CN110096812A - 一种基于cfd平台的离心泵汽蚀性能自动模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CFD平台的离心泵汽蚀性能自动模拟方法，包含以下步骤：1）对离心泵的全流道计算域进行三维造型；2）对离心泵的全流道计算域三维模型进行非结构化网格划分；3）将离心泵的全流道计算域的网格文件导入至CFX软件中，设置无汽蚀模型的定义文件；4）在步骤3）的基础上设置汽蚀模型定义文件；5）创建批量计算文件，在CFX软件上执行Tools/Command line/perl*回车即可实现离心泵汽蚀性能自动模拟。本发明保证整个模拟过程无需人工介入，即可实现连续、自动、准确地模拟离心泵汽蚀性能，有效减少模拟计算过程中因停顿而浪费的时间，缩短研发周期。
Description
技术领域
本发明涉及一种水力机械汽蚀性能的模拟方法，尤其是涉及一种基于CFD平台的离心泵汽蚀性能自动模拟方法。
背景技术
离心泵是一种被广泛应用于农业灌溉、城市供水等生产、生活部门的水力机械。近年来，随着国内外基础建设事业的飞速发展，离心泵的使用量也随之剧增，然而，由于长时间运行与工作环境的恶劣等原因，汽蚀现象已成为离心泵机组高效、稳定运行的主要障碍。
众所周知，汽蚀问题一直是离心泵设计中的一个难点，也一直是国内外科研机构和学者的研究热点，目前的研究方法集中在实验方法与数值模拟方法。近年来，随着CFD技术的发展，数值模拟已发展成为离心泵汽蚀性能预测、分析的重要手段。
目前，市面上能实现数值模拟的CFD软件多种多样，而其中的CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型CFD软件，它具有丰富的物理模型，精确、可靠的模拟精度，强大的并行计算能力与后处理功能，因此被广泛应用于水力机械、航空航天、汽车等领域，解决了大量的实际问题。但是，在利用CFX进行离心泵汽蚀性能数值模拟时，常规的模拟过程需要人工介入，采用人为逐步降低进口总压的方法，即设置一系列的进口总压值定义文件，且通过人工不断加载初始条件来模拟离心泵汽蚀性能，直到找到扬程下降3%时对应的汽蚀余量。因此，传统方法要求人工重复设置多个汽蚀模型文件，且时刻监测模拟状态，一旦前一个进口压力值下模拟计算收敛并停止，而研究人员不能第一时间将前一个压力值下的计算结果作为初始条件，实现手动启动后一个进口压力值文件进行计算时，势必造成不必要的时间浪费，增加研发周期与成本。故寻求一种行之有效、快速实现离心泵汽蚀性能自动模拟的方法，具有重要的经济价值。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种能够实现CFX软件对于离心泵汽蚀性能自动模拟，有效避免现有技术在不同进口压力值下重复设置汽蚀模型定义文件，导致文件混乱情况的发生的基于CFD平台的离心泵汽蚀性能自动模拟方法；它无需人工介入，可实现连续、自动、准确地模拟离心泵汽蚀性能，缩短研发周期，降低研发成本。
本发明采用的技术方案是：一种基于CFD平台的离心泵汽蚀性能自动模拟方法，包括如下步骤：
1) 对离心泵的全流道计算域进行三维造型，并将离心泵的全流道计算域的三维模型保存为*.igs文件；
2）将步骤1）得到的离心泵的全流道计算域的三维模型导入ICEM软件中进行非结构化网格划分，并将离心泵的全流道计算域的网格文件保存为*.cfx5文件；
3）将步骤2）得到的离心泵的全流道计算域的网格文件导入CFX软件中，选择无汽蚀模型的定常计算模式，设定液相物性材料为Water at 25℃，出口质量流量M*，进口总压P1，选取湍流计算模型标准 k-ε，设置收敛条件，定义需监测输出的扬程H，效率η，轴功率P的表达式，输出无汽蚀模型的定义文件*1.def；
4）在步骤3）的基础上，添加汽相物性材料Water vapor at 25℃，进口法兰处汽液两相物性材料的体积分数分别为0、1，选择Rayleigh-Plesset汽蚀模型和标准 k-ε湍流模型，设置收敛条件、最大迭代步数N*、水的饱和蒸汽压力Pv、空泡的平均直径及水的表面张力，定义需监测的装置汽蚀余量NPSHA的表达式，为进口总压P2编写控制离心泵进口压力变化的表达式：
P2=P*1[kg m^-1 s^-2] -997*9.8*A*step((m+0.1)-int(Accumulated Time Step/N))*int(Accumulated Time Step/ N)*1[kg m^-1 s^-2]- 997*9.8*m *step(int(Accumulated Time Step/ N)- (m+0.1))*1[kg m^-1 s^-2]-997*9.8*B*step(int(Accumulated Time Step/ N)-(m+0.1))*(int(Accumulated Time Step/ N)-m)*1[kg m^-1 s^-2]；
式中：P为初始进口总压；A为装置汽蚀余量开始时每次的变化量； m为装置汽蚀余量开始变化量的次数；B为靠近临界汽蚀余量时，装置汽蚀余量NPSHA为每次变化量；int（）为取整函数；Accumulated Time Step为计算时间步；step（）为单位阶跃函数，N为同一进口总压下迭代的步数；
输出汽蚀模型的定义文件*2.def，汽蚀模型的定义文件*2.def与无汽蚀模型的定义文件*1.def保存在同一文件夹内；
5）在放置汽蚀模型的定义文件*2.def和无汽蚀模型的定义文件*1.def的文件夹中创建一个批量计算文本，批量计算文本采用perl语言编写，保存批量计算文本为*.pl；
6）指定CFX的工作目录为放置*.pl文本的文件夹，在CFX软件中运行Tools/Commandline/perl *，实现离心泵汽蚀性能自动模拟过程，得到一系列进口压力值条件下离心泵的汽蚀性能计算结果，采用EXCEL软件绘制出汽蚀性能曲线。
上述的基于CFD平台的离心泵汽蚀性能自动模拟方法中，步骤1）中采用CAD-CREO软件对离心泵的全流道计算域进行三维造型。
上述的基于CFD平台的离心泵汽蚀性能自动模拟方法中，步骤3）中设置的收敛条件为1e-8。
上述的基于CFD平台的离心泵汽蚀性能自动模拟方法中，步骤4）中设置的收敛条件为1e-8；水的饱和蒸汽压力Pv为3574Pa，空泡的平均直径为2×10-6m，水的表面张力为0.0717N/m。
上述的基于CFD平台的离心泵汽蚀性能自动模拟方法中，步骤5）中，批量计算文本中指定解释器，写入运行数值模拟计算文件名称的命令，并将无汽蚀模型计算完成生成的结果文件作为汽蚀模型第一个进口压力值条件下计算时的初始条件，并指定并行计算使用内核数量。
上述的基于CFD平台的离心泵汽蚀性能自动模拟方法中，步骤6）中，首先计算无汽蚀模型的定义文件*1.def，当该文件计算收敛并停止生成结果文件*_001.res后，CFX软件将自动以结果文件*_001.res作为初始条件，计算带汽蚀模型的定义文件*2.def，此时便可实现汽蚀性能模拟计算连续进行，随着进口压力值的自动变化，最终得到一系列进口压力值条件下离心泵的汽蚀性能计算结果。
与现有技术相比， 本发明具有以下有益效果：本发明编制了为进口总压P2编写控制离心泵进口压力变化的表达式，并编写批量计算文本，实现了CFX软件对于离心泵汽蚀性能自动模拟，有效避免了现有技术在不同进口压力值下重复设置汽蚀模型定义文件，导致文件混乱情况的发生。
本发明编制了为进口总压P2编写控制离心泵进口压力变化的表达式，并编写批量计算文本，实现了CFX软件对于离心泵汽蚀性能自动模拟，整个模拟过程只需要一次人工输入进口总压；彻底解决了现有技术中人工手动频繁开启汽蚀模型定义文件进行定义进口总压的问题；解决前一个进口压力值下模拟计算收敛并停止后，不能及时进行下一进口压力值下的计算而浪费时间问题；提高了模拟效率。
本发明保证整个模拟过程无需人工介入，可实现连续、自动、准确地模拟离心泵汽蚀性能，缩短研发周期，降低研发成本。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的离心泵全流道计算域的三维造型图。
图3为本发明的离心泵全流道计算域的非结构化网格图。
图4为本发明的离心泵汽蚀性能曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的解释。
如图1所示，一种基于CFD平台的离心泵汽蚀性能自动模拟方法，包括如下步骤：
1）采用CAD-CREO软件对离心泵全流道计算域三维造型，并将离心泵的全流道计算域的三维模型保存为*.igs文件；如图2所示。
2）将步骤1）中得到的离心泵全流道计算域的三维模型导入ICEM软件中，进行全流道计算域的非结构化网格划分，并对复杂计算区域网格局部加密，并将离心泵的全流道计算域的网格文件保存为*.cfx5文件；如图3所示。
3）将离心泵全流道的网格文件*.cfx5导入至CFX软件中，选择无汽蚀模型的定常计算模式，给定液相物性材料为Water at 25℃，出口质量流量M*，进口总压P1，选取湍流计算模型标准 k-ε，设置收敛条件1e-8，定义需监测输出的扬程H，效率η，轴功率P的表达式，输出无汽蚀模型的定义文件*1.def。
4）在步骤3的基础上，添加汽相物性材料Water vapor at 25℃，进口法兰出汽液两相物性材料的体积分数分别为0、1，选择Rayleigh-Plesset汽蚀模型和标准 k-ε湍流模型，设置收敛条件1e-8，最大迭代步数N*，水的饱和蒸汽压力Pv为3574Pa，空泡的平均直径为2×10-6m，水的表面张力为0.0717N/m，定义需监测的装置汽蚀余量NPSHA的表达式，根据相关汽蚀余量标准预估离心泵汽蚀性能，为进口总压P2编写控制离心泵进口压力变化的表达式，P2=101280*1[kg m^-1 s^-2] -997*9.8*1.0*step(4.1-int(Accumulated TimeStep/1000))*int(Accumulated Time Step/1000)*1[kg m^-1 s^-2]- 997*9.8*4.0*step(int(Accumulated Time Step/1000)-4.1)*1[kg m^-1 s^-2]-997*9.8*0.2*step(int(Accumulated Time Step/1000)-4.1)*(int(Accumulated Time Step/1000)-4.0)*1[kgm^-1 s^-2]，式中：int（）为取整函数；Accumulated Time Step为计算时间步；step（）为单位阶跃函数；输出汽蚀模型的定义文件*2.def，汽蚀模型的定义文件*2.def与无汽蚀模型的定义文件*1.def置于同一文件夹下。
P2表达式为分段函数，随着计算时间步Accumulated Time Step的变化而改变，本例设置每计算1000步改变一次压力；为了计算时能相对快速、准确地“捕捉”到临界汽蚀余量点，装置汽蚀余量NPSHA［NPSHA=（P2-Pv）/ρ/g］开始为每次变化1m，变化4次。而在靠近临界汽蚀余量NPSHC时，装置汽蚀余量NPSHA为每次变化0.2m。
预估模型的临界汽蚀余量NPSHC约为5～6m，因此设置初始进口总压P为101280Pa，即初始装置汽蚀余量NPSHA约为10m，根据表达式将得到一系列装置汽蚀余量NPSHA为10m，9m，8m，7m，6m，5.8m，5.6m，5.4m，5.2，5.0......，利用步骤4）中的最大迭代步数为15000来结束整个模拟计算；或通过监测输出的扬程H是否已经下降3%，在15000步前强制结束模拟计算。
5）在放置汽蚀模型的定义文件*2.def和无汽蚀模型的定义文件*1.def的文件夹中创建一个批量计算文本，批量计算文本采用perl语言编写，批量计算文本中指定解释器，并写入运行数值模拟计算文件名称的命令，将无汽蚀模型计算完成生成的结果文件作为汽蚀模型第一个进口压力值条件下计算时的初始条件，设定并行计算使用内核数量；将批量计算文本保存为*.pl。
批量计算文本内容为：
#! perl -w
print "Running the run simulation\n";
system "cfx5solve -def run.def -par-local -partition 6";
print "Running the run-cavi simulation\n";
system "cfx5solve -def run-cavi.def -ini-file run_001.res -par-local -partition 6"。
6、指定CFX的工作目录为放置批量计算文本*.pl的文件夹，在CFX软件中运行Tools/Command line/perl *，实现离心泵汽蚀性能自动模拟，自动模拟过程中，首先计算无汽蚀模型的定义文件*1.def，当无汽蚀模型的定义文件计算收敛并停止生成结果文件*_001.res后，CFX软件自动以结果文件*_001.res作为初始条件，计算带汽蚀模型的定义文件*2.def，实现汽蚀性能模拟计算连续进行，随着进口压力值的自动变化，最终得到一系列进口压力值条件下离心泵的汽蚀性能计算结果，采用EXCEL软件便绘制出汽蚀性能曲线，如图4所示。
Claims (6)
1.一种基于CFD平台的离心泵汽蚀性能自动模拟方法，包括如下步骤：
1) 对离心泵的全流道计算域进行三维造型，并将离心泵的全流道计算域的三维模型保存为*.igs文件；
2）将步骤1）得到的离心泵的全流道计算域的三维模型导入ICEM软件中进行非结构化网格划分，并将离心泵的全流道计算域的网格文件保存为*.cfx5文件；
3）将步骤2）得到的离心泵的全流道计算域的网格文件导入CFX软件中，选择无汽蚀模型的定常计算模式，设定液相物性材料为Water at 25℃，出口质量流量M*，进口总压P1，选取湍流计算模型标准 k-ε，设置收敛条件，定义需监测输出的扬程H，效率η，轴功率P的表达式，输出无汽蚀模型的定义文件*1.def；
4）在步骤3）的基础上，添加汽相物性材料Water vapor at 25℃，进口法兰处汽液两相物性材料的体积分数分别为0、1，选择Rayleigh-Plesset汽蚀模型和标准 k-ε湍流模型，设置收敛条件、最大迭代步数N*、水的饱和蒸汽压力Pv、空泡的平均直径及水的表面张力，定义需监测的装置汽蚀余量NPSHA的表达式，为进口总压P2编写控制离心泵进口压力变化的表达式：
P2=P*1[kg m^-1 s^-2] -997*9.8*A*step((m+0.1)-int(Accumulated Time Step/N))*int(Accumulated Time Step/ N)*1[kg m^-1 s^-2]- 997*9.8*m *step(int(Accumulated Time Step/ N)- (m+0.1))*1[kg m^-1 s^-2]-997*9.8*B*step(int(Accumulated Time Step/ N)-(m+0.1))*(int(Accumulated Time Step/ N)-m)*1[kg m^-1 s^-2]；
式中：P为初始进口总压；A为装置汽蚀余量开始时每次的变化量； m为装置汽蚀余量开始变化量的次数；B为靠近临界汽蚀余量时，装置汽蚀余量NPSHA为每次变化量；int（）为取整函数；Accumulated Time Step为计算时间步；step（）为单位阶跃函数，N为同一进口总压下迭代的步数；
输出汽蚀模型的定义文件*2.def，汽蚀模型的定义文件*2.def与无汽蚀模型的定义文件*1.def保存在同一文件夹内；
5）在放置汽蚀模型的定义文件*2.def和无汽蚀模型的定义文件*1.def的文件夹中创建一个批量计算文本，批量计算文本采用perl语言编写，保存批量计算文本为*.pl；
6）指定CFX的工作目录为放置*.pl文本的文件夹，在CFX软件中运行Tools/Commandline/perl *，实现离心泵汽蚀性能自动模拟过程，得到一系列进口压力值条件下离心泵的汽蚀性能计算结果，采用EXCEL软件绘制出汽蚀性能曲线。
2.根据权利要求1所述的基于CFD平台的离心泵汽蚀性能自动模拟方法，步骤1）中采用CAD-CREO软件对离心泵的全流道计算域进行三维造型。
3.根据权利要求1所述的基于CFD平台的离心泵汽蚀性能自动模拟方法，步骤3）中设置的收敛条件为1e-8。
4.根据权利要求1所述的基于CFD平台的离心泵汽蚀性能自动模拟方法，步骤4）中设置的收敛条件为1e-8；水的饱和蒸汽压力Pv为3574Pa，空泡的平均直径为2×10-6m，水的表面张力为0.0717N/m。
5.根据权利要求1所述的基于CFD平台的离心泵汽蚀性能自动模拟方法，步骤5）中，批量计算文本中指定解释器，写入运行数值模拟计算文件名称的命令，并将无汽蚀模型计算完成生成的结果文件作为汽蚀模型第一个进口压力值条件下计算时的初始条件，并指定并行计算使用内核数量。
6.根据权利要求1所述的基于CFD平台的离心泵汽蚀性能自动模拟方法，步骤6）中，首先计算无汽蚀模型的定义文件*1.def，当该文件计算收敛并停止生成结果文件*_001.res后，CFX软件将自动以结果文件*_001.res作为初始条件，计算带汽蚀模型的定义文件*2.def，此时便可实现汽蚀性能模拟计算连续进行，随着进口压力值的自动变化，最终得到一系列进口压力值条件下离心泵的汽蚀性能计算结果。
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| CN110096812B (zh) | 2021-09-07 |
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