(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210693816.1 (22)申请日 2022.06.19 (71)申请人 南京理工大 学 地址 210094 江苏省南京市孝陵卫20 0号 (72)发明人 沈煜年　尹锡佳　尹晓春　廖鹏飞　 (74)专利代理 机构 南京理工大 学专利中心 32203 专利代理师 陈鹏 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 多相流软物质出流的动力学计算方法 (57)摘要 本发明公开了一种多相流软物质出流的动 力学计算方法， 包括建立多相流软物质出流的力 学模型与有限元模型， 选择合适的算法， 设计调 控多相流软物质出流的转动约束， 导入Fluent进 行仿真计算， 求得多相流软物质中各相介质的速 度， 流量随时间的变化关系并确定各相介质之间 的相互作用； 由于多相流软物质 的流动特别复 杂， 没有较为准确的解析解， 本发明通过将多相 流软物质改变成单相流， 在保持其他条件不变的 情况下， 利用单向流的流动与多向流的流动进行 对比， 从而验证多相流软物质流动特性的准确 性。 本发明是对多相流软物质流动理论的补充， 可以调控多相流软物质的出流并获得其中各相 介质的动力学机理， 对于相关工业领域具有一定 的指导价值。 权利要求书3页 说明书5页 附图3页 CN 115083544 A 2022.09.20 CN 115083544 A 1.一种多相流软物质出流的动力学计算方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤一： 建立多相流软物质出流的力学模型； 步骤二： 建立多相流软物质出流的有限元模型； 步骤三： 确定对多相流软物质进行仿真时的算法； 步骤四： 设计调控多相流软物质出流的转动约束， 进行仿真计算， 求得多相流软物质中 各相介质的速度， 流 量随时间的变化关系并确定各相介质之间的相互作用； 步骤五： 使用单相流对多相流软物质的仿真进行检验。 2.根据权利要求1所述的多相流软物质出流的动力学计算方法， 其特征在于， 所述步骤 一包括以下步骤： 步骤1)确定模型材料： 多相流软物质由液相A、 液相B、 气相 C组成， 对应的密度为ρA、 ρB、 ρC， 对应的粘度为 μA、 μB、 μC， 其盛放于力学模型中， 将 该模型从下到上分为液相1区， 液相2区 以及气相1区， 在初始时刻， 液相A充满液相1区， 液相B充满液相2区， 气相C充满气相1区， 其 中液相1区从上到下由圆柱， 圆台以及部分球体构成， 液相2区为圆柱形区域， 气相1区从上 到下由圆柱与圆台构成； 根据各相介质的密度， 从上到下分别盛放气相C， 液相B， 液相A， ρA ＞ρB＞ρC， 其他区域充满空气； 步骤2)给模型施加载荷： 对于多相流软物质所处的模型并没有施加特定的载荷， 在各 相介质流动时仅考虑重力加速度的影响； 步骤3)设定模型的约束： 在初始时刻， 多相流软物质处于竖直状态， 仅在重力加速度 载 荷的作用下无法形成流动， 为此， 给液相1区， 液相2区， 气相1区施加同一种 转动约束， 即可 通过各区域的转动带动区域内多相流软物质的流动； 转动约束ωt： ωt＝ω(t)    (1) 式(1)中， t为时间， 单位 为s， ωt为角速度。 3.根据权利要求2所述的多相流软物质出流的动力学计算方法， 其特征在于， 所述步骤 二包括以下步骤： 步骤1)将模型沿着YOZ面切成两半， 取其中一半为研究对象； 步骤2)将研究对象导入W orkbench进行网格划分。 4.根据权利要求3所述的多相流软物质出流的动力学计算方法， 其特征在于， 所述步骤 三包括以下步骤： 步骤1)多相流软物质出流的力学模型与有限元模型都是基于流体的N ‑S方程建立的， N‑S方程的基本形式为： 式(2)中， ρ 是流体密度， V是速度矢量， p是压力， f是单位体积流体受的外力， 若只考虑 重力f＝ρ g， μ是动力粘度； 由于多相流软物质有三相介质， 所以相应的N ‑S方程在直角坐标系中分量 为： DE+F＝GH    (3)式(3)中，权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115083544 A 2H＝[ μi]， i＝A,B,C； 其中ui,vi,wi为介质i在t时刻， 在点(x,y,z)处的速度分量， 在密度与粘 度都已知的情况下， 式(3)只有u,v,w,p四个未知量， 只要求解出这四个未知量， 多相流软物 质出流的力学模型的建立以及仿真计算即可成功完成； 步骤2)PISO算法求解液相A的N ‑S方程； 首先， 推导出动量方程的一般矩阵形式： 式(4)中， MA为已知的动量方程 离散化矩阵， VA为存在的每一个单 元中心节点的速度变量矩阵； 其次， 将MA矩阵分解 为对角矩阵和非对角矩阵： MA矩阵的分解式； 式(5)中， AA为对角矩阵， HA为非对角矩阵； 再次， 将式(5)求逆得， 显示速度方程： 最后， 带入连续 性方程， 得压力泊松方程： 得动量方程(4)及压力泊松方程(7)， 联解可求得 液相A的四个未知量uA,vA,wA,pA。 5.根据权利要求4所述的多相流软物质出流的动力学计算方法， 其特征在于， 所述步骤 四包括以下步骤： 步骤1)将模型赋予具体的大小， 并给多相流软物质中的各相介质赋予具体的密度和粘 度， 同时设计一个已知的转动约束； 之后， 开始仿真计算； 步骤2)计算完成后， 取3个不同节点， 提取多相流软物质流经这三个节点的体积分数， 绘制体积分数 ‑时间曲线， 分析多相流软物质中各相介质的流量与出流位置， 时间， 密度以 及粘度之间的关系； 步骤3)计算完成后， 取不同时间节点的多相流软物质的状态图， 分析各相介质之间的 相互作用； 步骤4)计算完成后， 取不同时间节点的流线图， 分析多相流软物质中各相介质的流速 的变化情况。 6.根据权利要求5所述的多相流软物质出流的动力学计算方法， 其特征在于， 所述步骤 五包括以下步骤： 步骤1)将多相流软物质中的液相B与气相C完全更换成液相A， 其余条件不变， 对这种单 向流的流动进行仿真计算； 步骤2)计算完成后， 分别提取单向流与多向流在相同时间段， 相同节点上的速度， 绘制权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115083544 A 3