CN111104733A - 一种船用泵运行环境模拟系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种船用泵运行环境模拟系统及方法，属于流体机械数值计算领域。主要包括模型获取模块、运动规律获取模块和模型设置模块；运动规律获取模块根据模型获取模块建立的三维模型，获得船用泵摇摆规律和流体介质叶轮旋转轴位置变化规律；模型设置模块将运动规律和三维模型进行网格划分后得到的网格数据导入流体分析单元进行处理，模拟建立完整的船用泵运行环境；本发明的模拟方法将船用泵摇摆的周期性角位移运动规律以函数形式加载到流体介质中，使流体介质和船用泵在运动上保持一致，提升船用泵的设计合理性和运行稳定性；能够减少在船用泵设计过程中，对陆用泵设计方法的依赖。
Description
技术领域
本发明属于流体机械数值计算领域，尤其涉及一种船用泵运行环境模拟系统及方法。
背景技术
船用泵是舰船上用以增加液体和液体物料的压力或位能使之流动的机械，广泛应用于舰船的动力、消防、压载、疏水、排水以及卫生等各种系统中。由于舰船在风、海浪等因素的作用下会产生摇摆和倾斜，船用泵及其管道内的介质会产生附加加速度，附加惯性力，使得工质产生周期性波动，影响流动的非定常特性和动态响应特性，同时船用泵在摇摆环境下运行时的受力变化也会降低船用泵的水力性能，加剧振动和噪声等。
目前，我国大部分国产船用泵采用基于陆用泵设计的半理论、半经验的设计方法，难以完全满足船用泵性能参数，可靠性，环境条件等多目标设计要求。因此有必要通过研究来准确地模拟船用泵的运行环境，确定船用泵在倾斜和摇摆环境中使用的适应性。不仅能够大大简化船用泵试验复杂性，降低试验成本，还能缩短研究周期，提高船用泵的设计技术水平。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种船用泵运行环境模拟系统及方法，将船用泵摇摆的周期性角位移运动规律以函数形式加载到流体介质叶轮中，使流体介质和船用泵在运动上保持一致，能够提升船用泵的设计合理性和运行稳定性。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种船用泵运行环境模拟系统，包括依次信号连接的模型获取模块、运动规律获取模块和模型设置模块，其中，模型获取模块与模型设置模块也为信号连接；
所述模型获取模块对流体域进行三维建模和网格划分；
所述运动规律获取模块获取船用泵摇摆规律和叶轮旋转轴位置变化规律；
所述模型设置模块模拟船用泵运行环境，并进行边界条件设置。
一种船用泵运行环境模拟方法，包括如下步骤：
步骤(1)：对船用泵流体域进行三维建模和网格划分；
步骤(2)：根据三维模型获取船用泵摇摆规律和叶轮旋转轴位置变化规律；
步骤(3)：利用步骤(2)获取的运动规律和步骤(1)获得的网格数据，模拟船用泵运行环境，并进行边界条件设置。
进一步地，所述步骤(1)中三维建模得到的三维模型被划分为四段流体区域：出口段水体、蜗壳段水体、叶轮段水体及进口段水体。
进一步地，所述步骤(1)中网格划分要求为：保证网格质量大于0.2，最小网格角度大于18°。
进一步地，所述步骤(2)中船用泵摇摆规律表现为船用泵摇摆的角位移和角速度规律。
进一步地，所述船用泵摇摆的角位移和角速度规律如下所示：
其中，θz为用泵摇摆的角位移，单位rad；θm,z为船用泵摆动角度的幅值，单位为rad；fz为船用泵摇摆运动的频率，单位为Hz；
为初始相位，单位为rad；t为时间；θ’z为船用泵摇摆的角速度，单位rad/s。
进一步地，所述步骤(2)中叶轮旋转轴位置变化规律表现为随着船用泵摇摆角位移成三角函数形式的周期性变化规律。
进一步地，所述叶轮旋转轴位置变化规律如下所示：
PX＝rop×sin(θz)
Py＝rop×cos(θz)
其中，P为叶轮旋转轴上任意一点；O为坐标轴原点；Px为点P的X轴坐标；Py为点P的Y轴坐标；rop为常数，表示矢量OP的大小；θz为用泵摇摆的角位移，单位rad。
进一步地，所述步骤(3)中，可通过改变船用泵摇摆运动频率fz和摆动角度幅值
来模拟不同摇摆频率和幅度下的船用泵内流和结构变形。
本发明具有如下有益效果：
与现有技术相比，本发明提出一种能够模拟船用泵真实运行环境的系统和数值计算方法，用于获取摇摆运动时船用泵的内外特性，减少在船用泵设计过程中，对陆用泵设计方法的依赖；通过船用泵的摇摆性能试验对自定义函数进行修正，能够准确模拟出不同摇摆频率和幅度下的船用泵内流和结构变形，为船用泵的可靠性设计提供保障；将船用泵摇摆的周期性角位移运动规律以函数形式加载到流体介质中，使流体介质叶轮和船用泵在运动上保持一致，为船用泵的结构可靠性设计提供依据，从而提升船用泵的设计合理性和运行稳定性。
附图说明
图1为本发明所述船用泵运行环境模拟系统的结构示意图；
图2为本发明所述船用泵流体域三维模型示意图；
图3为本发明所述船用泵摇摆规律示意图；
图4为本发明所述叶轮位置变化规律示意图。
图中：1-出口段水体；2-蜗壳段水体；3-叶轮段水体；4-进口段水体；5-船用泵流体域水体；6-叶轮。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本实施例中采用的船用泵为单级单吸船用离心泵，叶轮为闭式；其主要设计参数如下：流量为25m3/h，扬程为34m，转速为2950r/min，比转速为66.7；输送介质为海水，叶轮进口直径为65mm，叶轮出口直径为165mm，叶片数为6，叶轮出口宽度为7mm，蜗壳基圆直径为165mm，蜗壳进口宽度为20mm。
如图1所示，一种船用泵运行环境模拟系统，包括模型获取模块、运动规律获取模块和模型设置模块。模型获取模块包括三维建模单元、网格划分单元和网格质量检查单元，主要用于对船用泵流体域进行三维建模和网格划分；运动规律获取模块与模型获取模块信号连接，根据模型获取模块中得到的三维模型，确定船用泵摇摆规律和叶轮旋转轴位置变化规律；模型设置模块分别与运动规律获取模块和模型获取模块信号连接，包括自定义函数单元、流体分析单元、计算模型选择单元、材料属性模块单元、网格运动单元和边界条件设置单元，用于获取运动规律数据和网格数据，并进行模型边界条件设置，模拟一个完整的船用泵运行环境。
一种船用泵运行环境模拟方法，具体包括以下步骤：
步骤一：在三维建模单元中输入本实施例中采用的单级单吸船用离心泵的设计参数，对船用泵流体域进行三维建模设置，建立如图2所示的三维模型；根据模型各个部分的结构划分不同的流体区域，形成模型数据，本实施例中划分了四段流体区域：出口段水体1、蜗壳段水体2、叶轮段水体3及进口段水体4；将三维建模得到的整体三维模型导入网格划分单元，对模型进行网格划分；在网格质量检查单元中检查划分的网格质量，保证网格质量大于0.2，最小网格角度大于18°，若不满足这两个条件则重新对三维模型进行网格划分直至满足条件，以保证精度，最终形成网格数据。
步骤二：这一步骤在运动规律获取模块中进行，如图3所示，根据三维模型建立船用泵的三维旋转坐标轴，坐标轴原点为O点，旋转为Z轴；定义船用泵摇摆运动的频率、摆动角度的幅值就可以得到船用泵摇摆的角位移、角速度，即船用泵的摇摆规律，具体过程如下：设船用泵摇摆运动的频率为fz,单位为Hz；船用泵摆动角度的幅值为θm,z，单位rad；
船用泵摇摆的角位移为θz，单位rad；船用泵摇摆的角速度为θ’z，单位rad/s；初始相位为
单位rad；时间为t；其中，θz≠0，θ’z≠0。
公式(1)表示船用泵发生摇摆运动时的位移变化规律；公式(2)表示船用泵发生摇摆运动时的速度变化规律。
如图3、4所示，叶轮6处于船用泵流体域水体5中心部分，为了使得流体介质叶轮和船用泵在运动上保持一致，设定当船用泵绕Z轴旋转摆动时，叶轮6在XOY平面上旋转运动，叶轮6旋转坐标轴的坐标轴原点也是O点，叶轮6旋转轴为Y轴；选择Y轴上任意一点P，根据船用泵的摇摆规律可以得到点P随船用泵摇摆运动的轨迹，具体过程如下：
设初始状态时，选定的点P坐标为(0,rop,0)，rop为常数，表示矢量OP的大小；当船用泵发生摇摆运动时，点P也相应运动，叶轮6旋转轴位置即为矢量OP坐标(Px,Py,0)，其中，Px表示点P的X轴坐标；Py表示点P的Y轴坐标；由于叶轮和船用泵在运动上是一致的，因此，叶轮6旋转轴位置表现出随着船用泵摇摆角位移θz成三角函数形式的周期性变化规律：
PX＝rop×sin(θz) (4)
Py＝rop×cos(θz) (5)
步骤三：模型设置模块从运动规律获取模块中获取船用泵摇摆规律数据和叶轮6旋转轴位置变化规律数据，并将其导入自定义函数单元，在自定义函数单元中，根据导入的运动规律数据形成各部分流体区域的运动规律源数据；将源数据和步骤一中的网格数据共同导入流体分析单元，模拟船用泵运行环境；可以通过改变源数据中船用泵摇摆运动频率和摆动角度幅值，来准确模拟出不同摇摆频率和幅度下的船用泵内流和结构变形，帮助研究不同摆动频率和摆动角度幅值对船用泵的影响，实现对自定义函数单元的不断修正。为了使得模拟的运行环境更加完善，需要进行边界条件设置，具体包括如下几部分的设置：(1)在计算模型选择单元选择k-Epsilon湍流模型；在材料属性模块单元选择流体介质为liquid-water(液态水)，介质密度为998kg/m3；(2)在区域条件单元设置不同区域的区域性质：设置整个流体域为摇摆域，叶轮水体相对于整个流体域旋转；(3)在相应区域的网格运动单元中导入船用泵摇摆规律数据，设置船用泵的绝对运动和叶轮与船用泵之间的相对运动；(4)在边界条件设置单元设置进出口边界条件：流量进口设置为6.67kg/s，流量出口设置为自由出流；(5)在边界条件设置单元设置全部计算域壁面为无滑移壁面，使用rotating(旋转)坐标系。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种船用泵运行环境模拟系统，其特征在于，包括依次信号连接的模型获取模块、运动规律获取模块和模型设置模块，其中，模型获取模块与模型设置模块也为信号连接；
所述模型获取模块对流体域进行三维建模和网格划分；
所述运动规律获取模块获取船用泵摇摆规律和叶轮(6)旋转轴位置变化规律；
所述模型设置模块模拟船用泵运行环境，并进行边界条件设置。
2.一种船用泵运行环境模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：对船用泵流体域进行三维建模和网格划分；
步骤(2)：根据三维模型获取船用泵摇摆规律和叶轮(6)旋转轴位置变化规律；
步骤(3)：利用步骤(2)获取的运动规律和步骤(1)获得的网格数据，模拟船用泵运行环境，并进行边界条件设置。
3.根据权利要求2所述的一种船用泵运行环境模拟方法，其特征在于，所述步骤(1)中三维建模得到的三维模型被划分为四段流体区域：出口段水体(1)、蜗壳段水体(2)、叶轮段水体(3)及进口段水体(4)。
4.根据权利要求2所述的一种船用泵运行环境模拟方法，其特征在于，所述步骤(1)中网格划分要求为：保证网格质量大于0.2，最小网格角度大于18°。
5.根据权利要求2所述的一种船用泵运行环境模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)中船用泵摇摆规律表现为船用泵摇摆的角位移和角速度规律。
6.根据权利要求5所述的一种船用泵运行环境模拟方法，其特征在于，所述船用泵摇摆的角位移和角速度规律如下所示：
其中，θz为用泵摇摆的角位移，单位rad；θm,z为船用泵摆动角度的幅值，单位为rad；fz为船用泵摇摆运动的频率，单位为Hz；
为初始相位，单位为rad；t为时间；θ’z为船用泵摇摆的角速度，单位rad/s。
7.根据权利要求2所述的一种船用泵运行环境模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)中叶轮(6)旋转轴位置变化规律表现为随着船用泵摇摆角位移成三角函数形式的周期性变化规律。
8.根据权利要求7所述的一种船用泵运行环境模拟方法，其特征在于，所述叶轮(6)旋转轴位置变化规律如下所示：
PX＝rop×sin(θz)
Py＝rop×cos(θz)
其中，P为叶轮(6)旋转轴上任意一点；O为坐标轴原点；Px为点P的X轴坐标；Py为点P的Y轴坐标；rop为常数，表示矢量OP的大小；θz为用泵摇摆的角位移，单位rad。
9.根据权利要求6所述的一种船用泵运行环境模拟方法，其特征在于，所述步骤(3)中，可通过改变船用泵摇摆运动频率fz和摆动角度幅值
来模拟不同摇摆频率和幅度下的船用泵内流和结构变形。
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