试验方法定量分析各因素对水力旋流器性能的影响而存在的成本巨大且效率低下的问题，其可对水力旋流器分离性能的优化工作提供参考依据，进而简单、经济、高效地实现液-固水力旋流器分离性能的提升。

具体而言，利用3d绘图软件构建液-固水力旋流器三维模型，所述3d绘图软件包括但不限于solidworks。利用cfd方法确定气-液两相流的流动特性、空气柱特性以及固相流动特性。在通过所述cfd软件进行所述液-固水力旋流器三维模型的数值模拟仿真后，从cfd软件导出模拟仿真数据，根据模拟仿真数据优化液-固水力旋流器分离性能。

即是说，根据液-固水力旋流器分离性能的目标优化值，调整所述几何参数、所述物性参数以及所述操作参数并构建新的液-固水力旋流器三维模型，然后对新的液-固水力旋流器三维模型进行数值模拟仿真，获取多组模拟仿真数据，不停优化液-固水力旋流器分离性能，直至液-固水力旋流器分离性能满足目标优化值。

在其中一个实施例中，所述对所述液-固水力旋流器三维模型进行网格划分处理并将划分处理所得网格导入cfd软件的具体方法包括如下步骤：

如图2所示，对所述液-固水力旋流器三维模型的进口以及圆柱段上部分进行网格划分，并将划分所得网格记为a；

如图3所示，对所述液-固水力旋流器三维模型的圆柱段下部分以及锥段进行网格划分，并将划分所得网格记为b；

如图4所示，组合a以及b，获取所述液-固水力旋流器三维模型的整体网格；

将所述整体网格导入cfd软件。

利用网格划分软件分别对所述液-固水力旋流器三维模型的进口和圆柱段上部分以及圆柱段下部分和锥段进行网格划分处理，可以提高网格划分的质量。在这里，所述网格的数量可以根据实际进行调整设定，在此不再赘述。

在其中一个实施例中，所述cfd软件为fluent软件。

在其中一个实施例中，确定气-液两相流的流动特性以及空气柱特性的具体方法包括如下步骤：

第一步，将所述fluent软件的仿真参数设为：压力耦合、隐式、非稳态算法、vof(volumeoffluid，流体体积)方法、气液两相，入口采用速度入口，溢流口和低流口均采用压力出口，压力速度耦合采用simplec算法,离散格式采用presto！格式，其他采用二阶迎风格式。

第二步，确定所述液-固水力旋流器三维模型的气-液两相流的压降、切线速度、轴向速度以及径向速度；

在其中一个实施例中，确定固相流动特性的具体方法包括如下步骤：

第一步，将所述fluent软件的仿真参数设为：压力耦合、隐式、非稳态算法、mixture方法、气液固三相，入口采用速度入口、溢流口和低流口均采用压力出口，压力速度耦合采用simplec,离散格式采用presto！格式，其他采用二阶迎风格式。

第二步，确定液-固水力旋流器的气-液-固三相流的压降、切线速度轴向速度以及径向速度。

通过设定所述仿真参数，可以保证数值模拟结果与实际试验结果的一致性，确保数值模拟结果替代实际试验结果的可行性，避免数值模拟结果存在误差而影响优化结果。

在其中一个实施例中，所述几何参数包括进料管直径di、圆柱段直径dc、圆柱段长度dh、锥段上直径d1、锥段下直径d2、锥角θ、溢流管直径d3、溢流管长度h2、底流管直径d4、底流管长度h以及入口宽度b。

在其中一个实施例中，所述圆柱段长度dh＝1.18dc，所述进料管直径di＝0.15dc，所述入口长宽比l/b＝0.39，所述溢流管直径d3＝0.20dc-0.30dc，所述底流管直径d4＝0.25dc-0.75dc，所述锥角θ＝10°-25°。

在其中一个实施例中，所述物性参数包括进口流速v、颗粒粒径c、进口密度差异ρ以及颗粒浓度cv。其中，m1为颗粒质量，m2为液体质量。

在其中一个实施例中，所述操作参数包括入口速度v1以及回流比其中，q1为底流流量，q2为溢流流量。

在其中一个实施例中，在通过所述cfd软件进行所述液-固水力旋流器三维模型的数值模拟仿真后，确定所述液-固水力旋流器三维模型的分离效率，并以颗粒直径为横坐标、分离效率为纵坐标获取所述液-固水力旋流器三维模型的分离效率曲线图，如图5所示。

在其中一个实施例中，所述分离效率其中，umfr为低流质量流量，imfr为进口质量流量。

在其中一个实施例中，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机，当所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述的优化液-固水力旋流器分离性能的数值仿真方法。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。