CN107808021A - 基于cfd的流体设备的阻力计算方法 - Google Patents

基于cfd的流体设备的阻力计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于CFD的流体设备的阻力计算方法，包括：将流体设备划分为多个流动相对独立的区域；对每一个区域单独划分网格；基于每一个区域的网格通过CFD软件进行CFD分析，得到一组流量‑阻力数据；利用二次拟合得到每一个区域的流量和阻力的曲线；将所述多个流动相对独立的区域简化为多个具有不变的流通截面积的模型；S6：对简化几何模型划分网格，在CFD软件中，基于所述二次拟合得到的拟合系数为每一个具有不变的流通截面积的模型添加阻力源项；S7：基于简化几何模型的网格通过CFD软件进行CFD分析，得到流体设备的初步阻力值。通过本发明的阻力计算方法，既能降低人工和计算机资源的消耗，又可以提高计算精度。

Description

基于CFD的流体设备的阻力计算方法
技术领域
本发明涉及计算机辅助工程(CAE)领域，具体地涉及一种基于CFD的流体设备的阻力计算方法，更具体地涉及一种基于CFD的复杂热工流体设备的阻力计算方法。
背景技术
热工流体系统大多是由管道、阀门以及主设备组合而成。系统中工质流动的动力通常来自于泵或压缩机，并且与其它部件产生的流动阻力匹配。在设计阶段，为了动力设备的选型，必须预估系统的阻力。
对于管道、阀门等部件，由于结构相对简单，且具有一定的标准化和系列化特点，因此采用经验公式计算其阻力，能够满足精度要求。然而对于主设备，通常进行分块等效，使得每一部分的阻力都可以近似的采用相应的经验公式进行计算，这种方法的计算精度比较低，且对于结构复杂的设备，计算精度更低。
近年来，随着计算机辅助工程技术的发展，计算流体力学(CFD)得到了广泛应用，利用相关软件可以对流动进行模拟，能够获得流场的各种信息，如速度和压力的分布，由此可以进一步得到阻力信息。但是，由于CFD耗费的人工以及计算机的资源非常大，对于复杂的设备，应用仍存在较大困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于CFD的流体设备的阻力计算方法，其能够方便地对复杂的流体设备进行模拟。
本发明的目的还在于提供一种能够解决复杂热工流体设备阻力计算困难问题的基于CFD的流体设备的阻力计算方法。
本发明的目的还在于提供一种计算精度高并且计算资源消耗小的基 于CFD的流体设备的阻力计算方法。
根据本发明的实施例，提出了一种基于CFD的流体设备的阻力计算方法，基于流体设备的简化几何模型通过CFD软件计算流体设备的阻力值。
根据本发明的一个优选实施例，所述阻力计算方法包括如下步骤：
S1：将流体设备划分为多个流动相对独立的区域；
S2：对每一个区域单独建立几何模型，并划分网格；
S3：为每一个区域估算流量范围，在流量范围内选取4-6个流量值，基于每一个区域的网格通过CFD软件进行CFD分析，得到一组流量-阻力数据，所述流量-阻力数据包括所述4-6个流量值和与4-6个流量值对应的4-6个阻力值；
S4：利用每一个区域的所述流量-阻力数据进行二次拟合，得到每一个区域的流量和阻力的曲线；
S5：对流体设备的结构进行简化，将所述多个流动相对独立的区域简化为多个具有不变的流通截面积的模型，从而得到流体设备的简化几何模型；
S6：对简化几何模型划分网格，在CFD软件中，基于所述二次拟合得到的拟合系数为每一个具有不变的流通截面积的模型添加阻力源项；
S7：基于简化几何模型的网格通过CFD软件进行CFD分析，得到流体设备的初步阻力值；
S8：检查每一个具有不变的流通截面积的模型的流量是否在步骤S3中估算的流量范围内，若不在该流量范围内，则针对对应的区域重新选取4-6个流量值，从步骤S3开始重新执行；若在该流量范围内，则完成流体设备的阻力值的计算，上述初步阻力值即为流体设备的阻力值。
根据本发明的一个优选实施例，步骤S1中将流体设备划分为多个流动相对独立的区域包括将具有进口和出口的区域和/或结构上存在重复的区域划定为流动相对独立的区域。
根据本发明的一个优选实施例，在步骤S4中通过如下公式进行二次拟合：
其中Δp为阻力值，L为进口与出口之间的距离，Q为体积流量，s为 等效流通面积，c1、c2为两个拟合系数。
根据本发明的一个优选实施例，所述具有不变的流通截面积的模型为具有圆柱体、长方体或正方体形状的模型。
根据本发明的一个优选实施例，多个不变的流通截面积分别为多个流动相对独立的区域的等效流通面积s。
根据本发明的一个优选实施例，添加阻力源项采用二项式格式，将一次项系数设为c1，二次项系数设为c2。
根据本发明的一个优选实施例，在步骤S8中，检查每一个具有不变的流通截面积的模型的流量是否在4-6个流量值界定的流量区间内，若不在该流量区间内，则针对对应的区域重新选取4-6个流量值，从步骤S3开始重新执行；若在该流量区间内，则完成流体设备的阻力值的计算，上述初步阻力值即为流体设备的阻力值。
根据本发明的一个优选实施例，所述CFD软件包括Fluent、CFX、Star-CD和Numeca软件。
根据本发明的基于CFD的流体设备的阻力计算方法，其将一个复杂模型进行分解，使得每一部分的计算都相对简单，同时又保留流量与阻力的关系，使简化结构的流量分配与原始结构保持一致，因此得到的整体阻力值更加准确，具有较高的计算精度。由于复杂的部分已被简化，网格划分相对容易，且网格数量也大幅降低，因此降低了人工和计算机资源的消耗。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的基于CFD的流体设备的阻力计算方法的原理图；
图2为根据本发明的实施例的基于CFD的流体设备的阻力计算方法的流程图；
图3为根据本发明的实施例的流体设备的示意图；以及
图4为示出根据本发明的实施例的流体设备的简化几何模型的视图。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明的示例性的实施例，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。另外，在下面的详细描述中，为便于解释， 阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
根据本发明总体上的发明构思，提出了一种基于CFD的流体设备的阻力计算方法，基于流体设备的简化几何模型通过CFD软件计算流体设备的阻力值。
图1为根据本发明的实施例的基于CFD的流体设备的阻力计算方法的原理图，如图1所示，流体设备的原始结构被划分为多个流动相对独立的区域1、2、……，并且通过等效公式1、2、……对各个独立区域进行等效，形成等效结构，基于等效结构进行CFD计算分析，并通过修正流量及公式进行验算流量，重复上述步骤，最终得到流体设备的整体阻力。
图2为根据本发明的实施例的基于CFD的流体设备的阻力计算方法的流程图，如图2所示，所述阻力计算方法包括如下步骤：
S1：将流体设备划分为多个流动相对独立的区域；
S2：对每一个区域单独建立几何模型，并划分网格；
S3：为每一个区域估算流量范围，在流量范围内选取4-6个流量值，基于每一个区域的网格通过CFD软件进行CFD分析，得到一组流量-阻力数据，所述流量-阻力数据包括所述4-6个流量值和与4-6个流量值对应的4-6个阻力值；
S4：利用每一个区域的所述流量-阻力数据进行二次拟合，得到每一个区域的流量和阻力的曲线；
S5：对流体设备的结构进行简化，将所述多个流动相对独立的区域简化为多个具有不变的流通截面积的模型，从而得到流体设备的简化几何模型；
S6：对简化几何模型划分网格，在CFD软件中，基于所述二次拟合得到的拟合系数为每一个具有不变的流通截面积的模型添加阻力源项；
S7：基于简化几何模型的网格通过CFD软件进行CFD分析，得到流体设备的初步阻力值；
S8：检查每一个具有不变的流通截面积的模型的流量是否在步骤S3中估算的流量范围内，若不在该流量范围内，则针对对应的区域重新选取4-6个流量值，从步骤S3开始重新执行；若在该流量范围内，则完成流体 设备的阻力值的计算，上述初步阻力值即为流体设备的阻力值。
通过本发明的计算方法，复杂的流体设备被分解为多个部分，使得每一部分的计算都相对简单，同时又保留流量与阻力的关系，使简化结构的流量分配与原始结构保持一致，因此得到的整体阻力值更加准确，具有较高的计算精度。由于复杂的部分已被简化，网格划分相对容易，且网格数量也大幅降低，因此降低了人工和计算机资源的消耗。
以核电领域某大型热工水力实验台架为例，其中模拟反应堆压力容器的一个主要设备的结构非常复杂。整体尺寸在3m量级，而且内部有很多直径6mm量级的流道。另外，模拟堆芯阻力的部分结构也比较复杂，具有重复性。因此，对小流道和堆芯重复的部分分别建模，获得阻力公式；在带入简化后的整体模型中，成功的计算得到了整体流阻。
一般而言，CFD的计算量与网格数的平方成正比。在本实施例中，每个小流道计算所需网格为40万，共6个；堆芯重复的部分所需网格200万，共48个；简化的整体网格为1200万，如果直接进行完整的建模，计算量正比于：
(1200+40×6+200×48)２＝1.2e8。
而采用本发明的方法计算量正比于：
12002+402+2002＝1.48e6
可见，采用本发明的方法后，效率提高了1.2e8/1.48e6＝81倍。
有些情况下，直接建模的方法可能由于计算量太大，超过了计算机容量，计算甚至无法进行，而采用本发明的方法即可完成计算。
优选地，步骤S1中将流体设备划分为多个流动相对独立的区域包括将具有进口和出口的区域和/或结构上存在重复的区域划定为流动相对独立的区域。
具体地，在步骤S4中通过如下公式进行二次拟合：
其中Δp为阻力值，L为进口与出口之间的距离，Q为体积流量，s为等效流通面积，c1、c2为两个拟合系数。
在本发明的实施例中，所述具有不变的流通截面积的模型为具有圆柱体、长方体或正方体形状的模型，替代地，所述具有不变的流通截面积的 模型也可以为具有其它形状的模型。
在步骤S5中，多个不变的流通截面积分别为多个流动相对独立的区域的等效流通面积s。
根据本发明的一个优选实施例，添加阻力源项采用二项式格式，将一次项系数设为c1，二次项系数设为c2。
根据本发明的一个优选实施例，在步骤S8中，检查每一个具有不变的流通截面积的模型的流量是否在4-6个流量值界定的流量区间内，若不在该流量区间内，则针对对应的区域重新选取4-6个流量值，从步骤S3开始重新执行；若在该流量区间内，则完成流体设备的阻力值的计算，上述初步阻力值即为流体设备的阻力值。
根据本发明的一个优选实施例，所述CFD软件包括Fluent、CFX、Star-CD和Numeca软件。
下面以图3和4为例说明如何简化流体设备，图3为根据本发明的实施例的流体设备的示意图；图4为示出根据本发明的实施例的流体设备的简化几何模型的视图。如图3所示，流体设备的原始结构包括入口1和出口2，在流体设备中含有多个小尺度流道或重复结构3和复杂流道4。流体从上部左侧流入，经过多个小尺度流道或重复结构3(如一系列很细的管道)和复杂流道4后，从下部流出。
常规的阻力计算方法是针对整个流体设备的原始结构建立模型，然后基于该模型直接进行计算，在这种情况下，为了描述复杂的结构以及小尺度的结构，必须使用的大量的计算网格。而利用本发明的阻力计算方法，可以将其中的多个部分单独进行建模计算，原始结构被等效成结构相对简单的流道，如图4所示，多个小尺度流道或重复结构3和复杂结构4被等效为多个圆柱体形状的流道，进而划分网格计算，由此大大节约了计算资源，提高了效率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。
附图标记列表：
1 入口
2 出口
3 小尺度流道或重复结构
4 复杂流道。

Claims (9)

1.一种基于CFD的流体设备的阻力计算方法，其特征在于：基于流体设备的简化几何模型通过CFD软件计算流体设备的阻力值。
2.根据权利要求1所述的基于CFD的流体设备的阻力计算方法，其特征在于，所述阻力计算方法包括如下步骤：
S1：将流体设备划分为多个流动相对独立的区域；
S2：对每一个区域单独建立几何模型，并划分网格；
S3：为每一个区域估算流量范围，在流量范围内选取4-6个流量值，基于每一个区域的网格通过CFD软件进行CFD分析，得到一组流量-阻力数据，所述流量-阻力数据包括所述4-6个流量值和与4-6个流量值对应的4-6个阻力值；
S4：利用每一个区域的所述流量-阻力数据进行二次拟合，得到每一个区域的流量和阻力的曲线；
S5：对流体设备的结构进行简化，将所述多个流动相对独立的区域简化为多个具有不变的流通截面积的模型，从而得到流体设备的简化几何模型；
S6：对简化几何模型划分网格，在CFD软件中，基于所述二次拟合得到的拟合系数为每一个具有不变的流通截面积的模型添加阻力源项；
S7：基于简化几何模型的网格通过CFD软件进行CFD分析，得到流体设备的初步阻力值；
S8：检查每一个具有不变的流通截面积的模型的流量是否在步骤S3中估算的流量范围内，若不在该流量范围内，则针对对应的区域重新选取4-6个流量值，从步骤S3开始重新执行；若在该流量范围内，则完成流体设备的阻力值的计算，上述初步阻力值即为流体设备的阻力值。
3.根据权利要求2所述的基于CFD的流体设备的阻力计算方法，其特征在于：
步骤S1中将流体设备划分为多个流动相对独立的区域包括将具有进口和出口的区域和/或结构上存在重复的区域划定为流动相对独立的区域。
4.根据权利要求3所述的基于CFD的流体设备的阻力计算方法，其特征在于：
在步骤S4中通过如下公式进行二次拟合：
<mrow> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>p</mi> </mrow> <mi>L</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <msub> <mi>c</mi> <mn>1</mn> </msub> <mfrac> <mi>Q</mi> <mi>s</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>Q</mi> <mi>s</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow>
其中Δp为阻力值，L为进口与出口之间的距离，Q为体积流量，s为等效流通面积，c1、c2为两个拟合系数。
5.根据权利要求4所述的基于CFD的流体设备的阻力计算方法，其特征在于：
所述具有不变的流通截面积的模型为具有圆柱体、长方体或正方体形状的模型。
6.根据权利要求5所述的基于CFD的流体设备的阻力计算方法，其特征在于：
多个不变的流通截面积分别为多个流动相对独立的区域的等效流通面积s。
7.根据权利要求6所述的基于CFD的流体设备的阻力计算方法，其特征在于：
添加阻力源项采用二项式格式，将一次项系数设为c1，二次项系数设为c2。
8.根据权利要求7所述的基于CFD的流体设备的阻力计算方法，其特征在于：
在步骤S8中，检查每一个具有不变的流通截面积的模型的流量是否在4—6个流量值界定的流量区间内，若不在该流量区间内，则针对对应的区域重新选取4-6个流量值，从步骤S3开始重新执行；若在该流量区间内，则完成流体设备的阻力值的计算，上述初步阻力值即为流体设备的阻力值。
9.根据权利要求8所述的基于CFD的流体设备的阻力计算方法，其特征在于：
所述CFD软件包括Fluent、CFX、Star-CD和Numeca软件。
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