CN112163289B - 基于延迟型分离涡模拟的轴流叶轮空化特性计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于延迟型分离涡模拟的轴流叶轮空化特性计算方法，包括：建立轴流叶轮装置的物理模型；对轴流叶轮的物理模型进行网格划分，在过流部件表面划分边界层网格，并进行网格无关性分析；将物理模型的网格文件导入有限元软件，建立轴流叶轮的数值模型；设置轴流叶轮的数值模型的数值计算的精度；采用物理模型、数值模型对轴流叶轮进行非定常空化数值计算，得到轴流叶轮的空化特性曲线、空泡分布。本发明实现了轴流叶轮的空化特性的量化计算，便于深入了解空化现象，可用于对水泵、水轮机、螺旋桨以及高复杂度三维水力机械内非定常空化流动进行数值计算，获取内部流动机理，为开发新型高抗空化性能的大型水力机械提供理论支撑。

Description

基于延迟型分离涡模拟的轴流叶轮空化特性计算方法
技术领域
本发明属于水力机械空化流动数值计算领域，具体涉及一种基于延迟型分离涡模拟的轴流叶轮空化特性计算方法。
背景技术
目前，水力机械正逐步向高速化、大型化和高性能方向快速发展，但伴随着这一趋势，水力机械内空化及其诱导的空蚀问题日益严峻。空化是一种极其复杂的多相流，其显著特征是流动参数在时空尺度上表现出的不均匀性，以及内部强烈的非线性特征。长期以来，在以水泵、水轮机、螺旋桨等为代表的旋转式水力机械内，空化现象倍受关注，主要是由于空化的发生会对水力机械过流部件和其内部液体流动产生重要的影响。空化的发生会改变液体的连续性，对过流部件边壁表面产生材料破坏，同时产生其它可能伴随的显著改变水动力学特性或固体边界的一些负面作用，如震动、噪音等。在水力机械领域内，空化总是不希望发生的，无法控制的空化会产生严重的甚至是灾难性的后果，并造成巨大的经济损失。
水力机械空化问题研究手段主要包含实验方法和数值方法。两种方法各有优劣，实验方法虽然可以直接获取空化流场非定常流动信息，但是对于某些微观结构如回射流、空化核变化，捕捉的能力明显不足。在这种背景下，数值计算方法的优势就十分明显。基于Navier-Stokes方程框架的空泡流动计算方法，在研究水力机械工程应用及理论研究中得到了广泛的应用。湍流模型与空化模型是这种计算框架中的两个组成部分，湍流模型是用来计算流体动量的传输过程，而空化模型则是描述相间质量的传输速率，二者在空泡流动精确数值计算过程中起着至关重要的作用。然而，在大型三维复杂水力机械空化流体计算方法中，大部分均是基于雷诺时均方法RANS，该方法计算精度较差，对空化流动非定常特征的捕捉能力也较差。
因此，研究一种兼备计算精度与计算效率的应用于大型水力机械空化流动数值计算方法。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种基于延迟型分离涡模拟的轴流叶轮空化特性计算方法，对基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型进行改进以提高精度，对延迟分离涡模拟方法进行改进，以避免延迟分离涡模拟方法的“对数层不匹配”问题，兼顾计算精度与计算效率，利用物理模型、数值模型对轴流叶轮进行非定常空化数值计算，获得轴流叶轮的空化特性曲线、空化分布，以便采取针对性的控制措施以降低空化现象的影响。
本发明的技术方案是基于延迟型分离涡模拟的轴流叶轮空化特性计算方法，包括以下步骤，
步骤1：建立轴流叶轮的物理模型；
步骤2：对轴流叶轮的物理模型进行网格划分，在过流部件表面划分边界层网格，并进行网格无关性分析；
步骤3：将物理模型的网格文件导入有限元软件，建立轴流叶轮的数值模型；
步骤4：设置轴流叶轮的数值模型的数值计算的精度；
步骤5：采用物理模型、数值模型对轴流叶轮进行非定常空化数值计算，运用后处理软件CFD-POST对计算结果进行提取，得到轴流叶轮的空化特性曲线、空化分布；
步骤6：对轴流叶轮进行现场实验，将实验结果与数值计算结果进行比较，对运行的轴流叶轮进行高速摄影，将拍摄的轴流叶轮的空化现象与依据步骤5的轴流叶轮的空化分布得到的空化分布图进行对比，根据对比结果对轴流叶轮的数值模型进行校正。
优选地，步骤1中，所述建立轴流叶轮的物理模型，采用三维绘图软件UG对轴流叶轮的过流区域进行建模。
进一步地，步骤2中，所述对轴流叶轮的物理模型进行网格划分，对轴流叶轮的每个组成部分划分贴体块，然后依据尺寸大小设置块上每条边的节点数，重复操作获得多种不同密度的网格，并分别命名、存储为不同文件。
进一步地，步骤3中，所述建立轴流叶轮的数值模型，包括建立轴流叶轮的空化模型、湍流模型，设置计算工质及控制方程求解格式。
进一步地，步骤3采用基于Rayleigh-Plesset方程的改进空化模型，该空化模型考虑界面之间质量传输，以及不可凝结气体及湍流脉动的影响，空化模型的基本方程组为
Figure BDA0002669653670000021
式中Se、Sc分别表示蒸发率、凝结率，nb为空化核密度，ρ为密度，α为体积分数，下标l、v、g、m分别表示液相、空泡相、不可凝结气体相、混合相，psat为饱和蒸气压，peff为有效静压，ptur为湍流脉动压力，p为流场静压，Dij为速度应变率张量，μm、μt分别表示分子粘度、湍流粘度，k为湍动能，fg为不可凝结气体质量分数，
Figure BDA0002669653670000031
均为速度应变。
优选地，步骤3采用修正的延迟型分离涡模型，控制方程为
Figure BDA0002669653670000032
式中ρ为密度，k为湍动能，μm、μt分别为分子粘度、湍流粘度，σk为湍动能的湍流普朗特数，Pk为湍动能生成项，lnew为新定义的湍流尺度，ω为比耗散率，σω为比耗散率的湍流普朗特数，Pω为比耗散率生成项，Yω为比耗散率耗散项，lRANS、lLES分别表示双方程模型的湍流尺度、大涡模拟湍流尺度，fd为延迟函数，F1、F2均为混合函数，rd为特征距离，
Figure BDA0002669653670000033
为衰减函数，υt、υm分别表示湍流运动粘度、分子运动粘度，dω为网格距离壁面的高度，Ω、S分别表示应变率张量、旋转率张量，hmax为最大滤波尺度，Δmax为壁面网格最大边长，Δvol为第一层网格单元体积，Δx、Δy、Δz均为第一层网格的边长，Dkω为正向交叉扩散项，arg1、arg2均为混合函数自变量；常数CDES1＝0.78、CDES2＝0.61、Cd1＝20、Cd2＝3、K＝0.41、fd0＝0.8、σω2＝1.168、Cμ＝0.09。
相比现有技术，本发明的有益效果：
1)本发明的空化特性计算方法，实现了轴流叶轮的空化特性的量化计算，获得轴流叶轮的空化特性曲线及叶轮内空泡分布，便于深入了解空化现象，采取针对性的控制措施以降低空化现象的影响；
2)本发明采用的基于Rayleigh-Plesset方程的改进空化模型，该模型考虑了界面之间质量传输，同时还考虑了不可凝结气体及湍流脉动的影响，数值计算结果精度高；
3)本发明采用的修正的延迟型分离涡模型，在延迟分离涡模拟方法的基础上，对湍流尺度及延迟函数作了修正，修正后的模型不但可以克服分离涡模拟方法的缺陷，如网格诱导分离，同时还避免在延迟分离涡模拟方法中出现的“对数层不匹配”问题；
4)本发明的空化特性计算方法，利用现场实验结果对数值模型进行校正，使得本发明的数值模型准确性好；
5)本发明的空化特性计算方法，可用于对水泵、水轮机、螺旋桨以及高复杂度三维水力机械内非定常空化流动进行数值计算，获取内部流动机理，为开发新型高抗空化性能的大型水力机械提供理论支撑。
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为本发明的基于延迟型分离涡模拟的轴流叶轮空化特性计算方法的流程图。
图2为本发明实施例的轴流泵的物理模型示意图。
图3为本发明实施例的轴流泵的网格划分的示意图。
图4(a)为Q＝0.8QBEP工况下随空化数σ变化的泵扬程H的实验值与模拟值的对比图。
图4(b)为Q＝1.0QBEP工况下随空化数σ变化的泵扬程H的实验值与模拟值的对比图。
图4(c)为Q＝1.2QBEP工况下随空化数σ变化的泵扬程H的实验值与模拟值的对比图。
图4(d)为不同流量情况下轴流泵气蚀余量的实验值与模拟值的对比图。
图5(a)为实施例的轴流泵扬程下降10％时的叶轮空化现象图。
图5(b)为实施例的轴流泵扬程下降10％时空化数值计算获得的空化分布图。
具体实施方式
实施例选择轴流泵的叶轮作为研究对象，对其空化特性进行量化计算，轴流泵的比转速ns＝692，设计流量Q＝312m3/h，设计扬程H＝2.95m，转速n＝1450r/min。
如图1所示，基于延迟型分离涡模拟的轴流叶轮空化特性计算方法，包括以下步骤，
步骤1：建立物理模型，实施例的物理模型包括进口管路、叶轮、导叶及出口管路，如图2所示，叶轮直径D2＝200mm，轮毂直径Dh＝104mm，叶片数Z＝4，导叶叶片数Zd＝7，额定气蚀余量NPSH3＝2.57m，采用三维绘图软件UG对过流区域进行建模，建模过程中保留叶顶间隙，间隙δ＝0.5mm，将最终物理模型保存在.igs格式文件中；
步骤2：对步骤1建立的物理模型进行网格划分，对单个叶片建立拓扑，生成单个流道的网格，其中对于叶轮叶片采用J型拓扑，对于导叶片采用H型拓扑；为了控制叶片近壁面的边界层分布，选用O型拓扑环绕并进行加密处理，在主要过流部件表面划分边界层网格，并进行网格无关性分析，获取最终的计算网格，如图3所示；
步骤2.1：将步骤1的.igs格式的文件导入到网格划分软件ANSYS Meshing中，对每个组成部分进行命名，并分别另存为一个项目文件；
步骤2.2：运用拓扑topology思想，对每一个组成部分划分贴体块block，然后依据尺寸大小设置块上每条边edge的节点数，重复操作获得四种不同密度的网格，分别命名为粗网格、中等网格、细网格、极细网格，最后输出四个.msh文件；
步骤2.3：以无空化条件下不同网格计算的泵扬程为参照，进行网格无关性分析；
步骤3：将步骤2的网格文件导入到ANSYS FLUENT v16.0，建立轴流泵的叶轮的数值模型，进行数值模型设置，包括空化模型、湍流模型、计算工质及控制方程求解格式；
步骤3.1：利用ANSYS FLUENT v16.0读取步骤2的.msh文件，检查网格质量，并将网格模型缩小为原来的0.001倍；
步骤3.2：建立空化模型，空化模型为基于Rayleigh-Plesset方程的改进空化模型，该模型考虑了界面之间质量传输，同时还考虑了不可凝结气体及湍流脉动的影响。空化模型通过编译用户自定义函数UDF在ANSYS FLUENT v16.0平台实现植入，基本方程组为
Figure BDA0002669653670000051
式中Se、Sc分别表示蒸发率、凝结率，nb为空化核密度，ρ为密度，α为体积分数，下标l、v、g、m分别表示液相、空泡相、不可凝结气体相、混合相，psat为饱和蒸气压，peff为有效静压，ptur为湍流脉动压力，p为流场静压，Dij为速度应变率张量，μm、μt分别表示分子粘度、湍流粘度，k为湍动能，fg为不可凝结气体质量分数，
Figure BDA0002669653670000061
均为速度应变。
步骤3.3：建立湍流模型，湍流模型为修正的延迟型分离涡模型(ModifiedDelayed Detached Eddy Simulation,MDDES)，在延迟分离涡模拟(Delayed DetachedEddy Simulation,DDES)方法的基础上，MDDES对湍流尺度及延迟函数作了修正，修正后的模型不但可以克服分离涡模拟方法DES的缺陷，如网格诱导分离，同时还避免在DDES中出现的“对数层不匹配”问题；MDDES方法能够保证在空化流场中旋涡运动所主导的区域采用DDES方法进行求解，在近物面边界层内采用WMLES壁面函数。MDDES基于SST k-ω模型构建，对k方程进行修正，保持ω方程不变。MDDES模型通过编译用户自定义函数UDF在ANSYSFLUENT v16.0平台实现植入，MDDES的控制方程为
Figure BDA0002669653670000062
式中ρ为密度，k为湍动能，μm、μt分别为分子粘度、湍流粘度，σk为湍动能的湍流普朗特数，Pk为湍动能生成项，lnew为新定义的湍流尺度，ω为比耗散率，σω为比耗散率的湍流普朗特数，Pω为比耗散率生成项，Yω为比耗散率耗散项，lRANS、lLES分别表示双方程模型的湍流尺度、大涡模拟湍流尺度，fd为延迟函数，F1、F2均为混合函数，rd为特征距离，
Figure BDA0002669653670000071
为衰减函数，υt、υm分别表示湍流运动粘度、分子运动粘度，dω为网格距离壁面的高度，Ω、S分别表示应变率张量、旋转率张量，hmax为最大滤波尺度，Δmax为壁面网格最大边长，Δvol为第一层网格单元体积，Δx、Δy、Δz均为第一层网格的边长，Dkω为正向交叉扩散项，arg1、arg2均为混合函数自变量；常数CDES1＝0.78、CDES2＝0.61、Cd1＝20、Cd2＝3、K＝0.41、fd0＝0.8、σω2＝1.168、Cμ＝0.09。
步骤3.4：设置首相与次相分别为liquid与vapor，计算域入口边界为速度进口，速度大小依据流量计算得到，出口边界为压力出口，压力大小依据空化数计算得到。设置进出口管路及导叶为静止部件，叶轮为旋转部件；
步骤3.5：压力-速度耦合方程采用SIMPLEC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控制方程均采用二阶迎风格式；
步骤4：设置轴流泵的叶轮的数值模型的数值计算的精度，设置所有物理量计算收敛残差标准均为10-4，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5：采用物理模型、数值模型对轴流泵的叶轮进行非定常空化数值计算，运用后处理软件CFD-POST对计算结果进行提取，得到轴流泵的叶轮的空化特性曲线、空化分布；
步骤6：对轴流泵的叶轮进行现场实验，将实验结果与数值计算结果进行比较，对运行的轴流泵的叶轮进行高速摄影，将拍摄的叶轮的空化现象与依据步骤5的叶轮的空化分布得到的空化分布图进行对比，验证数值计算得到的叶轮的空化特征的准确性；
步骤6.1：对轴流泵的叶轮进行现场实验，将不同工况条件的实验结果与步骤5的数值计算结果进行比较；
图4(a)、4(b)、4(c)分别为Q＝0.8QBEP、Q＝1.0QBEP、Q＝1.2QBEP工况下随空化数σ变化的泵扬程H的实验值与模拟值的对比图，QBEP为最佳效率点流量，HBEP为最佳效率点扬程。图4(d)为不同流量情况下轴流泵气蚀余量的实验值与模拟值的对比图。可见，不同流量工况下，本发明的数值模型计算的扬程随空化数σ变化的预测值与现场实验的实验值变化趋势一致，且预测的临界空化余量与实验值吻合度较高。
步骤6.2：控制轴流泵的泵扬程下降10％，与此同时对运行的轴流泵的叶轮进行高速摄影，将拍摄的叶轮的空化现象与依据步骤5的叶轮的空化分布得到的空化分布图进行对比。
比对图5(a)和图5(b)，可见本发明的数值模型计算得到的空泡团分布与实验结果基本吻合。实施结果说明本发明的空化特性计算方法准确度高。
本发明的空化特性计算方法也可用于水轮机、螺旋桨以及高复杂度三维水力机械的空化特性的量化计算。

Claims (5)

1.基于延迟型分离涡模拟的轴流叶轮空化特性计算方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1：建立轴流叶轮的物理模型；
步骤2：对轴流叶轮的物理模型进行网格划分，在过流部件表面划分边界层网格，并进行网格无关性分析；
步骤3：将物理模型的网格文件导入有限元软件，建立轴流叶轮的数值模型；
步骤4：设置轴流叶轮的数值模型的数值计算的精度；
步骤5：采用物理模型、数值模型对轴流叶轮进行非定常空化数值计算，运用后处理软件对计算结果进行提取，得到轴流叶轮的空化特性曲线、空泡分布；
步骤3中，所述建立轴流叶轮的数值模型，包括建立轴流叶轮的空化模型、湍流模型，设置计算工质及控制方程求解格式；
步骤3采用基于Rayleigh-Plesset方程的改进空化模型，该空化模型考虑界面之间质量传输，以及不可凝结气体及湍流脉动的影响，空化模型的基本方程组为
Figure FDA0003753940340000011
式中Se、Sc分别表示蒸发率、凝结率，nb为空化核密度，ρ为密度，α为体积分数，下标l、v、g、m分别表示液相、空泡相、不可凝结气体相、混合相，psat为饱和蒸气压，peff为有效静压，ptur为湍流脉动压力，p为流场静压，Dij为速度应变率张量，μm、μt分别表示分子粘度、湍流粘度，k为湍动能，fg为不可凝结气体质量分数，
Figure FDA0003753940340000012
均表示速度应变。
2.根据权利要求1所述的基于延迟型分离涡模拟的轴流叶轮空化特性计算方法，其特征在于，还包括步骤6：对轴流叶轮进行现场实验，将实验结果与数值计算结果进行比较，对运行的轴流叶轮进行高速摄影，将拍摄的轴流叶轮的空化现象与步骤5得到的轴流叶轮的空化分布进行对比，根据对比结果对轴流叶轮的数值模型进行校正。
3.根据权利要求1所述的基于延迟型分离涡模拟的轴流叶轮空化特性计算方法，其特征在于，步骤1中，所述建立轴流叶轮的物理模型，采用三维绘图软件对轴流叶轮的过流区域进行建模。
4.根据权利要求1所述的基于延迟型分离涡模拟的轴流叶轮空化特性计算方法，其特征在于，步骤2中，所述对轴流叶轮的物理模型进行网格划分，对轴流叶轮的每个组成部分划分贴体块，然后依据尺寸大小设置块上每条边的节点数，重复操作获得多种不同密度的网格，并分别命名、存储为不同文件。
5.根据权利要求1所述的基于延迟型分离涡模拟的轴流叶轮空化特性计算方法，其特征在于，步骤3采用修正的延迟型分离涡模型，控制方程为
Figure FDA0003753940340000021
式中ρ为密度，k为湍动能，μm、μt分别表示分子粘度、湍流粘度，σk为湍动能的湍流普朗特数，Pk为湍动能生成项，lnew为新定义的湍流尺度，ω为比耗散率，σω为比耗散率的湍流普朗特数，Pω为比耗散率生成项，Yω为比耗散率耗散项，lRANS为双方程模型的湍流尺度、lLES为大涡模拟湍流尺度，fd为延迟函数，F1、F2均为混合函数，rd为特征距离，
Figure FDA0003753940340000022
为衰减函数，υt、υm分别表示湍流运动粘度、分子运动粘度，dω为网格距离壁面的高度，Ω、S分别表示应变率张量、旋转率张量，hmax为最大滤波尺度，Δmax为壁面网格最大边长，Δvol为第一层网格单元体积，Δx、Δy、Δz均为第一层网格的边长，Dkω为正向交叉扩散项，arg1、arg2均为混合函数自变量；CDES1、CDES2、Cd1、Cd2、fd0、σω2、Cμ、K均为常数。
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