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携入空气较多的气水两相流数值模拟研究进展
摘要：这篇文章总结分析了高夹带气液两相流的数值模拟研究进展。结果表明，欧拉-欧拉方法最适用于气液两相流。对三种多相流模型（VOF模型，混合模型，欧拉模型）的优点和缺点进行了分析，结果表明，欧拉模型是模拟强湍流空气水两相流最流行的和最准确的，尤其是要考虑连续和离散相的转换时。耦合的欧拉模型和混合湍流模型是模拟水力工程中强气流流场的最佳选择。
关键词：数值模拟；空气水两相流；多相流模型；湍流模型
1．简介
近年来，流体力学理论和计算技术的发展，为进一步研究多相流问题提供了坚实的基础。多相流的数值模拟分为欧拉-拉格朗日方法和欧拉方法。
对于稀疏离散流，欧拉-拉格朗日方法（DPM模型）通常用于数值模拟。将流体相作为连续相，用N-S方程组求解。离散相通过计算大量粒子在流场中的运动进行求解。这种方法的前提条件是作为离散相的第二相的体积分数不可忽略，这个体积分数不应超过15%，否则会出现很大的误差，这大大限制了这种方法的应用和推广。在欧拉-欧拉方法中，不同的相被视为一个连续体，可以相互贯穿。由于一个相的体积不能被其他相占用，故引入相体积分数的概念。相体积分数
假定为空间和时间的连续函数，它们的总体积分数为1。每一相的守恒方程，可以推导出一组方程和所有相，这些方程具有类似的形式。这些方程是由经验公式的某些关系确定的。在欧拉-欧拉方法下有三种类型的多相流模型，即VOF模型、混合模型和欧拉模型。
在本文中，我们只专注于水气两相流的欧拉-欧拉方法的合成和分析。首先，根据它们在空气水两相流中的具体应用，对三种基本模型（VOF模型，混合模型和欧拉模型）的优点和缺点进行介绍。然后对三种模型的研究进展进行了描述，并对模型的选择和应用提出了一些建议，并提出了欧拉方法的应用前景。
2基本多相流模型
A．VOF模型
VOF模型用于固定的欧拉网格自由表面的跟踪技术，它可以提供两种或两种以上互斥的不同流体之间的界面信息。在VOF模型中，流体共用一套动量方程,每种流体所占的体积分数都是通过在每个单元格的主域跟踪。VOF模型的应用包括层流流动，自由表面流动，振动流，液体中大气泡的移动，决堤，表面破碎射流以及稳定或不稳定的空气水两相流之间的表面界面跟踪。
VOF方法定义了一个体积分数代表一相在整个计算区域的体积中占有的相对比例。该功能可以描述自由表面的变化
这里是水的体积分数，在水中等于1在空气中等于0。在空气和水的交界面上，介于0到1之间。每个计算单元格必须满足约束条件 ,这意味着模拟的相流体不能被另外一相贯穿。对于另外一种流体属性的定义是，其中表示密度或粘度系数。
VOF模型的难点是利用的梯度计算自由表面的法向和曲率，因此表面张力的计算是非常重要的。然而，在一般的大尺寸的数值模拟时，几乎不可能计算出小气泡和液滴飞溅的形成过程，所以会忽略表面张力的影响，这使得VOF方法在求解水-空气混合流模拟问题的结果时更加受限制。陈等人和成等人应用雷诺兹应力模型对阶梯式溢流面湍流进行模拟。他们研究了阶梯式的湍流特性，对溢流面进行了详细的分析，比较了流速场、压力场、湍动能和湍动能耗散率分布并与测量结果进行了比较。Ma等人采用标准k-ε湍流模型结合VOF模型模拟液压充气得到的速度场，压力场和水的自由表面结果与实验数据进行比较是令人满意的。然而，VOF方法是基于单相流模型，仿真结果不能准确反映实际的空气水两相流中充气特点以及一些不切实际的空洞会在模拟区域发生，这会增加计算时间，很难达到一个稳定的状态。
B．混合模型
混合模型适用于两相流或多相流（包括流体和颗粒）。相被视为连续的并且在欧拉模型中相与相可以互相贯穿。混合模型应用混合动量方程求解有关滑移速度，描述离散相。混合模型的应用包括低质量载荷的粒子负载流，气泡流，沉降和除尘器。然而，离散相（如气泡和沉积物）的体积分数不能太高，通常小于15%。混合模型的原理类似于VOF模型也是基于单相流模型。混合模型和VOF模型的主要区别有两点。一是混合模型认为相与相是相互贯通的、相体积分数可以取0到1之间的任何值，而VOF模型只能取0或1。另一点是混合模型引入滑移速度的定义，考虑了相之间的相互作用，使得混合模型更能反映相之间的相互作用。这个计算收敛性较好，计算时间比欧拉模型更短，特别是当相之间的相互作用不明显时，混合模型一般优于欧拉模型。混合模型中的连续性和动量方程可以表示为
这里F是体积力，是混合粘度系数，是混合速度，是混合密度，是k相的滑移速度，是k相与主相（例如q相）之间的相对滑移速度，是阻力系数，是颗粒半径（气泡，沉降物等）。
连续性方程的体积分数为
这里下标p表示分相。成等人用混合模型模拟通过阶梯形溢口流流场得出的仿真
结果均优于使用VOF模型。艾登等人采用混合模型对大量实验模型进行了流场的模拟，发现混合模型对模拟自由表面流动的空气是令人满意的。总体而言，基于混合模型的模拟结果比VOF模型更好，这是由于考虑了水和气体分子之间的相互作用。然而，混合模型是基于单相流理论、离散相的体积分数要求不超过10%。对于强充气流，气泡的体积分数通常在1%至99%之间，因此，混合模型不能更加合理的模拟空气浓度分布。
C．欧拉模型
欧拉模型是多相流模型中最复杂的模型。它将每一相作为一个连续的相，每一相都可以通过相体积分数访问。欧拉模型可以解决相的连续性，动量和能量方程，并通过压力和相间相互作用耦合。欧拉模型已被认为是最完美的多相流模型，它可以更好地表征相间相互作用的特征，捕捉更丰富的多相流信息，因此欧拉模型被认为是目前应用最广泛、最有前景的多相流模型。它对次相体积分数没有限制。它可以在连续相和离散相两相之间的转换中，利用其自身的优点，可以有效地结合次相湍流模型解决多相流模拟问题。然而，欧拉模型的缺点是大量的计算和难以收敛。随着计算机技术的发展，它可能会更好地克服大量的计算问题。在实际的模拟中，如果给出合理的边界条件和初始场，欧拉模型的收敛性将得到明显提升。
欧拉模型将气体相和液体相作为准连续相，使用质量，动量和能量守恒方程描述流场，类似于连续性流场。欧拉模型的基本方程包括连续性和动量守恒方程。
在这里是气液两相的相互作用力。欧拉模型在搅拌槽、流化床、固体沉积、喷雾、核电、冷却水、充气池等方面都有广泛的应用，并取得了很大的成功。
3.改进的多相流模型
基于上述三种多相流模型的优缺点，许多研究者正试图提出更有效的多相流模型，以满足不同的情况。目前，从现有的文献中，有三种模式如下。
（1）VOF模型 气泡控制方程
这种方法是基于VOF模型并在VOF模型中加入气泡数量密度控制方程。气泡数量密度控制方程如下
这里，表示在单位体积内排列序号为i时气泡的数量，是气泡速度，可以从VOF模型中得到，是气泡的半径等于时半径的生长速度，和分别表示空气带入水时气泡的生成以及气泡破裂和聚合时的生成。施等人提升了Buscaglia等人发展的方法，在模拟海岸波浪与曝气射流中取得了较好的结果。如果喷射源的研究可以取得突破，然后结合在VOF模型自由面计算中的效率，这种方法将有广泛的工程应用。
（2）VOF模型 混合模型
该方法采用VOF模型计算自由表面，利用混合模型的优点计算气泡流。这种方法的优点是，气液分层流和气泡流可以在计算时间略微增加的情况下同时进行计算。这种方法的难点在于，两种模型的动量方程是不同的，这使得在自由表面边界条件的处理时需要考虑这两种模型。Turan等人成功地将此方法应用于泄洪坝的爆破流，然而，这种方法自由表面的处理过于复杂，难以推广应用。
（3）VOF模型 欧拉模型
这两种模型的联合可以说是研究多相流数值模拟的研究人员反复思考提出的，因为VOF模型在自由表面的计算过程中具有较高的效率，而欧拉模型在气泡流的计算过程中具有较高效率。在实际应用中，不同的气泡大小和流动模式的多相流需要模拟。这种组合是同时计算自由表面，小或大的气泡流中最好的。然而，VOF模型和欧拉模型中的动量方程是不一致的，如（2），故很难同时计算两种模型。严和陈等人成功地耦合了这2种模型，并采用了多相流模型中连续性方程和动量方程下不同流动模式的过渡，计算结果与实验值比较，结果令人满意。因此，可以认为，这种耦合模式在多相流模拟中将得到更多的推广和应用。
4．气液两相湍流模型
在现有的文献中流体力学模拟仿真通常采用k-ε湍流模型。然而，具体的方法主要分为两种类型：第一种忽视气泡对液体湍流的影响，k-ε湍流模型直接应用；另一种考虑液体对湍流的影响，k-ε湍流模型不适用于气相。它的过程主要是处理气体的层流或使气体的有效粘度等于液体的有效粘度。目前，比较成熟的气水两相流的湍流模型是混合和离散相湍流模型。
混合湍流模型理论上适用于处理所有的两相流问题。当两相流中离散相和连续性不是很明显时，其仿真结果明显更加真实。Lane等人模拟了高浓度空气条件下的混合水流。马丁等人模拟了空气垂直冲击射流。他们共同的特点是在气液两相流中存在转换，即水和空气没有固定的流动模式，例如在气体进入水的过程中，在空气和水的表面接触区域空气被当做连续相而水滴被当做离散相；然而，在空气进入水并形成气泡的过程中，气泡表现为分散相而水作为连续相。所以，由于离散相和连续相之间的转换，单相湍流模型不适合较强的空气水湍流的仿真。通过在湍动能方程和耗散率方程中加入湍流源，考虑空气和水的相互作用。标准k -ε湍流模型如下
这里是混合密度，是混合黏性系数，是混合速度，是混合湍流粘性系数，是湍动能计算结果，是连续相中粒子影响的湍流源项，模型系数值为，，，。
离散相湍流模型主要是针对其中有明确的离散相和连续相且离散相的体积分数小于15%的多相流。对于气泡和液体的流动，气泡对液体流动的湍流的影响被考虑其中。
湍流粘性系数为
湍动能k和湍流耗散率方程为
这里和是气泡的影响，是湍动能结果。
离散相湍流模型广泛应用于搅拌反应器、流化床和固体颗粒物的沉积，这篇文章并没有过多列举文献。
5．结论
根据上面对多相流模型的总结，可以看出，欧拉模型在强湍流气水两相流模拟中最有希望取得突破。然而，由于在水力工程中的高速充气流，目前仍在实验观察水平。由于连续相和离散相的转换，它无疑增加了模拟的复杂性。此外，由于水和空气之间的自由表面的存在，充气水流不同于气-固流动或封闭的管道中的气-液流动。因此，两相流模型不能直接应用于水力工程中充气型空气水两相流。幸运的是，马丁等人的模拟案例在理论上类似于在大坝溢流道或水坝泄洪时的充气流。
他们都有两相之间的转换，即水和空气不是固定的离散相或连续相。同样，对于湍流模型的选择，混合湍流模型也适用于模拟存在流型转变的多相流。
致谢
这项研究是由国家自然科学基金（批准号：50979118）提供的财政资助。
井下视频成像测井系统的发展
摘要：井下视像系统通过其微型摄像机捕捉射孔图像，以获取油井的实时信息，成为了油田测井领域的一个热门话题。DHV-05型井下视像系统被设计出来，这种系统基于小波变换的图像压缩，高速数字调制传输，基于CPLD的解调，特殊机制以实现井下视频图像的压缩，高速无线数据传输，井下照明和高温度。它的稳定性已通过3000米数据传输以及125摄氏度高温测试。
关键词：DHV-05井下视像；图像压缩；小波变换；高速数据传输
1.介绍
成像测井技术正在成为测井领域的一个研究热点，因为它能够直接显示井下更多信息。井下视像技术是一种应用广泛的成像测井技术。它在套管检测、套管防垢和井下作业中得到了广泛的应用。
在20世纪50年代，微型摄像头摄像技术出现。在70年代它广泛地应用浅井中。井下电视技术是在80年代首次应用于石油工业中。井下视频用单芯电缆或多芯电缆传输每隔几秒更新一次的静态图像。在上世纪90年代，光电测井电缆被用于井下视频系统中来提高数据传输速度。这种电缆直径小，在测井过程中使用方便。但由于其物理性质，在井眼环境中适应性较差。通用测井电缆具有适应性强、成本低、通用性强等优点，但却很少使用 在成像测井系统中，因为其高速传输数据时的传输特性较差。
2.井下视像系统的结构
A.井下系统
井下微型摄相机捕捉射孔图像，并转化为CCIR601数字图像，而数字图像基于小波变换算法进行压缩编码以及调制传输模块。测井电缆进行调制地面系统图像。井下DSP控制图像的采集、压缩、编码和传输。井下系统框图如图1所示。
图1 井下系统框图
B.地面系统
地面系统接收图像数据并传送到放大器，放大后的信号进行解调和解码，地面DSP控制图像数据的解压缩和数模转换。数字图像转换为模拟信号，并传送到显示器和图像记录装置。地面系统框图如图2所示。
图2 地面系统框图
3. 图像压缩与解压缩模块
图像的压缩和解压缩路径如图3所示。
图3 图像压缩与解压缩路径
小波核是一系列“子带滤波器”，视频的亮度分量和两个颜色分量因为不同频率和每个子带具有不同的带宽而形成五个子带。子带频率遵循对数规律。小波变换和子带滤波器把图像分解成42个块。每个组件分别得到14块
每一个图像块具有一个控制压缩变形的因素称为RBW。有42个RBW分别与42个块相关联。在量化图像块前，块的数据乘以相应的RBW。在量化过程中，细节损失，信息产生。RBW值越小，压缩比越小，信息损失更多。在图像解压的过程，每一个块的数据乘以与RBW相逆的BW。我们可
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资料编号：[146658]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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