CN113688481B - 一种计算封闭旁支管路系统流场特性的数值模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种计算封闭旁支管路系统流场特性的数值模拟方法，包括如下步骤：数值模拟前处理，完成对计算域的建模及网格划分对计算域进行建模，流场网格划分；初始化周期循环区域，设置条带状速度；数值迭代计算，计算周期循环区域，在每个时间步后提取周期循环区域出口的三向速度；若湍流未充分发展，继续数值迭代计算；若湍流充分发展，将周期循环区域的出口速度边界赋值给实际管路计算区域入口，作为实际计算区域的入口边界条件；数值计算实际管路区域，完成后续流场特性计算，后处理。本发明减少因为管路延长而增加的网格量，并且能够更准确地给出管道流场边界条件，从而更好的模拟真实管道内流动。

Description

一种计算封闭旁支管路系统流场特性的数值模拟方法
技术领域
本发明涉及的是一种管路模拟方法，具体地说是封闭旁支管路流动模拟方法。
背景技术
核电系统的一回路主管线中的流动介质通常为高温高压的流体，为了保证核电系统安全运行通常在主流管道特定位置处安装泄压管线，一般情况下泄压管线一段与主管道相连，另一端在常规情况下是封闭的，这就形成了封闭旁支管道这种特殊的结构。
流体流经封闭旁支管道这种特定的结构时，会产生漩涡，并呈周期性脱落，漩涡脱落的频率产生的流体激励与声模态频率相近时，产生“锁频现象”，导致压力波被放大，形成声共振，当声共振频率与管线结构频率重合时，则会激发管道剧烈振动，这种现象称为“流致声共振”。为了研究管道内流致声共振机理，需要建立封闭旁支管路模型，并针对此模型开展流场非定常特性研究。本发明方法正是基于该研究项目得来的，为了研究旁支管内流体与主管道强制流动之间的相互作用，研究液体工质下动剪切层随着流动产生旋涡机理，探索旋涡脱落频率及其随运行(压力、流量、温度等)条件的演变规律，分析三通位置流动不稳定性、旁支管内部低速旋转流动特性、以及非定常压力脉动特性，采用大涡模拟方法(LES)进行CFD计算。
大涡模拟的基本实现方法：把包括脉动运动在内的湍流瞬时运动通过某种滤波方法分解成大尺度运动和小尺度运动两部分，大尺度量通过数值求解运动方程直接计算出来，小尺度量对大尺度量的影响通过建立模型来模拟。这样的模型被称为亚格子模型，即SGS(Subgrid-Scale)模型，小尺度量产生的影响被称为亚格子耗散。将LES应用于实际应用，意味着巨大的计算量。首先，LES原则上需要将网格划分至惯性子区，所需要的网格数量也Re数相关，Re数越高，网格数比RANS大出越多。其次，壁面与第一层网格的无量纲距离通常要求小于l，即y十<l。而y十也与Re数相关Re数越高，为保证y十不变，壁面与第一层网格的实际距离越小，这就使得计算所能取的时间步长越小，收敛速度相应减慢。再次，LES使用的格式耗散低，这意味着为保证计算稳定，特别是在流动计算所取的步长减小。
按照LES湍流模型网格要求的巨大的网格量，除此之外，传统管路等给水系统流场计算方法中，需要采用延长进出口管路的方式保证湍流充分发展。
发明内容
本发明的目的在于提供能够更准确地给出管道流场边界条件，从而更好的模拟真实管道内流动的一种计算封闭旁支管路系统流场特性的数值模拟方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种计算封闭旁支管路系统流场特性的数值模拟方法，其特征是：
(1)数值模拟前处理，完成对计算域的建模及网格划分对计算域进行建模，流场网格划分，将仿真域分为周期循环区域和实际管路计算区域两部分，其中周期循环区域为一段直管段，长度为二到三倍管径；
(2)初始化周期循环区域，设置条带状速度，增加扰流；
(3)数值迭代计算，计算周期循环区域，在每个时间步后提取周期循环区域出口的三向速度，监测出口边界流动紊乱程度、湍流强度以及残差，判断湍流是否充分发展；
(4)若步骤(3)中湍流未充分发展，验证周期循环区域进出口流量是否守恒，采用修正速度法修正速度，保证流量守恒，继续步骤(3)中的数值迭代计算；
(5)若步骤(3)中湍流充分发展，将周期循环区域的出口速度边界赋值给实际管路计算区域入口，作为实际计算区域的入口边界条件；
(6)数值计算实际管路区域，完成后续流场特性计算，后处理。
本发明的优势在于：
1、分区域计算，减少计算量，节省计算时间，充分利用计算资源；
2、保证湍流充分发展，优化模型计算边界条件；
3、在保证网格质量的前提下，减少模型网格量，以相对较少的网格量满足大涡模拟方法的计算需求；
4、C语言与ANSYS Fluent商业计算软件结合，满足标准界面无法满足的功能。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为计算流域示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-2，本发明的目的是在一定程度上优化计算封闭旁支管路系统流场特性的方法，保证管道内湍流充分发展的同时，减少因为管路延长而增加的网格量，保证网格质量，充分合理利用现有的计算资源，减少计算量，并且能够更准确地给出管道流场边界条件，从而更好的模拟真实管道内流动。其具体步骤如下：
步骤一：数值模拟前处理，完成对计算域的建模及网格划分，将仿真域分为周期循环区域1和实际管路计算区域2两部分，其中周期循环区域1长度为二倍管路水力直径；
前处理过程中流场网格的划分部分对后续数值模拟的收敛性、准确度都有很大影响，流场网格划分中对近壁面区域网格的加密过程对数值模拟中对近壁面区域流动的模拟也有很大影响。
步骤二：初始化周期循环区域1，设置条带状速度，增加扰流，使其更快发展为湍流；
步骤三：数值迭代计算，计算周期循环区域，在每个时间步后提取周期循环区域出口3的三向速度，监测出口边界3流动紊乱程度以及湍流强度，判断湍流是否充分发展；
步骤四：若步骤三中周期循环区域出口3湍流未充分发展，验证周期循环区域进出口流量是否守恒，采用修正速度法修正速度，保证流量守恒，继续步骤三中的数值迭代计算；
步骤五：若步骤三中周期循环区域出口3湍流充分发展，将区域3的速度边界赋值给实际管路计算区域入口4，作为实际计算区域的入口边界条件；
步骤六：数值计算实际管路区域，完成流场特性计算，后处理。

Claims (1)

1.一种计算封闭旁支管路系统流场特性的数值模拟方法，其特征是：
(1)数值模拟前处理，完成对计算域的建模及网格划分对计算域进行建模，流场网格划分，将仿真域分为周期循环区域和实际管路计算区域两部分，其中周期循环区域为一段直管段，长度为二到三倍管径；
(2)初始化周期循环区域，设置条带状速度，增加扰流；
(3)数值迭代计算，计算周期循环区域，在每个时间步后提取周期循环区域出口的三向速度，监测出口边界流动紊乱程度、湍流强度以及残差，判断湍流是否充分发展；
(4)若步骤(3)中湍流未充分发展，验证周期循环区域进出口流量是否守恒，采用修正速度法修正速度，保证流量守恒，继续步骤(3)中的数值迭代计算；
(5)若步骤(3)中湍流充分发展，将周期循环区域的出口速度边界赋值给实际管路计算区域入口，作为实际计算区域的入口边界条件；
(6)数值计算实际管路区域，完成后续流场特性计算，后处理。
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张力腿平台在湍流边界层分离下的水动力特性研究;胡晓峰;张新曙;尤云祥;;船舶力学(第07期);全文 *

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