CN111125966B - 一种储气罐三维数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种对储气罐三维数值模拟方法，包括：建立储气罐的几何模型；对几何模型进行网格划分；对几何模型引入Realizable k‑ε湍流模型；设置Realizable k‑ε湍流模型的材料属性、边界条件以及重力选项；设置求解器；设置收敛准则和初始化条件；计算储气罐的三维数值。本申请在模拟储气罐时，在几何模型中引入了Realizable k‑ε的物理湍流模型。本申请公开的一种储气罐三维数值模拟方法，解决了目前对储气罐三维数值的研究仍然处于空缺状态的技术问题。

Description

一种储气罐三维数值模拟方法

技术领域

本申请涉及储能领域，尤其涉及一种储气罐三维数值模拟方法。

背景技术

储能技术是实现可再生能源大规模利用、提高常规电力系统效率和安全性、建设智能电网的关键技术。压缩气体储能被公认为是最具发展潜力的大规模储能技术之一。因此，对储气罐三维数值(包括流动、传热和结构应力等方面)进行模拟算法的研究具有十分重要的意义，但目前该方面的研究仍然处于空缺状态。

发明内容

本申请提供了一种储气罐三维数值模拟方法，解决了目前对储气罐三维数值的研究仍然处于空缺状态的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种储气罐三维数值模拟方法，包括：

建立储气罐的几何模型；

对所述几何模型进行网格划分；

对所述几何模型引入Realizable k-ε湍流模型；

设置所述Realizable k-ε湍流模型的材料属性、边界条件以及重力选项；

设置求解器；

设置收敛准则和初始化条件；

计算所述储气罐的三维数值。

优选的，所述建立储气罐的几何模型之后还包括：

根据温度场计算的需求，对所述几何模型进行简化。

优选的，所述对所述几何模型引入Realizable k-ε湍流模型之后还包括：

启用所述Realizable k-ε湍流模型中的能量方程。

优选的，所述设置所述Realizable k-ε湍流模型的材料属性、边界条件以及重力选项之后还包括：

设置外壳的对流条件。

优选的，所述设置外壳的对流条件之后还包括：

启动网格信息检查，得到网格信息检查反馈结果。

优选的，所述对所述几何模型进行网格划分具体包括：

将所述几何模型中的各区域，按照能否进行六面体网格划分，分类为可行区域与不可行区域；

对各个所述可行区域采用六面体网格划分，对各个所述不可行区域采用四面体网格划分。

优选的，进行网格划分采用ICME CFD工具。

优选的，所述设置所述Realizable k-ε湍流模型的材料属性、边界条件以及重力选项具体包括：

通过FLUENT自带材料库中读取需要的材料属性，或者，自定义需要的材料属性；

设置速度入口边界条件和压力出口边界条件；

在重力方向上设定重力加速度。

优选的，所述设置求解器具体包括：

求解器在离散格式上首先选择一阶精度下进行计算；

若一阶精度下计算的结果收敛，选择二阶精度下进行计算。

优选的，所述设置收敛准则和初始化条件具体包括：

设置物理量的收敛准则为0.001；

选用标准的初始化模式。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本申请中，提供了一种对储气罐三维数值模拟方法，包括：建立储气罐的几何模型；对几何模型进行网格划分；对几何模型引入Realizable k-ε湍流模型；设置Realizablek-ε湍流模型的材料属性、边界条件以及重力选项；设置求解器；设置收敛准则和初始化条件；计算储气罐的三维数值。本申请在模拟储气罐时，在几何模型中引入了Realizable k-ε的物理湍流模型。Realizable k-ε湍流模型对于湍流粘性有连续性约束，可以保持雷诺应力与真实湍流一致，能够更精确地模拟平面和圆形射流的扩散速度，在旋流计算，对带方向压强梯度的边界层计算和分离流计算等问题中，计算结果更符合真实情况，同时在分离流计算和带二次流的复杂流动计算中也表现出色。对应到储气罐中，由于储气罐中的流动本身属于低速流动，入口流动也要考虑圆形射流的扩散，因此适用Realizable k-ε模型。该模型的选择为储气罐三维数值模拟带来合理有效的结果。

附图说明

图1为本申请第一个实施例提供的储气罐三维数值模拟方法的流程图；

图2为本申请第二个实施例提供的储气罐三维数值模拟方法的流程图；

图3为本申请第二个实施例中湍流模型的设置参考图；

图4为本申请第二个实施例中能量方程的设置参考图；

图5为本申请第二个实施例中材料属性的设置参考图；

图6为本申请第二个实施例中速度入口边界条件的设置参考图；

图7为本申请第二个实施例中压力出口边界条件outlet1的设置参考图；

图8为本申请第二个实施例中压力出口边界条件outlet2的设置参考图；

图9为本申请第二个实施例中重力选项的设置参考图；

图10为本申请第二个实施例中外壳对流的设置参考图；

图11为本申请第二个实施例中网格信息检查的反馈结果图；

图12为本申请第二个实施例中求解器的设置参考图；

图13为本申请第二个实施例中收敛准则的设置参考图；

图14为本申请第二个实施例中初始化的设置参考图；

图15为本申请第二个实施例中计算步数的设置参考图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参见图1，图1为本申请第一个实施例提供的储气罐三维数值模拟方法的流程图，该方法包括：

步骤101、建立储气罐的几何模型。

压缩空气的储能储气罐具有罐装的几何模型。在进行三维数值模拟之前，先从结构上进行几何模型的建立。

步骤102、对几何模型进行网格划分。

先对几何模型进行网格划分，也可以称为分块，并在划分网格的同时，一方面定义好对应边界，为接下来设置边界条件做好准备；一方面定义好分块的交界面，即interface，以保证在导入FLUENT中以后，可以设置交界面，完成非正则网格之间界面的定义。边界条件与交界面的具体设置在后续进行说明。

步骤103、对几何模型引入Realizable k-ε湍流模型。

需要说明的是，本实施例中，储气罐内为单一流体，空气从入口进入到储气罐。根据入口雷诺数可以判断，储气罐内流动为湍流。在ANSYS FLUENT里，可供选择的湍流模型有很多，最常用的是k-ε模型。标准k-ε模型有较高的稳定性，经济性和计算精度，应用范围广泛，适合高雷诺数的湍流，但不适合旋流等各向异性较强的流动；RNG k-ε模型适用于计算低雷诺数湍流，比标准模型更好地考虑了旋转效应，对强旋流动计算精度有所提高；Realizable k-ε模型较前两种k-ε模型的优点是Realizable k-ε模型对于湍流粘性有连续性约束，可以保持雷诺应力与真实湍流一致，能够更精确地模拟平面和圆形射流的扩散速度，在旋流计算，对带方向压强梯度的边界层计算和分离流计算等问题中，计算结果更符合真实情况，同时在分离流计算和带二次流的复杂流动计算中也表现出色。针对储气罐，由于其内的流动本身属于低速流动，入口流动要考虑圆形射流的扩散，此外k-ε模型和其它模型相比，对计算资源的消耗较少，也更容易收敛。因此综合考虑，在几何模型引入的物理模型选用Realizable k-ε湍流模型。

步骤104、设置Realizable k-ε湍流模型的材料属性、边界条件以及重力选项。

需要建立模型中涉及到的所有材料，同时，也要设置边界条件与重力选项。具体在后续实施例中进行说明。

步骤105、设置求解器。

求解器的设置大部分保持默认值，但需要注意离散格式的选择。

而根据需要的结果精度不同，一阶迎风格式与二阶迎风格式之间可以按需选择。

步骤106、设置收敛准则和初始化条件。

需要解释的是，收敛量分别包括连续性方程，动量方程和能量方程，由于这里采用了k-ε模型，因此收敛准则包括了k和ε的收敛，k代表湍流动能，ε代表湍流耗散率。具体设置在后续实施例中进行说明。本领域技术人员也可根据需求对模拟仿真中的条件参数进行调整。

步骤107、计算储气罐的三维数值。

储气罐的温度场计算，既涉及到流动，也涉及到热量在储气罐结构部件之间的传递，属于流-固共轭换热分析。因此在三维数值上，包括流场计算以及温度场计算。

本实施例中，提供了一种对储气罐三维数值模拟方法，包括：建立储气罐的几何模型；对几何模型进行网格划分；对几何模型引入Realizable k-ε湍流模型；设置Realizablek-ε湍流模型的材料属性、边界条件以及重力选项；设置求解器；设置收敛准则和初始化条件；计算储气罐的三维数值。本申请在模拟储气罐时，在几何模型中引入了Realizable k-ε的物理湍流模型。Realizable k-ε湍流模型对于湍流粘性有连续性约束，可以保持雷诺应力与真实湍流一致，能够更精确地模拟平面和圆形射流的扩散速度，在旋流计算，对带方向压强梯度的边界层计算和分离流计算等问题中，计算结果更符合真实情况，同时在分离流计算和带二次流的复杂流动计算中也表现出色。对应到储气罐中，由于储气罐中的流动本身属于低速流动，入口流动也要考虑圆形射流的扩散，因此适用Realizable k-ε模型。该模型的选择为储气罐三维数值模拟带来合理有效的结果。

以上是对本申请第一个实施例提供的储气罐三维数值模拟方法的说明。下面可以参见图2，图2为本申请第二个实施例提供的储气罐三维数值模拟方法的流程图，该方法包括：

步骤201、建立储气罐的几何模型。

步骤202、根据温度场计算的需求，对几何模型进行简化。

压缩空气储气罐的温度场计算，既涉及到流动，也涉及到热量在储气罐结构部件之间的传递，属于流-固共轭换热分析。在储气罐流场仿真计算中，可以在保证计算精度的前提下对模型做一些合理的简化，从而控制仿真分析的计算规模，简化对象的选取是依据具体结构对温度场计算的影响程度来决定的。

步骤203、将几何模型中的各区域，按照能否进行六面体网格划分，分类为可行区域与不可行区域；对各个可行区域采用六面体网格划分，对各个不可行区域采用四面体网格划分。

整体模型(几何模型)的分块原则主要分三类，第一类是根据计算域的属性来分块，如计算域中同时存在静止区域与旋转区域，就可以根据域的运动特性，分为静域和动域两块，分别划分网格；第二类是根据计算域的几何复杂程度来分块，如果一个区域中存在多种不规则的几何，可以将这些几何划分为不同的块，分别划分网格，或者区域中存在一类不规则的几何，而剩下部分都是规则的，就可以因此将区域划分为规则部分和不规则部分，分别处理；第三类是根据计算域的几何的划分尺度来分块，如几何尺寸相比周围几何要小很多的情况下，一般会单独分块来处理。

本实施例中，网格划分是基于第二个原则来进行处理的，即模型按其规则程度来分块。本次网格划分的工具采用ICME CFD，基于对网格数量的控制和流场计算精度的提高，对于较为简单的那部分区域，可以成为可行区域，该部分区域尽量采用六面体网格划分，而对于生成六面体网格比较困难的不可行区域，则采用四面体网格。在ICEM CFD中，可以采用BLOCK的划分方法对模型进行切割分块，生成六面体网格。

步骤204、对几何模型引入Realizable k-ε湍流模型。

可以参考上述第一个实施例中的步骤103的说明。

在ANSYS FLUENT中，对湍流模型的设置可以参见图3。

步骤205、启用Realizable k-ε湍流模型中的能量方程。

在计算域中若考虑温度场的计算，则需要打开能量方程。具体设置可以参见图4。

步骤206、通过FLUENT自带材料库中读取需要的材料属性。

建立模型中涉及到的所有材料，如水和空气等常用材料可以从FLUENT自带的材料库中读取，其它自定义的材料则需要在FLUENT中定义。温度场的计算涉及到的材料属性包括密度，比热容和热传导率，对于流体，除了这三个参数之外，还有粘性，而实际上材料属性和温度也有关，这里不考虑材料的温度特性，是因为在这个计算模型的温度变化范围内，流体的材料属性变化较小，因此设为常数。固体的属性则取常温下的属性。具体设置可以参见图5。

步骤207、设置速度入口边界条件和压力出口边界条件。

在FLUENT中，速度入口边界条件的设置可以参见图6。压力出口边界条件的设置可以参见图7和图8。

步骤208、在重力方向上设定重力加速度。

本实施例中，重力方向在Z向，因此可以在重力方向Z上施加一个-Z方向的重力加速度。重力设置选项可以参见图9。

步骤209、设置外壳的对流条件。

可以进一步考虑外壳与周围环境的空气对流效应，其中和外界空气接触的是外壳，环境温度设为18℃，外壳的对流换热系数根据经验取为7W/m²K。具体设置可以参见图10。

步骤210、启动网格信息检查，得到网格信息检查反馈结果。

通过启动网络信息检查，可以得到相应的反馈结果，以进一步确定边界条件及interface等设置是否合理。反馈结果可以参见图11。

步骤211、设置求解器。

在完成边界条件的设置以后，需要对求解器进行设置，具体设置可以参将图12。

其中，大部分求解参数保持默认值，在设置求解器时，需注意离散格式的选择。一般流体问题在计算时不会直接采用二阶精度，而是先采用一阶精度计算到一个初期的场，因为一阶迎风格式比二阶迎风格式容易收敛，但精度较差。查看一阶精度的结果后，可以在确保一阶精度收敛的前提下，换用二阶格式来提高计算的精度。对于温度场的计算，一般在模型建立完成后，首先计算流场信息，并查看流场结果，如果流场计算收敛，同时结果也比较合理时，才将温度场并入模型一起计算。

步骤212、设置物理量的收敛准则为0.001。

收敛准则的具体设置可以参见图13。

收敛量分别包括连续性方程，动量方程和能量方程，由于这里采用了k-ε模型，因此收敛准则包括了k和ε的收敛，k代表湍流动能，ε代表湍流耗散率。一般收敛值的选择根据经验来确定，对于一般问题，物理量的收敛准则在0.001即可。在实际计算过程中，可适当调低残差收敛值，以求得到精度更高的仿真结果。对于精度要求比较高的模型计算，在无法完全满足收敛准则的时候，可以选择监测关注部分的温度，如果温度在迭代的过程中变化很小，则可以认为计算已经收敛。当收敛出现困难时，还可以通过调整松弛因子来改善其收敛性。

步骤213、选用标准的初始化模式。

在开始计算之前，需要对模型进行初始化，具体设置可以参见图14。流场的初始化对流场的收敛过程会有一定的影响，因此可以选用不同的初始化方式分别计算，并通过收敛曲线来决定初始化方式的选择。本实施例中，选用了标准的初始化模式。

步骤214、设定计算的最大步数。

可以参见图15。

步骤215、计算储气罐的三维数值。

本实施例中，提供了一种对储气罐三维数值模拟方法，实现三维储气罐三维数值模拟。考虑了储气罐内部流动、储气罐与环境对流换热。其中，在几何模型中引入了Realizable k-ε的物理湍流模型。Realizable k-ε湍流模型对于湍流粘性有连续性约束，可以保持雷诺应力与真实湍流一致，能够更精确地模拟平面和圆形射流的扩散速度，在旋流计算，对带方向压强梯度的边界层计算和分离流计算等问题中，计算结果更符合真实情况，同时在分离流计算和带二次流的复杂流动计算中也表现出色。对应到储气罐中，由于储气罐中的流动本身属于低速流动，入口流动也要考虑圆形射流的扩散，因此适用Realizable k-ε模型。该模型的选择为储气罐三维数值模拟带来合理有效的结果。

本申请的说明书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种储气罐三维数值模拟方法，其特征在于，包括：

建立压缩气体储能储气罐的几何模型；

根据温度场计算的需求，结合具体结构对温度场计算的影响，对所述几何模型进行简化；

对所述几何模型进行网格划分，具体包括：所述几何模型包括可行区域与不可行区域；对各个所述可行区域采用六面体网格划分，对各个所述不可行区域采用四面体网格划分；

对网格划分后的几何模型引入Realizable k-ε湍流模型；

设置所述Realizable k-ε湍流模型的材料属性、边界条件以及重力选项；

设置求解器；

设置收敛准则和初始化条件；

计算所述压缩气体储能储气罐的三维数值。

2.根据权利要求1所述的储气罐三维数值模拟方法，其特征在于，所述对所述几何模型引入Realizable k-ε湍流模型之后还包括：

启用所述Realizable k-ε湍流模型中的能量方程。

3.根据权利要求2所述的Realizable k-ε湍流模型，其特征在于，所述设置所述Realizable k-ε湍流模型的材料属性、边界条件以及重力选项之后还包括：

设置外壳的对流条件。

4.根据权利要求3所述的Realizable k-ε湍流模型，其特征在于，所述设置外壳的对流条件之后还包括：

启动网格信息检查，得到网格信息检查反馈结果。

5.根据权利要求1所述的储气罐三维数值模拟方法，其特征在于，进行网格划分采用ICME CFD工具。

6.根据权利要求1所述的储气罐三维数值模拟方法，其特征在于，所述设置所述Realizable k-ε湍流模型的材料属性、边界条件以及重力选项具体包括：

通过FLUENT自带材料库中读取需要的材料属性，或者，自定义需要的材料属性；

设置速度入口边界条件和压力出口边界条件；

在重力方向上设定重力加速度。

7.根据权利要求1所述的储气罐三维数值模拟方法，其特征在于，所述设置求解器具体包括：

求解器在离散格式上首先选择一阶精度下进行计算；

若一阶精度下计算的结果收敛，选择二阶精度下进行计算。

8.根据权利要求1所述的储气罐三维数值模拟方法，其特征在于，所述设置收敛准则和初始化条件具体包括：

设置物理量的收敛准则为0.001；

选用标准的初始化模式。

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