本發明涉及化工領域，尤其涉及一種基于cfd的黏性流體降膜流動特性的模擬分析方法。

背景技術：

1、黏性流體存在顯著的黏性應力，在受力作用時容易發生剪切變形時，包括但不限于各類有機物、聚合物溶液或熔體。由于其較大的動力黏度，黏性流體流動過程中需要克服更大的阻力，產生更多與常見流體不同的流動行為。

2、降膜流動是指流體依靠自身重力作用、沿降膜流場結構向下運動展成液膜的流動過程。根據流體物性和流動條件的不同，降膜流動可表現出湍流降膜和層流穩定降膜等不同流動狀態。降膜流動具有廣泛的工業應用價值，比如在化工生產中用于脫揮、吸收、冷凝、蒸發等；在熱交換器上用于提高傳熱效率、降低能耗；在食品加工中用于涂布、噴涂和包裝等。

3、cfd是指計算流體動力學(computational?fluid?dynamics)。cfd借助偏微分方程數值解的理論對流體力學中的控制方程進行離散，對流體力學的各類問題進行數值實驗、計算機模擬和分析研究，以解決各種實際問題。cfd模擬通常包括前處理、求解、后處理等步驟。

4、流動特性是指流體流動過程中所表現出來的各種物理特性和行為規律，包括但不限于膜厚變化規律、速度分布規律、停留特性、混合與更新特性等，這些流動特性在理解和優化流體裝置、指導生產應用方面具有重要意義。

5、目前常用于降膜流動分析的方法有冷模實驗法和數值模擬法兩類。冷模實驗中使用模擬介質模擬流體運動，觀測流動行為，但普遍存在實施實驗難度大、觀測手段有限、流場分辨率低、數據測試誤差大、實驗周期長等缺陷。cfd模擬法是目前尚不普及的研究方法，尤其是在粘性流體降膜流動方面，存在研究基礎不足、研究不充分、研究案例少等缺陷。

6、通過對現有技術的檢索，發現尚未有基于cfd的黏性流體降膜流動特性模擬分析方法的全面報道。因此，目前亟需一種能夠快速有效的得到降膜流動過程中速度分布、相分布、組分分布、溫度分布、黏度分布和停留時間分布等流場信息的方法，為分析黏性流體降膜流動特性以及工業裝置的設計、放大和過程優化提供參考和指導。

技術實現思路

1、為了解決上述技術問題，本發明提供了一種基于cfd的黏性流體降膜流動特性的模擬分析方法。采用本發明可以對黏性流體沿降膜流場結構向下降膜流動過程進行模擬計算，可有效得到降膜流動過程中的流場信息，可為分析黏性流體降膜流動特性以及工業裝置的設計、放大和過程優化提供參考和指導。

2、本發明的具體技術方案為：一種基于cfd的黏性流體降膜流動特性的模擬分析方法，本發明針對黏性流體沿降膜流場結構進行向下的降膜流動，利用cfd對給定結構的降膜流場進行前處理、求解和后處理，獲得流場特征信息；具體步驟包括：

3、1)前處理：通過前處理軟件對降膜流場結構進行建模。

4、2)求解：在cfd軟件中確定求解方程、求解方法及邊界條件，運行cfd軟件計算模塊得到黏性流體降膜流場信息，且不限于對流場進行二次及其以上的cfd計算。

5、3)后處理：通過后處理軟件對經過cfd求解得到的黏性流體降膜流場信息進行分析、綜合和可視化處理。

6、優選地，所述降膜流場結構包括起支撐黏性流體流動的降膜元件或降膜元件組合結構，以及為流體進入降膜元件提供輔助的布膜結構、對降膜元件起固定作用的定位結構、改變降膜元件表面構造的部件結構。

7、優選地，所述前處理包括：確定流場結構尺寸、對降膜流場結構進行幾何建模、確定計算域、對計算域進行網格劃分、對網格進行獨立性驗證、對時間步長進行無關性驗證。

8、進一步優選地，步驟1)具體包括：

9、1.1)確定降膜流場結構尺寸、對降膜流場結構進行幾何建模：使用包括但不限于ug?nx、solidworks、pro/e、spaceclaim、designmodel等建模軟件，根據結構尺寸建立裝置二維或三維模型。

10、1.2)確定計算域：根據三維模型，在包括但不限于spaceclaim、designmodel等建模軟件中抽取流體域，或者在建模軟件里根據裝置結構尺寸直接進行流體域建模。

11、1.3)對計算域進行網格劃分：使用包括但不限于ansys?mesh、fluent?meshing、icem?cfd、gambit等網格劃分軟件，對建立的計算域模型進行空間離散，使用結構化或者非結構網格劃分方法，劃分二維網格或者三維網格，得到不同尺寸和數量的網格。

12、1.4)對網格進行獨立性驗證：使用不同尺寸、密度和數量的網格進行同一條件的計算，驗證網格數量對于模擬結果的影響，確定一套模擬精度足夠的網格。

13、1.5)對時間步長進行無關性驗證：對于采用瞬態時間格式的模擬計算，在同一條件下進行時間步長無關性驗證，以排除時間步長對模擬結果的影響；對于采用穩態時間格式的模擬計算則不需要。

14、優選地，步驟1)中，所述黏性流體存在顯著的黏性應力，在受力作用時容易發生剪切變形時，包括但不限于各類有機物、聚合物溶液或熔體。黏性流體的動力黏度值可以是常量的定常流體，也可以是非常量的非定常流體。

15、優選地，所述求解包括：選擇或設定求解器類型和時間格式、選擇單相流或多相流模型、選擇層流或者湍流模型、選擇能量方程、選擇組分輸運方程和/或標量輸運方程、設定流體物性參數或者物性方程、選擇邊界類型及初始條件、選擇耦合方式和離散格式、設定松弛因子、設置報告殘差和監控輸出、進行初始化及設定迭代參數。

16、進一步優選地，步驟2)具體包括：

17、2.1)選定求解器類型和時間格式：根據網格類型選擇對應的2d或者3d求解，選擇單精度或者雙精度求解器，求解器類型選擇壓力基求解器或者密度基求解器，時間格式選擇穩態或者瞬態格式。

18、2.2)選擇單相流或多相流模型：根據流動系統和物理情景中存在的相態數量和流動特點，選擇單相流或者多相流模型，其中多相流包括但不限于vof模型、mixture模型、wetsteam模型等。

19、2.3)選擇層流或者湍流模型：根據降膜雷諾數大小，選擇層流或者湍流計算，一般來說降膜雷諾數小于1000適用層流計算。

20、2.4)選擇能量方程：根據是否需要考慮能量問題選擇打開或者關閉能量方程。

21、2.5)選擇組分輸運方程和/或標量輸運方程：根據是否需要計算多組分或者虛擬組分，選擇是否加入組分輸運方程或者標量輸運方程。

22、2.6)設定流體物性參數或者物性方程：在軟件自帶物性數據庫中調用設置物性參數，或以數學方程自定義表達物性信息帶入求解軟件中。

23、2.7)選擇邊界類型及初始條件：根據流體系統實際邊界類型選擇包括但不限于速度入口、質量流量入口、壓力入口、壓力出口、速度出口、質量出口、壁面、對稱面、軸等邊界類型，根據每種邊界類型設置對應的初始條件。

24、2.8)選擇耦合方式和離散格式：根據經驗和實際計算過程的收斂情況，壓力速度耦合方式選擇simple、simplec、piso、coupled等耦合方法，梯度、壓力、動量、體積分數、能量、組分等物理量的空間離散分別選擇合適的離散格式。

25、2.9)設定松弛因子：為調節離散方程的收斂性，分別設置合適的亞松馳因子。

26、2.10)設置報告、殘差和監控輸出：根據實際需要，設置需要檢測的信息和位置，以更好得判斷計算可靠性。

27、2.11)進行初始化：選擇全局初始化或者局部初始化賦予初始流場信息，或者根據實際情況賦予計算起點。

28、2.12)設定迭代參數：根據需要設置迭代次數或指定瞬態計算需要的迭代參數。

29、優選地，步驟3)具體包括：

30、3.1)對流場信息進行分析。

31、3.2)對流場信息進行綜合：根據原始流場信息按照數學原理或指定模型進行二次數據計算，得到包括但不限于指定位置類型、云圖、矢量圖、跡線圖、分布圖、直方圖、動畫、報告、自定義函數和標量中的一種或多種結果。

32、3.3)對流場的可視化處理：使用包括但不限于fluent、cfd?post、tecplot、matlab、origin等后處理軟件或可視化軟件對流場信息進行可視化處理。

33、優選地，所述流場信息包括但不限于速度分布、溫度分布、相分布、黏度分布、組分分布和停留時間分布中的一種或多種。

34、進一步優選地：

35、所述速度分布包括但不限于任意位置處的速度大小和方向、速度梯度、表面流速、表面更新頻率中的一種或多種。

36、所述溫度分布包含但不限于考慮能量因素的模擬中得到的熱力學溫度分布、焓分布、能量分布中的一種或多種；考慮能量因素時流場包含加熱，加熱形式包括但不限于單側加熱、雙側加熱、體積熱源等方式；加熱方法包括但不限于均勻加熱、非均勻加熱，其中非均勻加熱包括空間非定常加熱和時間非定常加熱。

37、所述相分布包括但不限于多相流中每一相的相體積分數、相鄰兩相自由表面位置、自由表面的成膜面積和成膜效率、某一相膜厚及其分布中的一種或多種。

38、所述組分分布包括但不限于單相流中各組分及虛擬組分的濃度分布、多相流中每一相內組分濃度分布中的一種或多種；其中濃度分布包括但不限于質量濃度、體積濃度、摩爾濃度、質量分布、體積分數、摩爾分數。

39、所述黏度分布為單相流或者多相流內部每一相中的均勻分布和非均勻分布。

40、所述停留時間分布包括停留時間密度分布、停留時間分布曲線，以及該分布的一階矩、二階矩及高階矩；一階矩為平均停留時間、二階矩為停留時間分布的方差。

41、優選地，所述黏度分布是均勻分布或者非均勻分布，具體地：

42、黏性流體為恒定黏度特性流體或變黏特性流體；

43、在單相流中，或者多相流的每一相內部，恒定黏度特性流體得到均勻黏度分布，變黏特性流體得到非均勻分布；

44、變黏特性可以有多種黏度變化規律，此時黏度一般指流體微團的黏度；

45、變黏規律的物理形式包括但不限于時間-黏度規律、濃度-黏度規律、溫度-黏度規律、應力應變-黏度規律以及它們的多種組合規律；

46、變黏規律的數學形式包括但不限于線性方程形式、多項式形式、冪律形式、指數形式、對數形式以及它們的多種組合形式。

47、優選地，所述停留時間分布分為瞬態停留時間分布和穩態停留時間分布兩類：

48、瞬態停留時間分布：主要指同時進入流場的流體微團到達指定位置時分別經歷了多長時間，或者離開流場時所具有的停留時間，用于評價流場中的混合效果；主要采用瞬態格式計算獲得，包括脈沖法和階躍法，其中階躍法包括上升法和下降法，區別在于濃度表達式不同，但都可以得到相同的停留時間分布密度函數和停留時間分布函數。

49、穩態停留時間分布：主要指同時達到指定位置的流體微團自進入流場以來各自具有的停留時間，用于評價指定位置上流體微團的混合程度；主要采用穩態格式計算獲得，濃度表達式與脈沖法相似，可得到任意位置上的平均停留時間和整個流場中的平均停留時間分布，單相流和多相流均適用；如果采用瞬態格式計算可獲得每個穩態時步內的平均停留時間分布。

50、進一步優選地，采用脈沖法進行瞬態停留時間分布模擬：

51、a)在流場中開啟組分輸運方程，設置示蹤劑組分，在指定位置設置報告定義、殘差標準和監控輸出；

52、b)在極短的時間內將示蹤劑組分注入流場，具體為將示蹤劑組分設置為一個濃度值并計算一個時步，之后示蹤劑濃度再次調整為0，完成脈沖注入，一般要求時步長度遠遠低于示蹤劑在流場內的停留時間；

53、c)繼續計算至示蹤劑完全經過該指定位置，在此期間獲得該指定位置上示蹤劑濃度隨時間的變化關系；

54、d)根據示蹤劑隨時間的變化關系和脈沖法示蹤劑濃度關系式，整理得到停留時間分布密度函數和停留時間分布函數；

55、采用脈沖法進行穩態停留時間分布模擬：

56、a)根據脈沖法濃度表達式推導穩態格式計算下的平均停留時間標量輸運方程，編寫用戶自定義函數；

57、b)在模擬計算中開啟標量輸運方程，設置用戶自定義標量，編譯并加載用戶自定義函數；

58、c)設置標量輸運方程的邊界類型、初始條件、離散格式和亞松馳因子，初始化并求解輸運方程；

59、d)根據標量值與平均停留時間的數學關系，對求解結果分析綜合和可視化處理。

60、與現有技術對比，本發明的有益效果是：

61、(1)本發明對黏性流體降膜流場進行模擬計算，可有效且快捷地得到降膜流場中黏性流體流動行為，以及流動行為與流體物性和流動條件之間的聯系，能夠為分析黏性流體降膜流動特性以及工業裝置的設計、放大和過程優化提供參考和指導。

62、(2)本發明提供了包含前處理、模擬計算求解、結果后處理等在內的全面可靠的黏性流體降膜流動特性的模擬分析方法，可節約研究開發成本，具有良好的應用前景。

63、(3)本發明提供的模擬分析方法具有通用性，對于以黏性流體為工作介質的其它流動系統也具有參考價值。