CN105022879B - 一种离心泵非定常特性的联合仿真分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离心泵非定常特性的联合仿真分析方法，具体是一种考虑到水机电共同耦合作用下，运行转速变化时离心泵非定常特性的数值模拟方法。采用的双向同步联合仿真方法是在Matlab和Fluent之间建立TCP/IP通信协议，实现系统参数实时同步传输，使得UDF接收从Matlab发送而来的转速并赋值给叶轮上的某点作为计算初始值，同时，UDF发送计算得到的转矩给Matlab进行计算，形成计算的闭环回路，最终离心泵非定常特性。本发明考虑到水机电耦合作用对离心泵运行的影响，以及泵运行转速不稳定的工程实际，利用Matlab和FLUENT进行联合仿真求解离心泵非定常特性，得到更加精确可靠的计算结果。
Description
技术领域
本发明涉及一种计算机辅助分析离心泵内部流场的方法，具体是一种考虑到水机电共同耦合作用下离心泵转速变化运行时，联合两个仿真软件进行非定常分析的数值模拟方法。
背景技术
离心泵广泛应用于国民经济各部门以及航空航天等尖端技术领域，是一种重要的能量转换和流体输送装置。随着科学技术和经济的发展，要求对离心泵进行更为准确的性能预测，验证水泵设计优劣，从而确定下一步的设计与优化，最终得到符合设计要求的高性能产品。采用有效的方法预测离心泵性能，可以获得精度较高的泵性能预测结果，节省大量的时间、人力和财力，极大地缩短泵的试制周期和减少试制费用。
离心泵内部流动会随着时间的变化而变化，因此被称为非定常流动。本发明采用的非定常计算则是对离心泵内部流动过程瞬时状态的模拟，可较好地还原工程实际。
目前预测离心泵性能的方法一般采用CFD软件进行数值模拟，只考虑水力激振力对泵的影响。但在实际中，转子轴系力学特性、电极电磁力矩也是影响泵性能的重要因素。在以上水机电共同耦合作用下，离心泵运行转速是不稳定的，而CFD分析中一般将转速设置为恒定，并且忽略了电机和转子轴系的重要因素。因此，在分析过程中应当全面考虑水机电耦合作用的影响，以及泵运行转速不稳定的实际问题。同时，对离心泵内部流动采用非定常模拟方法，可直接反应离心泵转速变化的瞬时过程。因此本专利基于Fluent/Matlab-Simulink双向同步交替耦合求解模拟转速变化时离心泵运行情况，使模拟的过程更加符合工程实际。
经检索，关于联合仿真方法相关的申报专利有：MATLAB自定义模型和PSASP联合仿真的励磁系统仿真方法及系统，申请号：CN201410154014.9。一种继电器用多有限元软件联合仿真分析方法，申请号：CN200910072311.8。一种离心泵流动诱导噪声数值预测方法，申请号：CN201310503029.7。目前这些专利中，还没有考虑到离心泵转速变化，以及轴和电机对泵运行的影响，并且也没有关于泵的联合仿真分析方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：能够较好地克服传统计算方法中未考虑电机和转轴对泵内部流动的影响以及忽视泵运行时转速变化等缺点。
本发明的技术方案：为了解决以上技术问题，本发明提供了一种离心泵非定常特性的联合仿真分析方法。在离心泵性能试验的试验结果的基础上，对流体域建模并设置计算边界条件，采用Pro/E软件对流体域进行三维造型，且在非定常计算过程中，基于TCP/IP通信协议实现Matlab和Fluent的数据交互从而进行联合仿真，并采用大涡模拟与有限元相结合，具体包括以下步骤：
步骤1)对模型泵做外特性试验，取得数值计算时所需的边界条件数据；
步骤2)根据泵—轴系—电机模型图，采用Pro/E软件对泵水体进行三维造型；
步骤3)运用ICEM软件对水体的三维模型进行网格划分，采用结构化六面体网格进行网格划分，并对复杂流动区域进行局部加密；
步骤4)在Matlab/Simulink中利用软件自有的丰富的模块库建立轴系——电机仿真模型，用于Matlab的等步长计算。
步骤5)基于TCP/IP通信协议，设计Fluent用户自定义函数的算法，接收从Matlab发送而来的转速并赋值给叶轮上的某点作为该时间步内非定常计算的初始值，同时，将计算得到的转矩发送给Matlab；
步骤6)Fluent用户自定义函数的源程序编写完成后，通过联合Visual Studio混合编程后生成格式为.dll的动态链接库文件，即可加载到Fluent用户自定义模块中供计算前设置时使用，Fluent设定为非定常计算，且每个时间步执行一次数据传输和赋值；
步骤7)基于TCP/IP通信协议，设计Matlab用户自定义函数的算法，接收从FLUENT发送而来的转矩并赋值给电机作为该时间步内非定常计算的初始值，同时，将计算得到的转速发送给FLUENT，Matlab设定为等步长计算，且每个时间步执行一次数据传输和赋值；
步骤8)Matlab用户自定义函数的源程序编写完成后，通过联合Visual Studio混合编程后生成格式为.mexw64的动态链接库文件，即可加载到Matlab用户自定义模块中供计算前设置时使用；
步骤9)计算前先进行设置：湍流模型设置为大涡模拟，根据计算工况边界条件采用速度进口，自由出流，忽略壁面粗糙度，叶轮区域旋转速度设置为用户自定义函数，旋转区域(叶轮水体)和静止区域(叶轮与蜗壳间隙水体)的交界面选取滑移网格模型，Matlab与Fluent时间步长和迭代次数均一致，叶轮每旋转2度为一个时间步，共旋转60度，仿真开始首先启动FLUENT，若仿真结果与试验值不吻合，则重新执行步骤3-5)修改边界条件并仿真。
本发明的有益效果是：
(1)本发明对离心泵非定常特性进行联合仿真分析求解，结果准确可靠，可以减少试验次数，缩短研发周期，大大减少设计和优化过程中耗费的时间、人力和财力，节约开发成本，有效提高离心泵的设计质量，得到更加符合设计要求的高性能产品。
(2)本发明考虑到水机电共同耦合作用的影响，弥补了传统方法未考虑电机和转轴对泵内部流动的影响带来的不足，求解得到的泵的非定常特性更符合工程实际，数值模拟的结果更加可靠。
(3)本发明采用Fluent/Matlab联合双向仿真，Matlab模拟出电机的瞬时转速，并传递给Fluent计算出转速变化时泵的转矩，弥补了传统数值模拟未考虑泵运行时转速不稳定的缺点，从而精确地计算出泵的非定常特性。
附图说明
图1泵—轴系—电机模型图
图2Fluent用户自定义函数程序流程图
图3Matlab用户自定义函数程序流程图
图4FLUENT与Matlab接口实现示意图
图中，1、水泵基座；2、水泵叶轮；3、水泵进口；4、水泵蜗壳；5、水泵出口；6、轴；7、电机
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
对模型泵做外特性试验，取得数值计算时所需的边界条件数据。泵—轴系—电机模型如图1所示，其中，图中1为水泵基座，2为水泵叶轮，3为水泵进口，4为水泵蜗壳，5为水泵出口，6为轴，7为电机，根据图1采用Pro/E软件对泵水体进行三维造型。
运用ICEM软件对水体的三维模型进行网格划分，采用结构化六面体网格进行网格划分，并对复杂流动区域进行局部加密。
基于TCP/IP通信协议，设计Fluent用户自定义函数的算法，其内容是C++源程序，编写具有规定的格式。程序前要包含udf.h头文件，通过用户自定义函数规定的宏命令读写模型参数。WinSock通信函数嵌入在用户自定义函数中，需包含stdafx.h、winsock.h、windows.h、stdio.h、stdlib.h几个头文件。程序采用套接字作为Fluent和Matlab通讯连接中的一个端点，进行数据的接收和发送。Fluent用户自定义函数程序流程图如图2所示，首先定义程序中需使用的变量，创建套接字并根据指定的端口填充本地地址，然后绑定套接字，验证是否与服务器端建立关联，从而判断程序是否向下进行；套接字成功绑定后，通过一系列宏命令获取负载转矩信号，并向Matlab发送负载转矩的数据。同时，Fluent用户自定义函数通过套接字的传递接收Matlab发送来的转速数据。通过宏命令将转速赋值到边界条件中用于Fluent的非定常计算。Fluent设定为非定常计算，且每个时间步执行一次数据传输和赋值。
Fluent用户自定义函数的源程序编写完成后，通过联合Visual Studio混合编程后生成格式为.dll的动态链接库文件，即可加载到Fluent用户自定义模块中供计算前设置时使用。
在Matlab/Simulink中利用软件自有的丰富的模块库建立轴系——电机仿真模型。基于TCP/IP通信协议，设计Matlab用户自定义函数的算法，其内容是C++源程序，编写具有规定的格式。WinSock通信函数嵌入在用户自定义函数中，需包含stdafx.h、winsock.h、windows.h、stdio.h、stdlib.h几个头文件。程序采用套接字作为Fluent和Matlab通讯连接中的一个端点，进行数据的接收和发送。Matlab用户自定义函数程序流程图如图3所示，在初始化函数中初始化套接字以及程序需使用的变量，在采样时间函数中设置程序采样时间，在输出函数中编写数据的接收和发送程序，程序通过一系列宏命令将计算所得的转速数据传递给Fluent，以及接收Fluent计算所得的转矩数据作为下一步计算所需的初始值，最后释放套接字完成通信环节。Matlab设定为等步长计算，且每个时间步执行一次数据传输和赋值。
Matlab用户自定义函数的源程序编写完成后，通过联合Visual Studio混合编程后生成格式为.mexw64的动态链接库文件，即可加载到Matlab用户自定义模块中供计算前设置时使用。
将水泵模型导入Fluent，计算前先进行设置：湍流模型为大涡模拟，根据计算工况边界条件采用速度进口，自由出流，忽略壁面粗糙度，叶轮区域旋转速度设置为用户自定义函数，旋转区域(叶轮水体)和静止区域(叶轮与蜗壳间隙水体)的交界面选取滑移网格模型，Matlab与Fluent时间步长和迭代次数均一致，叶轮每旋转2度为一个时间步，共旋转60度。仿真开始首先启动FLUENT。
若仿真结果与试验值不吻合，则重新修改边界条件并仿真。
Fluent与Matlab接口实现如图4所示，分别在Fluent和Matlab各自的用户自定义函数中中嵌入网络通信函数，实现两个软件之间的数据传输，使得Fluent接收从Matlab发送而来的转速并赋值给叶轮上的某点作为计算初始值，同时，Fluent发送计算得到的转矩给Matlab进行计算，形成计算的闭环回路。传统的离心泵内部流场非定常计算方法均将叶轮转速设置为常数，而本发明由于考虑到电机与转轴会影响泵的正常运行，导致转速不稳定，因此每个时间步内Fluent计算得到的转矩和Matlab的转速会相互影响而变化，从而得到转速变化的情况下离心泵内部流场的瞬态结果。此联合仿真方法可较好地还原工程实际，得到可靠的计算结果。
Claims (2)
1.一种离心泵非定常特性的联合仿真分析方法，在离心泵性能试验的试验结果的基础上，对流体域建模并设置计算边界条件，其特征在于：采用Pro/E软件对流体域进行三维造型，且在非定常计算过程中，采用计算流体力学方法与有限元相结合，包括以下步骤：
步骤1)对模型泵做外特性试验，取得数值计算时所需的边界条件数据；
步骤2)根据泵—轴系—电机模型图，采用Pro/E软件对泵水体进行三维造型；
步骤3)运用ICEM软件对水体的三维模型进行网格划分，采用结构化六面体网格进行网格划分，并对复杂流动区域进行局部加密；
步骤4)计算前处理：根据计算工况边界条件采用速度进口、自由出流，忽略壁面粗糙度，叶轮区域旋转速度设置为用户自定义函数，叶轮水体和叶轮与蜗壳间隙水体的交界面选取滑移网格模型；
步骤5)在Matlab的Simulink中利用软件自有模块库建立轴系—电机仿真模型；
步骤6)启动Fluent和Matlab进行联合仿真求解离心泵非定常特性，若仿真结果与试验值不吻合，则重新执行步骤4)修改边界条件并仿真；
所述Fluent和Matlab进行的联合仿真求解包括以下步骤：
步骤6-1)基于TCP/IP通信协议，设计Fluent用户自定义函数的算法，接收从Matlab发送而来的转速并赋值给叶轮上的某点作为时间步内非定常计算的初始值，同时，将计算得到的转矩发送给Matlab；
步骤6-2)Fluent用户自定义函数的源程序编写完成后，通过联合Visual Studio混合编程后生成格式为.dll的动态链接库文件，即可加载到Fluent用户自定义模块中供计算前设置时使用，Fluent设定为非定常计算，且每个时间步执行一次数据传输和赋值；
步骤6-3)基于TCP/IP通信协议，设计Matlab用户自定义函数的算法，接收从FLUENT发送而来的转矩并赋值给电机作为该时间步内非定常计算的初始值，同时，将计算得到的转速发送给FLUENT，Matlab设定为等步长计算，且每个时间步执行一次数据传输和赋值；
步骤6-4)Matlab用户自定义函数的源程序编写完成后，通过联合Visual Studio混合编程后生成格式为.mexw64的动态链接库文件，即可加载到Matlab用户自定义模块中供计算前设置时使用；
步骤6-5)Matlab与Fluent时间步长和迭代次数均一致，叶轮每旋转2度为一个时间步，共旋转60度。
2.根据权利要求1所述的一种离心泵非定常特性的联合仿真分析方法，其特征在于：所述的非定常计算采用的计算流体力学方法是大涡模拟。
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