CN110175377B - 一种关于水翼云状空化的数值预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种关于水翼云状空化的数值预报方法，属于流体机械工程领域。本发明包括如下步骤：步骤一：流场计算域建立；步骤二：对步骤一建立的流场计算域进行网格划分，并进行网格无关性分析；步骤三：数值模型建立；步骤四：计算精度设置；步骤五：开展水翼云状空化数值计算过程，计算结束后对结果进行处理，将数值计算结果与实验结果进行对比，验证一种关于水翼云状空化的数值预报方法的准确性与可行性。本发能为叶片式水力机械非定常空化流动提供理论基础，并能解决如何设计高抗空化性能叶片式水力机械实际应用工程问题。

Description

一种关于水翼云状空化的数值预报方法

技术领域

本发明涉及水翼空化特性预报方法，尤其涉及基于ANSYS FLUENT平台二次开发的一种考虑三种组分的水翼云状空化精确数值预报方法，属于流体机械工程领域。

背景技术

空化是气核生长、失稳及溃灭的水动力过程。空化现象已经引起了许多工程领域研究开发人员的关注，空化在螺旋桨、鱼雷、水翼、泵以及透平的设计和运行过程中越来越受到重视。空泡的产生和溃灭过程通常会伴随着一些负面的效果，如振动噪声、性能下降、材料表面的破坏，以及影响流动的非定常特性或者动态响应特性。对于水力机械而言，即使在正常的工作条件下，空化现象也是难以避免的。水力机械如果长期运行在空化条件下，会造成其过流部件表面材料破坏，严重时会造成水力机械过流部件的损坏，甚至造成巨大的安全事故。

空化问题的研究手段主要有实验方法和数值模拟技术，但采用实验的方法研究空化的某些非定常特征有时会比较困难(如两相间界面的运动)，在这种趋势下，数值计算无疑是一种理想的研究方法。数值求解粘性流体力学控制方程，不但可以考虑到流动过程的粘性影响，更重要的是不必包含势流方法中的非物理空泡封闭假设。这一方法的发展过程中，湍流模型和空化模型的研究一直是其重点。当前在工程问题中广泛使用的双方程湍流模型(如k-ε和k-ω模型)在空化流数值计算中无法准确地预测大尺度空泡脱落并向下游移动的现象，从而造成模拟结果与实验结果偏差较大；另一方面，当前在诸多商业软件中广泛使用的基于输运方程和单一球形空泡动力学方程的空化模型对空化流动的数值计算也存在一定的局限性。

由于常见空化模型中的空泡动力学模型的过度限制，使得数值计算结果中的空穴发展不充分。由此可见，空化模型和湍流模型的发展与改善是利用空泡流动数值模拟技术改善水力机械性能的一个极具挑战的突破点和关键点，对缩短新产品开发与实验周期及不必要的资源浪费具有重要意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提出一种高效的云状空化数值预测方法，该方法能够实现对云状空化非定常流动特性进行准确预估，从而为叶片式水力机械非定常空化流动提供理论基础，并能解决如何设计高抗空化性能叶片式水力机械实际应用工程问题。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种关于水翼云状空化的数值预报方法，其特征在于它包括以下步骤：

步骤一，流场计算域建立：

查阅所要研究翼型的结构参数，采用三维造型软件Pro/E进行几何建模，绘制流场计算域，并另存为.stp文件；

步骤二，计算域网格划分：

对步骤一建立的流场计算域进行网格划分，在翼型表面划分足够精细的边界层网格，并进行网格无关性验证；

步骤三，数值模型建立：

将最终网格文件导入到FLUENT软件，进行计算模型、工质、边界条件、计算方法及监测点信息设定；

步骤四，计算精度设置：

设置质量守恒方程收敛残差标准为四阶，动量方程、k方程与ω方程的收敛残差为五阶，以单相流的收敛结果作为定常空化计算的初始值，以定常空化的收敛结果作为非定常空化计算的初始值；

步骤五，基于步骤一至步骤四的设置开展水翼云状空化数值计算过程，计算结束后对结果进行处理，将数值计算结果与实验结果进行对比，从而验证一种关于水翼云状空化的数值预报方法的准确性与可行性。

还包括步骤六，利用步骤一至步骤四所述的一种关于水翼云状空化的数值预报方法，对云状空化非定常流动特征进行数值研究，以揭示叶片式水力机械云状空化流动规律及机理，从而为叶片式水力机械非定常空化流动提供理论基础，并能解决如何设计高抗空化性能叶片式水力机械实际应用工程问题。

所述步骤五具体实现方法包括如下步骤：

1)通过CFD-POST后处理平台，得到升阻力系数、空泡体积分数、速度及压力等流场信息；

2)通过对云状空化条件下翼型所受升阻力系数、空泡形态周期性演变的数值结果与相应实验测量值进行对比，验证这种预测水翼云状空化数值预报方法的准确性与可行性。

所述步骤二具体实现包括如下步骤：

1)将步骤一中的.stp文件导入到网格划分软件ICEM中，进行计算域边界进行定义；

2)构建拓扑块，并进行节点设置，在翼型表面四周设置足够多的网格节点，且根据y⁺＝1条件设定第一层网格厚度，重复操作划分四种不同数量的网格，分别命名为粗网格、中等网格、细网格及极细网格，输出.msh文件；

3)对四种网格进行网格无关性验证，以无空化条件下不同网格计算的压力系数为验证标准，前后两种网格计算得到的压力系数分布几乎一致时网格达到计算精度要求，从而得到最终的计算网格。

所述步骤三具体实现包括如下步骤：

1)FLUENT软件读入最终计算网格的.msh文件，检查网格质量，并依据实际尺寸确定是否需要比例缩放；

2)基于Navier-Stokes方程和相间质量传输模型的空化流动计算框架，湍流模型为基于SST k-ω的Delayed DES模型，空化模型为一种基于非线性Rayleigh-Plesset方程的改进模型，该模型考虑了相变时间及粘性效应的影响；相变时间依据湍流时间尺度建立，由速度应变率构建模型经验系数体现，粘性效应通过对空化临界压力进行修正体现，该模型采用C语言编写，再利用宏调用(DEFINE_MASS_TRANSFER)形式嵌入计算程序，模型基本方程组为：

上式中，L_∞为特征长度，U_∞为特征速度，C_c＝1.0，S_max为偏应力张量τ_ij对应矩阵的最大特征值；

3)设置第一相为water-liquid，第二相为water-vapor，计算域进口采用速度进口条件，出口采用压力出口条件，压力值依据空化数获得，设置参考压力为0Pa，其余壁面为无滑移边界；

4)压力-速度耦合方程采用PISO算法；压力插值采用PRESTO！格式；动量方程、湍动能、耗散率及空泡体积分数求解均采用QUICK格式。

本发明有如下有益效果：

1)本发明涉及一种关于水翼云状空化的数值预报方法，该方法中湍流模型首次使用基于SST k-ω的Delayed DES模型，空化模型为一种基于非线性Rayleigh-Plesset方程的改进模型，通过对FLUENT二次开发，将空化模型嵌入到计算框架中。

2)本发明涉及的一种关于水翼云状空化的数值预报方法，利用其计算得到的水翼云状空化非定常物理信息与实验测量值吻合较好，验证了该方法的准确性与可行性。

3)本发明涉及的一种关于水翼云状空化的数值预报方法，可利用其对叶片式水力机械空化流动进行仿真计算，以揭示叶片式水力机械云状空化流动规律及机理，从而为叶片式水力机械非定常空化流动提供理论基础，并能解决如何设计高抗空化性能叶片式水力机械实际应用工程问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的一种关于水翼云状空化的数值预报方法的流程图.

图2是本发明实施例中的二维Clark-Y翼型流场计算域。

图3是本发明实施例中的二维Clark-Y翼型流场计算域最终的网格示意图。

图4(a)(b)是本发明实施例中数值方法准确性验证图；

图5是发明实施例中云状空化下数值仿真结果空泡云图与实验结果对比。

图6是发明实施例中云状空化下数值仿真结果静压及速度云图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-6，一种关于水翼云状空化的数值预报方法，其特征在于它包括以下步骤：

步骤一，流场计算域建立：

查阅所要研究翼型的结构参数，采用三维造型软件Pro/E进行几何建模，绘制流场计算域，并另存为.stp文件；

步骤二，计算域网格划分：

对步骤一建立的流场计算域进行网格划分，在翼型表面划分足够精细的边界层网格，并进行网格无关性验证；

步骤三，数值模型建立：

将最终网格文件导入到FLUENT软件，进行计算模型、工质、边界条件、计算方法及监测点信息设定；

步骤四，计算精度设置：

设置质量守恒方程收敛残差标准为四阶，动量方程、k方程与ω方程的收敛残差为五阶，以单相流的收敛结果作为定常空化计算的初始值，以定常空化的收敛结果作为非定常空化计算的初始值；

步骤五，基于步骤一至步骤四的设置开展水翼云状空化数值计算过程，计算结束后对结果进行处理，将数值计算结果与实验结果进行对比，从而验证一种关于水翼云状空化的数值预报方法的准确性与可行性。

还包括步骤六，利用步骤一至步骤四所述的一种关于水翼云状空化的数值预报方法，对云状空化非定常流动特征进行数值研究，以揭示叶片式水力机械云状空化流动规律及机理，从而为叶片式水力机械非定常空化流动提供理论基础，并能解决如何设计高抗空化性能叶片式水力机械实际应用工程问题。

所述步骤五具体实现方法包括如下步骤：

1)通过CFD-POST后处理平台，得到升阻力系数、空泡体积分数、速度及压力等流场信息；

2)通过对云状空化条件下翼型所受升阻力系数、空泡形态周期性演变的数值结果与相应实验测量值进行对比，验证这种预测水翼云状空化数值预报方法的准确性与可行性。

所述步骤二具体实现包括如下步骤：

1)将步骤一中的.stp文件导入到网格划分软件ICEM中，进行计算域边界进行定义；

2)构建拓扑块，并进行节点设置，在翼型表面四周设置足够多的网格节点，且根据y⁺＝1条件设定第一层网格厚度，重复操作划分四种不同数量的网格，分别命名为粗网格、中等网格、细网格及极细网格，输出.msh文件；

3)对四种网格进行网格无关性验证，以无空化条件下不同网格计算的压力系数为验证标准，前后两种网格计算得到的压力系数分布几乎一致时网格达到计算精度要求，从而得到最终的计算网格。

所述步骤三具体实现包括如下步骤：

1)FLUENT软件读入最终计算网格的.msh文件，检查网格质量，并依据实际尺寸确定是否需要比例缩放；

2)基于Navier-Stokes方程和相间质量传输模型的空化流动计算框架，湍流模型为基于SST k-ω的Delayed DES模型，空化模型为一种基于非线性Rayleigh-Plesset方程的改进模型，该模型考虑了相变时间及粘性效应的影响；相变时间依据湍流时间尺度建立，由速度应变率构建模型经验系数体现，粘性效应通过对空化临界压力进行修正体现，该模型采用C语言编写，再利用宏调用DEFINE_CAVITATION_RATE形式嵌入计算程序，模型基本方程组为：

上式中，L_∞为特征长度，U_∞为特征速度，C_c＝1.0，S_max为偏应力张量τ_ij对应矩阵的最大特征值；

3)设置第一相为water-liquid，第二相为water-vapor，计算域进口采用速度进口条件，出口采用压力出口条件，压力值依据空化数获得，设置参考压力为0Pa，其余壁面为无滑移边界；

4)压力-速度耦合方程采用PISO算法；压力插值采用PRESTO！格式；动量方程、湍动能、耗散率及空泡体积分数求解均采用QUICK格式。

实施例2：

本实施例以国外公开的二维Clark-Y水翼为研究对象，Clark-Y翼型弦长c＝70mm，其最大相对弯度为11.71％，位于28％c位置，最大相对曲面为3.43％，位于42.0％c位置。本实施例中一种关于水翼云状空化的数值预报方法的流程图，如图1所示，具体实施步骤如下：

步骤一：流场计算域建立

以二维Clark-Y翼型为研究对象，确定翼型结构参数，采用三维造型软件Pro/E进行几何建模，绘制流场计算域，输出.stp格式文件，计算域宽度为2.7c，长度为10c，如图2所示。

步骤二：计算域网格划分

对步骤一建立的流场计算域进行网格划分，在翼型表面划分足够精细的边界层网格，并进行网格无关性验证。具体如下：

1)将步骤一中的.stp文件导入到网格划分软件ICEM中，进行计算域边界进行定义，分别定义矩形计算域左右两侧为进口(inlet)与出口(outlet)，上下两侧为壁面(wall)，翼型同样为壁面(wall)；

2)构建拓扑块，并进行节点设置，在翼型表面四周设置足够多的网格节点，且根据y+＝1条件设定第一层网格厚度d＝0.001mm，重复操作划分四种不同数量的网格，分别命名为粗网格、中等网格、细网格及极细网格，输出.msh文件；

3)对四种网格进行网格无关性验证，以无空化条件下不同网格计算的压力系数为验证标准，前后两种网格计算得到的压力系数分布几乎一致时网格达到计算精度要求，从而得到最终的计算网格，如图3所示；

步骤三：数值模型建立

1)将最终网格文件导入到FLUENT，进行计算模型、工质、边界条件、计算方法及监测点信息设定。具体如下：

2)FLUENT软件读入最终计算网格的.msh文件，检查网格质量，ICEM中网格划分采用mm制，而在FLUENT软件中单位默认为m，对网格模型缩小0.001倍(Scaling Factors)；

3)基于Navier-Stokes方程和相间质量传输模型的空化流动计算框架，湍流模型为基于SST k-ω的Delayed DES模型，空化模型为一种基于非线性Rayleigh-Plesset方程的改进模型，该模型考虑了相变时间及粘性效应的影响。相变时间依据湍流时间尺度建立，由速度应变率构建模型经验系数体现，粘性效应通过对空化临界压力进行修正体现，该模型采用C语言编写，再利用宏调用(DEFINE_CAVITATION_RATE)形式嵌入计算程序，模型基本方程组为

上式中，L_∞为特征长度，U_∞为特征速度，C_c＝1.0，S_max为偏应力张量τ_ij对应矩阵的最大特征值。

3)设置第一相为water-liquid，第二相为water-vapor，计算域进口采用速度进口条件，给定速度Uin＝10m/s，出口采用压力出口条件，压力值依据空化数获得，设置参考压力为0Pa，其余壁面为无滑移边界；

4)压力-速度耦合方程采用PISO算法；压力插值采用PRESTO！格式；动量方程、湍动能、耗散率及空泡体积分数求解均采用QUICK格式；

步骤四：计算精度设置

设置质量守恒方程收敛残差标准为四阶，动量方程、k方程与ω方程的收敛残差为五阶，以单相流的收敛结果作为定常空化计算的初始值，以定常空化的收敛结果作为非定常空化计算的初始值。

步骤五：基于步骤一至步骤四的设置开展水翼云状空化数值计算过程，计算结束后对结果进行处理，将数值计算结果与实验结果进行对比，从而验证一种关于水翼云状空化的数值预报方法的准确性与可行性。具体如下：

1)通过CFD-POST后处理平台，得到升阻力系数、空泡体积分数、速度及压力等流场信息；

2)通过对云状空化条件下翼型所受升阻力系数、空泡形态周期性演变的数值结果与相应实验测量值进行对比，具体如图4所示，为发明实施例中数值方法准确性验证图，升阻力系数计算值与实验结果拟合较好，验证这种预测水翼云状空化数值预报方法的准确性与可行性。

步骤六：数值结果后处理展示如图5与图6所示，分别为本发明实施例中云状空化一个周期内空泡形态周期性演变与实验结果的对比，以及相应的压力云图和速度云图。针对这些流场结果，利用步骤一至步骤四所述的一种关于水翼云状空化的数值预报方法，对云状空化非定常流动特征进行数值研究，以揭示叶片式水力机械云状空化流动规律及机理，从而为叶片式水力机械非定常空化流动提供理论基础，并能解决如何设计高抗空化性能叶片式水力机械实际应用工程问题。

Claims (4)

1.一种关于水翼云状空化的数值预报方法，其特征在于它包括以下步骤：

步骤一，流场计算域建立：

查阅所要研究翼型的结构参数，采用三维造型软件Pro/E进行几何建模，绘制流场计算域，并另存为.stp文件；

步骤二，计算域网格划分：

对步骤一建立的流场计算域进行网格划分，在翼型表面划分足够精细的边界层网格，并进行网格无关性验证；

步骤三，数值模型建立：

将最终网格文件导入到FLUENT软件，进行计算模型、工质、边界条件、计算方法及监测点信息设定；

步骤四，计算精度设置：

设置质量守恒方程收敛残差标准为四阶，动量方程、k方程与ω方程的收敛残差为五阶，以单相流的收敛结果作为定常空化计算的初始值，以定常空化的收敛结果作为非定常空化计算的初始值；

步骤五，基于步骤一至步骤四的设置开展水翼云状空化数值计算过程，计算结束后对结果进行处理，将数值计算结果与实验结果进行对比，从而验证一种关于水翼云状空化的数值预报方法的准确性与可行性；

所述步骤三具体实现包括如下步骤：

1)FLUENT软件读入最终计算网格的.msh文件，检查网格质量，并依据实际尺寸确定是否需要比例缩放；

2)基于Navier-Stokes方程和相间质量传输模型的空化流动计算框架，湍流模型为基于SST k-ω的Delayed DES模型，空化模型为一种基于非线性Rayleigh-Plesset方程的改进模型，该模型考虑了相变时间及粘性效应的影响；相变时间依据湍流时间尺度建立，由速度应变率构建模型经验系数体现，粘性效应通过对空化临界压力进行修正体现，该模型采用C语言编写，再利用宏调用DEFINE_CAVITATION_RATE形式嵌入计算程序，模型基本方程组为：

上式中，L_∞为特征长度，U_∞为特征速度，C_c＝1.0，S_max为偏应力张量τ_ij对应矩阵的最大特征值；

3)设置第一相为water-liquid，第二相为water-vapor，计算域进口采用速度进口条件，出口采用压力出口条件，压力值依据空化数获得，设置参考压力为0Pa，其余壁面为无滑移边界；

4)压力-速度耦合方程采用PISO算法；压力插值采用PRESTO格式；动量方程、湍动能、耗散率及空泡体积分数求解均采用QUICK格式。

2.根据权利要求1所述一种关于水翼云状空化的数值预报方法，其特征在于：还包括步骤六，利用步骤一至步骤四所述的一种关于水翼云状空化的数值预报方法，对云状空化非定常流动特征进行数值研究，以揭示叶片式水力机械云状空化流动规律及机理，从而为叶片式水力机械非定常空化流动提供理论基础，并能解决如何设计高抗空化性能叶片式水力机械实际应用工程问题。

3.根据权利要求1所述一种关于水翼云状空化的数值预报方法，其特征在于：所述步骤五具体实现方法包括如下步骤：

1)通过CFD-POST后处理平台，得到升阻力系数、空泡体积分数、速度及压力流场信息；

2)通过对云状空化条件下翼型所受升阻力系数、空泡形态周期性演变的数值结果与相应实验测量值进行对比，验证这种预测水翼云状空化数值预报方法的准确性与可行性。

4.根据权利要求1或2所述一种关于水翼云状空化的数值预报方法，其特征在于：所述步骤二具体实现包括如下步骤：

1)将步骤一中的.stp文件导入到网格划分软件ICEM中，进行计算域边界进行定义；

2)构建拓扑块，并进行节点设置，在翼型表面四周设置足够多的网格节点，且根据y⁺＝1条件设定第一层网格厚度，重复操作划分四种不同数量的网格，分别命名为粗网格、中等网格、细网格及极细网格，输出.msh文件；

3)对四种网格进行网格无关性验证，以无空化条件下不同网格计算的压力系数为验证标准，前后两种网格计算得到的压力系数分布几乎一致时网格达到计算精度要求，从而得到最终的计算网格。

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