沉积管流场分析方法及系统

摘要

本发明提供了一种沉积管流场分析方法及系统，所述方法包括：得到存在沉积层的圆管形成的沉积管中流体的几何模型；定义并确定所述流体的雷诺数；根据所述雷诺数对所述几何模型进行数值计算和流场分析，本发明提供了一种带有沉积层的沉积管的几何模型，并通过数值计算和流场分析的方法分析沉积管中的流体流动状态。

权利要求

1.一种沉积管流场分析方法，其特征在于，包括：得到存在沉积层的圆管形成的沉积管中流体的几何模型，所述流体的几何模型为水平设置的柱状体，所述柱状体的截面轮廓包括底端开口的圆弧和与所述开口的两端分别连接的水平设置的直线，所述直线与所述圆弧圆心的距离根据所述沉积层的厚度确定；

定义并确定所述流体的雷诺数；

根据所述雷诺数对所述几何模型进行数值计算和流场分析，所述流场分析包括平均流场分析和瞬态流场分析；

雷诺数Re为：

其中，Ub为流向平均速度，DH为截面水力直径，A为截面面积，l为截面周长，ν为流体运动粘度。

2.根据权利要求1所述的流场分析方法，其特征在于，根据所述雷诺数对所述几何模型进行数值计算具体包括：对所述流体的几何模型进行网格划分；

根据雷诺数设置网格划分后的几何模型得到分析模型；

对所述分析模型进行数值计算。

3.根据权利要求2所述的流场分析方法，其特征在于，对所述流体的几何模型进行网格划分具体包括：选定至少一种网格类型；

将几何模型划分为多个区域或通过求解椭圆微分方程法对几何模型进行网格划分；

对边界层区域的网格进行加密处理。

4.根据权利要求1所述的流场分析方法，其特征在于，所述根据雷诺数设置网格划分后的几何模型得到分析模型具体包括：根据所述流体的几何模型的截面尺寸和雷诺数确定所述流体的流体流动状态参数；

在所述几何模型上设置所述流体流动状态参数和约束条件得到所述分析模型。

5.根据权利要求2所述的流场分析方法，其特征在于，在所述几何模型上设置约束条件具体包括：设置边界条件类型；

设置流体的流体进口、出口以及流向；

设置无滑移边界条件。

6.一种沉积管流场分析系统，其特征在于，包括：几何模型单元，用于得到存在沉积层的圆管形成的沉积管中流体的几何模型，所述流体的几何模型为水平设置的柱状体，所述柱状体的截面轮廓包括底端开口的圆弧和与所述开口的两端分别连接的水平设置的直线，所述直线与所述圆弧圆心的距离根据所述沉积层的厚度确定；

参数确定单元，用于定义并确定所述流体的雷诺数；

求解分析单元，用于根据所述雷诺数对所述几何模型进行数值计算和流场分析，所述流场分析包括平均流场分析和瞬态流场分析；

雷诺数Re为：

其中，Ub为流向平均速度，DH为截面水力直径，A为截面面积，l为截面周长，ν为流体运动粘度。

7.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5任一项所述方法。

8.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述方法。

说明书

沉积管流场分析方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及沉积管流体分析技术领域，尤其涉及一种沉积管流场分析方法及系统。

背景技术

[0002] 油、气、水输运管道常见于日常生活和工业生产中，它们的流动截面多为圆形。多相流动是其中的重要组成部分，在环保、制药、冶金、建材、能源、化工、航天等领域被广泛应用。如果管道中存在固相颗粒，例如气固或液固两相流，固相颗粒就可能在重力作用下发生沉积。

[0003] 在管道输运过程中，流体介质中的固相颗粒会在重力的作用下向下运动并沉积在管道壁面上，久而久之形成一层沉积层，使截面面积变小，并在沉积层和弧形壁面之间产生角度。目前，现有技术中尚无针对沉积管中流体流动状态的分析技术。

发明内容

[0004] 本发明的一个目的在于提供一种沉积管流场分析方法，提供了一种带有沉积层的沉积管的几何模型，并通过数值计算和流场分析的方法分析沉积管中的流体流动状态。本发明的另一个目的在于提供一种沉积管流场分析系统。本发明的再一个目的在于提供一种计算机设备。本发明的还一个目的在于提供一种可读介质。

[0005] 为了达到以上目的，本发明一方面公开了一种沉积管流场分析方法，包括：

[0006] 得到存在沉积层的圆管形成的沉积管中流体的几何模型；

[0007] 定义并确定所述流体的雷诺数；

[0008] 根据所述雷诺数对所述几何模型进行数值计算和流场分析。

[0009] 优选地，所述流体的几何模型为水平设置的柱状体，所述柱状体的截面轮廓包括底端开口的圆弧和与所述开口的两端分别连接的水平设置的直线，所述直线与所述圆弧的距离根据所述沉积层的厚度确定。

[0010] 优选地，根据所述雷诺数对所述几何模型进行数值计算具体包括：

[0011] 对所述流体的几何模型进行网格划分；

[0012] 根据雷诺数设置网格划分后的几何模型得到分析模型；

[0013] 对所述分析模型进行数值计算。

[0014] 优选地，对所述流体的几何模型进行网格划分具体包括：

[0015] 选定至少一种网格类型；

[0016] 将几何模型划分为多个区域或通过求解椭圆微分方程法对几何模型进行网格划分；

[0017] 对边界层区域的网格进行加密处理。

[0018] 优选地，所述根据雷诺数设置网格划分后的几何模型得到分析模型具体包括：

[0019] 根据所述流体的几何模型的截面尺寸和雷诺数确定所述流体的流体流动状态参数；

[0020] 在所述几何模型上设置所述流体流动状态参数和约束条件得到所述分析模型。

[0021] 优选地，在所述几何模型上设置约束条件具体包括：

[0022] 设置边界条件类型；

[0023] 设置流体的流体进口、出口以及流向；

[0024] 设置无滑移边界条件。

[0025] 优选地，所述流场分析包括平均流场分析和瞬态流场分析。

[0026] 本发明还公开了一种沉积管流场分析系统，包括：

[0027] 几何模型单元，用于得到存在沉积层的圆管形成的沉积管中流体的几何模型；

[0028] 参数确定单元，用于定义并确定所述流体的雷诺数；

[0029] 求解分析单元，用于根据所述雷诺数对所述几何模型进行数值计算和流场分析。

[0030] 本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，

[0031] 所述处理器执行所述程序时实现如上所述方法。

[0032] 本发明还公开了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，

[0033] 该程序被处理器执行时实现如上所述方法。

[0034] 本发明根据沉积管的结构特点构建了用于分析流体流场的几何模型，并通过数值计算得到沉积管中的流体的流动状态数值，进一步对沉积管流体的流动状态数值分布进行流场分析，可实现从理论上分析具有不同沉积层厚度的沉积管中流体的流动特点，例如流场中的二次流以及二次流对流场的影响，进而研究工程中管道输运的颗粒沉积等问题。

附图说明

[0035] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0036] 图1示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体实施例的流程图之一；

[0037] 图2示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体实施例的流程图之二；

[0038] 图3示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体实施例几何模型的示意图；

[0039] 图4示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体实施例几何模型的设计原理图；

[0040] 图5示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体实施例的流程图之三；

[0041] 图6示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体实施例的流程图之四；

[0042] 图7示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体实施例的流程图之五；

[0043] 图8示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体实施例的流程图之六；

[0044] 图9示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体实施例的流程图之七；

[0045] 图10示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体实施例中几何模型网格划分的示意图；

[0046] 图11a示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体例子的数值计算结果中截面流线示意图之一；

[0047] 图11b示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体例子的数值计算结果中截面流线示意图之二；

[0048] 图11c示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体例子的数值计算结果中截面流线示意图之三；

[0049] 图12a示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体例子的数值计算结果中流向速度云图示意图之一；

[0050] 图12b示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体例子的数值计算结果中流向速度云图示意图之二；

[0051] 图12c示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体例子的数值计算结果中流向速度云图示意图之三；

[0052] 图13a示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体例子的数值计算结果中二次流云图示意图之一；

[0053] 图13b示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体例子的数值计算结果中二次流云图示意图之二；

[0054] 图13c示出本发明一种沉积管流场分析方法一个具体例子的数值计算结果中二次流云图示意图之三；

[0055] 图14示出本发明一种沉积管流场分析系统一个具体实施例的结构图；

[0056] 图15示出适于用来实现本发明实施例的计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

[0057] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0058] 根据本发明的一个方面，本实施例公开了一种沉积管流场分析方法。如图1所示，本实施例中，所述流场分析方法包括：

[0059] S100：得到存在沉积层的圆管形成的沉积管中流体的几何模型。

[0060] S200：定义并确定所述流体的雷诺数。

[0061] S300：根据所述雷诺数对所述几何模型进行数值计算和流场分析。

[0062] 本发明根据沉积管的结构特点构建了用于分析流体流场的几何模型，并通过数值计算得到沉积管中的流体的流动状态数值，进一步对沉积管流体的流动状态数值分布进行流场分析，可实现从理论上分析具有不同沉积层厚度的沉积管中流体的流动特点，例如流场中的二次流以及二次流对流场的影响，进而研究工程中管道输运的颗粒沉积等问题。

[0063] 在优选的实施方式中，如图2所示，所述方法还包括：

[0064] S000：构建所述存在沉积层的圆管形成的沉积管中流体的几何模型。

[0065] 在流体的几何模型建构过程中，可在不明显影响流场分析结果的条件下，按照一定规则对带有沉积层的沉积管中的流体流动进行简化得到沉积管中流体的几何模型，具体简化规则可包括以下几条：

[0066] (1)忽略颗粒在沉积管弧形壁面的附着和介质中析出物在管道中的复杂行为。

[0067] (2)假设沉积层在流体的冲刷下形成直线界面。

[0068] (3)假设沉积层不随流体流动而发生厚度、形状和位置的改变。

[0069] 由此，在构建几何模型时，可先画出表示沉积管的圆形以及表示沉积层与流体界面的直线，直线与圆相交，截去直线与圆相交形成的表示沉积层部分的区域得到几何模型截面，剩下部分沿沉积管轴向拉伸，即沿与截面垂直的方向拉伸形成需要的流体的几何模型。

[0070] 具体的，如图3和图4所示，所述流体的几何模型为水平设置的柱状体，所述柱状体的截面轮廓包括底端开口的圆弧和与所述开口的两端分别连接的水平设置的直线，所述直线与所述圆弧的距离根据所述沉积层的厚度确定。截面的上方为弧形边界，下侧为直线边界，二者形成了角度，随着下侧边界的上下移动，上、下侧边界的长度、直线与弧形边界形成的角度、截面面积、截面周长、截面水力直径等均发生相应变化。根据沉积层的厚度不同，可形成不同截面的几何模型，本实施例中的几何模型充分考虑了沉积管中沉积层对流体流动的影响，从而保证了流场分析结果的准确性。

[0071] 在优选的实施方式中，如图5所示，所述S300可包括：

[0072] S310：对所述流体的几何模型进行网格划分。

[0073] S320：根据雷诺数设置网格划分后的几何模型得到分析模型。

[0074] S330：对所述分析模型进行数值计算。

[0075] 在优选的实施方式中，如图6所示，所述S310具体可包括：

[0076] S311：选定至少一种网格类型。例如，由于沉积管中几何模型包括弧形边界，可采用O型网格对几何模型进行网格划分，以适应弧形边界，得到高质量的网格。由于圆弧下方为直线边界且直线边界位置不固定，网格在圆心下方进行不同处理，例如可采用六面体和四面体网格，提高网格质量，提高数据模拟结果准确度。

[0077] S312：将几何模型划分为多个区域或通过求解椭圆微分方程法对几何模型进行网格划分。沉积管的几何模型包括弧形边界和直线边界，可将几何模型划分为多个区域，根据不同区域的几何结构特点选用不同的网格进行划分。

[0078] S313：对边界层区域的网格进行加密处理。可以理解的是，在流体力学中，边界层为人为划分的、流体靠近壁面流动的区域，在计算过程中，在壁面附近选定边界层的范围，对边界层的网格加密处理，优选的，边界层可采用指数形式进行加密。

[0079] 在优选的实施方式中，如图7所示，所述S320具体可包括：

[0080] S321：根据所述流体的几何模型的截面尺寸和雷诺数确定所述流体的流体流动状态参数。

[0081] S322：在所述几何模型上设置所述流体流动状态参数和约束条件得到所述分析模型。

[0082] 其中，流体流动状态参数可包括流体流向平均速度。根据流体流向平均速度和几何模型的截面定义雷诺数，可用来表明流动状态。流体沿管道流动时，雷诺数定义为流向平均速度与管道水力直径的乘积与流体运动粘度之比。雷诺数小于临界雷诺数，流场为层流；雷诺数大于临界雷诺数，流场为湍流。当雷诺数处于过度区间，流场也将处于临界状态。当对沉积管中流体进行湍流流场分析时，通过确定流体形成湍流时的雷诺数，根据雷诺数与流体流向平均速度的关系可得到该流向平均速度的值，用于作为流体流动状态参数。

[0083] 在优选的实施方式中，如图8所示，所述S322中在所述几何模型上设置约束条件可包括：

[0084] S3221：设置边界条件类型。可采用周期性边界条件或非周期性边界条件。为了防止流体发展不充分对计算结果的影响，优选的采用周期性边界条件。

[0085] S3222：设置流体的流体进口、出口以及流向。具体的，在几何模型上设置流体进口和出口的流量、速度和压力等，流向方向设置为管道方向。

[0086] S3223：设置无滑移边界条件。即几何模型沿沉积管延伸方向的边界采取无滑移边界条件。

[0087] 在优选的实施方式中，如图9所示，所述S330具体可包括：

[0088] S331：根据所述流体的速度分布和压力分布采用数值模拟模型得到压力修正模型。为了提高准确度，数值模拟模型必须体现雷诺应力的各向异性。优选的可求解Navier-Stokes(NS)方程，当对湍流流场分析时，可采用湍流模型求解平均流场，也可以采用亚格子应力模型对大尺度涡进行求解，还可以全尺度直接数值求解。当求解Navier-Stokes方程时，可选择雷诺应力输运模型和耗散率模型进行封闭。其中，可预先假定初始的速度分布和压力分布。

[0089] S332：根据所述压力修正模型对所述流体的压力和速度进行修正。根据假定的初始速度分布和压力分布，计算数值模拟模型中离散方程常数项并进一步求得压力修正方程，以对速度分布和压力分布进行修正，根据修正后的速度分布和压力分布进一步求解数据模拟模型中其他的离散化方程。

[0090] S333：重复以上步骤直至满足预设的迭代条件得到流体流动的数值计算结果。通过重复S410和S420步骤实现迭代计算不断修正流体流动中的速度分布和压力分布直到满足预设的迭代条件得到流体流动的数值计算结果，该数值计算结果中包括了几何模型中不同位置流体的流动速度等流动状态参数，根据流体流动中各点的流动状态参数可分析得到沉积管中的流体状态。

[0091] 下面通过一个具体例子来对本发明作进一步地说明。在一个具体例子中，通过本实施例的流场分析方法对圆管中的液固两相流场进行数值模拟和理论分析。管道中的流体为液固两相流，管道中流体中的固相沉积使圆管成为沉积管，沉积管中的沉积层形成二次流的发生条件。二次流为流体在流动截面上的流动，与流向涡的存在有关。二次流分为两类，第一类为压力驱动的二次流，第二类为湍流驱动的二次流。第一类二次流如弯管二次流，可能是由于弯曲管道造成的横向涡偏斜而产生；第二类二次流如方管二次流，它的产生与复杂截面产生的雷诺应力梯度有关。

[0092] 二次流的产生受到弧形、角度和弦长的影响，具有较高的复杂度，为二次流的预测带来较大难度。此外，湍流二次流会对流场产生影响，对于液固、气固多相流，可以改变颗粒的截面分布。因此，二次流的研究不仅极富挑战性，也可以为管道颗粒沉积问题提供解决思路，因此具有理论意义和实用价值。

[0093] 首先，构建沉积管的湍流流体的几何模型。几何模型为水平设置的柱状体，所述柱状体的截面轮廓包括底端开口的圆弧和与所述开口的两端分别连接的水平设置的直线。表示沉积管的圆弧的半径为r，直径为D，表示管长的几何模型长度L＝20D，沉积层厚度为Hb，可令Hb＝0.25r、0.5r或r以形成三种具有不同沉积层厚度的几何模型，根据沉积层Hb的厚度可确定沉积层的直线边界与圆弧圆心的距离d，即d＝r-Hb。

[0094] 设置三维坐标系，x、y、z分别对应沉积管的径向水平向、径向垂直向和轴向，坐标原点为圆弧圆心，采用右手坐标系，流体沿z轴正向流动。

[0095] 采用O型网格对所述湍流流体的几何模型进行网格划分，以适应弧形边界，并对边界层区域的网格进行加密处理，得到高质量网格以保证计算结果的准确性，如图10所示。

[0096] 设定边界条件，根据所述湍流流体的几何模型的截面尺寸和湍流对应的雷诺数确定所述湍流流体的流体流动状态参数。其中，雷诺数Re定义为：

[0097]

[0098]

[0099] 其中，Ub为流向平均速度，DH为截面水力直径，A为截面面积，l为截面周长，ν为流体运动粘度。

[0100] 根据以上公式，对于不同的沉积厚度，选定雷诺数Re＝80000进行计算可得到湍流流向平均速度。

[0101] 设置边界条件类型为周期性边界条件，设置湍流流体的流体进口、出口以及流向以及设置无滑移边界条件得到分析模型。

[0102] 本例中的对分析模型的计算基于时均NS方程，运用的模型是雷诺应力模型(RSM)湍流模型对分析模型进行模拟分析分别得到数值计算结果。

[0103] 具体的，本例在三维层面上进行研究。沉积管中不可压缩，基于时均Navier-Stokes方程，完全发展湍流的质量和动量守恒方程可写为：

[0104]

[0105]

[0106] 其中，i＝1，2或3，j＝1，2或3，其中1，2和3分别对应x，y，z方向，ui为对应i方向的流体速度，uj为对应j方向的流体速度，xi为对应i方向的位置，xj为对应i方向的位置，τij为雷诺应力，ρ为流体密度，t为时间，gi为对应i方向的质量力，p为压力。

[0107] 采用雷诺应力模型(RSM)来进行数值模拟，放弃各向同性涡粘性假设，通过求解雷诺应力的传输方程以及耗散率的方程来封闭雷诺平均的Navier-Stokes方程。

[0108] 流体沿管道流动时，通过调节沉积层的厚度和雷诺数，可以得到不同流场。沉积层厚度为0时，管道即为圆管，没有二次流动；当雷诺数较小时，流场为层流，也没有二次流动。当沉积层达到一定厚度，雷诺数增加，流场达到临界状态，最后转变为湍流，这时会产生二次流动。

[0109] 所述流场分析包括平均流场分析和流场分析。通过对数值模拟得到的流场分析结果可分析二次流速度矢量在截面的分布，例如大小，方向或位置等分布信息，还可以分析湍动能、雷诺应力、壁面剪应力在截面的分布，分析它们和二次流之间的关系，对二次流的产生和发展的机理进行分析和预测，阐明截面的湍流特征。

[0110] 当Hb＝0.5r，雷诺数Re＝80000时，根据流场分析结果得到二次流线如图11a所示，图中DH为截面水力直径。将靠近中心的二次流称之为内侧二次流(例如图11a-图11c中的1和2)，两边的二次流称之为外侧二次流(例如图11a-图11c中的3和4)。直线壁面附近产生二次涡。弧形壁面附近没有出现大小相当的旋涡，角平分线仅仅在最靠近角落处作为内外侧二次流的切线。外侧仅仅在最靠近角落处产生了相当小的二次流。内侧二次流从中心沿角平分线外侧流向角落，再从直线壁面平分线返回中心。沉积层厚度Hb＝0.75r和r的截面流线图分别如图11b和图11c。外侧二次流随沉积层厚度的增加而增大。

[0111] 通过对数值模拟得到的流体流动还可分析湍流流向速度在截面的分布，观察二次流对流向速度的影响。根据流场分析结果得到二次流使流向速度等速线如图12a-图12c所示。在沉积管壁面附近，等速线与壁面平行。由于外侧没有产生较大的旋涡，二次流在弧形壁面附近沿壁面切线方向，沉积管壁面处主流速度未发生明显变形。相反，内侧的二次流将中心的高速流体传递到圆弧与直线形成的角落，又在直线壁面平分线处将近壁面的低速流体传递回中心，使主流速度线在靠近角落处向下凸起，而在直线壁面平分线处向上凸起。当沉积层厚度Hb逐渐增大，流向速度等值线在截面的弯曲程度逐渐降低。流向速度等值线的弯曲程度与二次流有关，这表明该处二次流随着沉积层厚度的增加而减小。

[0112] 图13a-图13c为二次流大小云图，使用流向速度无量纲化。可以发现，对于不同的沉积层厚度情况下，二次流均在沉积层、角平分线和弧线处出现极大值。但当Hb＝0.5r和0.75r时，二次流在平分线处达到最大值，这体现了内侧涡在中心处的叠加；而在Hb＝r时，二次流在直线壁面处出现最大值，表明中心处二次流的叠加作用减弱。不同截面下二次流的最大值均在2％左右，与方管相同。对于不同截面，外侧二次流的大小总是小于内侧二次流，进一步表明弧形对二次流的抑制作用。二次流在直线壁面达到极大值，因此需要避免壁面函数的使用。由于外侧二次流被抑制发展，在远离角落处，内外侧旋涡不再以对角线相互对称，内侧二次流获得了更大的发展空间，促进了内侧二次流的发展。随着沉积层厚度增加，对角线上的二次流逐渐增大。这是由于外侧二次流逐渐增大，角落处相邻涡大小渐渐接近，相邻涡的切线逐渐靠近角平分线，最终在对角线形成较大的从中心到角落的二次流。对称线两侧的极小值代表了旋涡中心。截面上下部分二次流的对比可以发现，二次流由角落处产生，主要分布在下半部分，在截面顶部很小。

[0113] 总之，带有沉积层的圆直管中的湍流流动在截面产生了第二类二次流。二次流在角落处产生并发展，并造成了流向速度等在截面上的变化。弧形对二次流有抑制作用，降低了弧形壁面附近的二次流速度；更小的角度能促进湍流交互作用，有利于二次流的产生；内外侧二次流之间存在制约效应，形成了它们随沉积层厚度变化而此消彼长的效果。结果表明，带有沉积层的沉积管二次流和其他流场的二次流之间存在产生机理的一致性以及几何因素对二次流造成的差异性。本发明最早提出沉积管的几何模型，考虑不同沉积厚度下流场的不同特征，深入剖析几何因素对二次流造成的影响。通过对二次流影响因素的分析，可以实现对二次流的控制，为解决管道中颗粒沉积相关问题提供解决方案。产生的二次流会对流场产生其他影响，改变流场中物理量原有的分布。

[0114] 由于存在这种二次流动，因此在工程应用中有较高的应用价值。当需求二次流动时，可以采用这种圆形管道形状来产生。通过调节沉积层厚度以及流速，可以在中心处获得一定的垂直向上的速度，且这个速度的获得无需管道弯曲或其他条件。这为解决一般的管道沉积、堵塞问题和其他管道输运问题和提供了崭新的解决思路。

[0115] 基于相同原理，本实施例还公开了一种沉积管流场分析系统。如图14所示，沉积管流场分析系统包括几何模型单元11、参数确定单元12和求解分析单元13。

[0116] 所述几何模型单元11用于得到存在沉积层的圆管形成的沉积管中流体的几何模型。

[0117] 所述参数确定单元12用于定义并确定所述流体的雷诺数。

[0118] 所述求解分析单元13用于根据所述雷诺数对所述几何模型进行数值计算和流场分析。其中，所述流场分析包括平均流场分析和流场分析。

[0119] 本发明根据沉积管的结构特点构建了用于分析流体流场的几何模型，并通过数值计算得到沉积管中的流体的流动状态数值，进一步对沉积管流体的流动状态数值分布进行流场分析，可实现从理论上分析具有不同沉积层厚度的沉积管中流体的流动特点，例如流场中的二次流以及二次流对流场的影响，进而研究工程中管道输运的颗粒沉积等问题。

[0120] 在优选的实施方式中，所述几何模型单元11进一步用于构建所述存在沉积层的圆管形成的沉积管中流体的几何模型。

[0121] 所述几何模型单元11在流体的几何模型建构过程中，可在不明显影响流场分析结果的条件下，按照一定规则对带有沉积层的沉积管中的流体流动进行简化得到沉积管中流体的几何模型，具体简化规则可包括以下几条：

[0122] (1)忽略颗粒在沉积管弧形壁面的附着和介质中析出物在管道中的复杂行为。

[0123] (2)假设沉积层在流体的冲刷下形成直线界面。

[0124] (3)假设沉积层不随流体流动而发生厚度、形状和位置的改变。

[0125] 由此，在构建几何模型时，可先画出表示沉积管的圆形以及表示沉积层与流体界面的直线，直线与圆相交，截去直线与圆相交形成的表示沉积层部分的区域得到几何模型截面，剩下部分沿沉积管轴向拉伸，即沿与截面垂直的方向拉伸形成需要的流体的几何模型。

[0126] 具体的，如图3和图4所示，所述流体的几何模型为水平设置的柱状体，所述柱状体的截面轮廓包括底端开口的圆弧和与所述开口的两端分别连接的水平设置的直线，所述直线与所述圆弧的距离根据所述沉积层的厚度确定。截面的上方为弧形边界，下侧为直线边界，二者形成了角度，随着下侧边界的上下移动，上、下侧边界的长度、直线与弧形边界形成的角度、截面面积、截面周长、截面水力直径等均发生相应变化。根据沉积层的厚度不同，可形成不同截面的几何模型，本实施例中的几何模型充分考虑了沉积管中沉积层对流体流动的影响，从而保证了流场分析结果的准确性。

[0127] 在优选的实施方式中，所述求解分析单元13具体用于对所述流体的几何模型进行网格划分，根据雷诺数设置网格划分后的几何模型得到分析模型，对所述分析模型进行数值计算。

[0128] 在优选的实施方式中，所述求解分析单元13进一步用于选定至少一种网格类型，将几何模型划分为多个区域或通过求解椭圆微分方程法对几何模型进行网格划分，对边界层区域的网格进行加密处理。

[0129] 其中，选定至少一种网格类型。例如，由于沉积管中几何模型包括弧形边界，可采用O型网格对几何模型进行网格划分，以适应弧形边界，得到高质量的网格。由于圆弧下方为直线边界且直线边界位置不固定，网格在圆心下方进行不同处理，例如可采用六面体和四面体网格，提高网格质量，提高数据模拟结果准确度。

[0130] 将几何模型划分为多个区域或通过求解椭圆微分方程法对几何模型进行网格划分。沉积管的几何模型包括弧形边界和直线边界，可将几何模型划分为多个区域，根据不同区域的几何结构特点选用不同的网格进行划分。

[0131] 对边界层区域的网格进行加密处理。可以理解的是，在流体力学中，边界层为人为划分的、流体靠近壁面流动的区域，在计算过程中，在壁面附近选定边界层的范围，对边界层的网格加密处理，优选的，边界层可采用指数形式进行加密。

[0132] 在优选的实施方式中，所述求解分析单元13具体用于根据所述流体的几何模型的截面尺寸和雷诺数确定所述流体的流体流动状态参数，在所述几何模型上设置所述流体流动状态参数和约束条件得到所述分析模型。

[0133] 其中，流体流动状态参数可包括流体流向平均速度。根据流体流向平均速度和几何模型的截面定义雷诺数，可用来表明流动状态。流体沿管道流动时，雷诺数定义为流向平均速度与管道水力直径的乘积与流体运动粘度之比。雷诺数小于临界雷诺数，流场为层流；雷诺数大于临界雷诺数，流场为湍流。当雷诺数处于过度区间，流场也将处于临界状态。当对沉积管中流体进行湍流流场分析时，通过确定流体形成湍流时的雷诺数，根据雷诺数与流体流向平均速度的关系可得到该流向平均速度的值，用于作为流体流动状态参数。

[0134] 在优选的实施方式中，所述求解分析单元13在所述几何模型上设置约束条件，具体的，可用于设置边界条件类型，设置流体的流体进口、出口以及流向，设置无滑移边界条件。

[0135] 具体的，边界条件类型可采用周期性边界条件或非周期性边界条件。为了防止流体发展不充分对计算结果的影响，优选的采用周期性边界条件。

[0136] 设置流体的流体进口、出口以及流向，即可在几何模型上设置流体进口和出口的流量、速度和压力等，流向方向设置为管道方向。

[0137] 设置无滑移边界条件，即几何模型沿沉积管延伸方向的边界采取无滑移边界条件。

[0138] 在优选的实施方式中，所述求解分析单元13具体可用于根据所述流体的速度分布和压力分布采用数值模拟模型得到压力修正模型，根据所述压力修正模型对所述流体的压力和速度进行修正，重复计算速度公布和压力分布直至满足预设的迭代条件得到流体流动的数值计算结果。

[0139] 其中，根据所述流体的速度分布和压力分布采用数值模拟模型得到压力修正模型。为了提高准确度，数值模拟模型必须体现雷诺应力的各向异性。优选的可求解Navier-Stokes(NS)方程，当对湍流流场分析时，可采用湍流模型求解平均流场，也可以采用亚格子应力模型对大尺度涡进行求解，还可以全尺度直接数值求解。当求解Navier-Stokes方程时，可选择雷诺应力输运模型和耗散率模型进行封闭。其中，可预先假定初始的速度分布和压力分布。

[0140] 根据所述压力修正模型对所述流体的压力和速度进行修正。根据假定的初始速度分布和压力分布，计算数值模拟模型中离散方程常数项并进一步求得压力修正方程，以对速度分布和压力分布进行修正，根据修正后的速度分布和压力分布进一步求解数据模拟模型中其他的离散化方程。

[0141] 重复计算速度公布和压力分布直至满足预设的迭代条件得到流体流动的数值计算结果。通过重复修正和计算实现迭代计算不断修正流体流动中的速度分布和压力分布直到满足预设的迭代条件得到流体流动的数值计算结果，该数值计算结果中包括了几何模型中不同位置流体的流动速度等流动状态参数，根据流体流动中各点的流动状态参数可分析得到沉积管中的流体状态。

[0142] 上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机设备，具体的，计算机设备例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

[0143] 在一个典型的实例中计算机设备具体包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的由客户端执行的方法，或者，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的由服务器执行的方法。

[0144] 下面参考图15，其示出了适于用来实现本申请实施例的计算机设备600的结构示意图。

[0145] 如图15所示，计算机设备600包括中央处理单元(CPU)601，其可以根据存储在只读存储器(ROM)602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器(RAM))603中的程序而执行各种适当的工作和处理。在RAM603中，还存储有系统600操作所需的各种程序和数据。CPU601、ROM602、以及RAM603通过总线604彼此相连。输入/输出(I/O)接口605也连接至总线604。

[0146] 以下部件连接至I/O接口605：包括键盘、鼠标等的输入部分606；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶反馈器(LCD)等以及扬声器等的输出部分607；包括硬盘等的存储部分608；以及包括诸如LAN卡，调制解调器等的网格接口卡的通信部分609。通信部分609经由诸如因特网的网格执行通信处理。驱动器610也根据需要连接至I/O接口606。可拆卸介质611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装如存储部分608。

[0147] 特别地，根据本发明的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括有形地包含在机器可读介质上的计算机程序，所述计算机程序包括用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分609从网格上被下载和安装，和/或从可拆卸介质611被安装。

[0148] 计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

[0149] 为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

[0150] 本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

[0151] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

[0152] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

[0153] 还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0154] 本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

[0155] 本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网格而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

[0156] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

[0157] 以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。