CN113723030A - 基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法及系统，包括：获取超临界二氧化碳涡轮机的进出口参数，所述进出口参数，包括：温度、压力和涡轮机的转速；对超临界二氧化碳涡轮机进行全三维建模，对建立的三维模型进行空间上的网格划分；基于获取的进出口参数和网格划分后的三维模型，对超临界二氧化碳涡轮机中的实际气体物性进行计算流体力学仿真，得到涡轮机内部的流场分布及流动情况。该方法耦合了黎曼问题求解器、实际气体物性查表法、适用于实际气体物性的通量格式及降低查表带来的差值误差等技术，能够快速地、可靠地仿真模拟实际气体物性黎曼问题，尤其是针对高功率密度紧凑型的涡轮机械问题。

Description

基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法及系统
技术领域
本发明涉及基于实际气体物性的计算流体力学仿真领域，特别是涉及基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
超临界二氧化碳(S-CO2)动力循环由于其结构紧凑、效率更高和循环布局更简单，近年来引起了广泛关注。S-CO2被认为是一种极好的工作流体，因为它具有许多优点，例如与H2O或其他流体相比容易达到临界点、可用性以及与其他气体相比的低全球变暖潜势。对于0.1到25MW范围内的功率循环，使用S-CO2允许范式转变为使用高效的径流式涡轮机。因为高密度工作流体、相对较低的流速和低比转速度的综合作用，可以使用功率密度更高的涡轮机械。有机朗肯循环(ORC)也得到了类似的关注，它利用热力学特性确保低温热源和高密度工作流体之间的更好匹配。
在这些循环中，非理想气体的热力学现象是必须注意的。特别是对于运行条件接近临界点的S-CO2压缩机，S-CO2的非理想气体动力学会显着影响流动特性。类似地，在高压比ORC涡轮机中，当流体通过涡轮机通道时，通常会有激波产生。它们是工质流经喷嘴或叶片尖端突然膨胀的结果。除非可以对这些组件进行适当的模拟和设计，否则由于组件性能不佳，循环效率的所有收益都会丧失。
因此，需要准确预测这些非理想条件下的流体流动，正确捕捉稠密/超临界流体的实际物性，解决热力学行为与理想气体关系不同的可压缩高马赫数流动，从而引出了非理想可压缩流体动力学(NICFD)研究领域。
在设计阶段，精确的NICFD模拟对于在超临界区域或接近临界点运行的S-CO2循环和ORC组件至关重要。一些作者报告了使用计算流体动力学(CFD)对这些高度可压缩流动的数值解，但是，这些研究中的大多数使用了为理想气体开发的数值方法。对于ORC和S-CO2研究领域，此类流动的可靠NICFD模拟仍然是一个挑战，因为需要复杂的工具以及高度复杂的实验校准热力学模型。因此，需要能够在设计阶段准确预测非理想流体流动的仿真工具。
在实际应用中，使用具有修正气体常数和等熵系数的理想气体关联式对此类流动进行CFD模拟是很常见的。然而，由于气体特性近似的准确性有限，这些假设可能会引入误差。这在研究具有非理想气体区域特性的可压缩流动时尤为重要，其中非理想气体现象会改变流动关系。对总压力和温度值的不良评估导致对损失、比功、热交换和密度的不良预测，这会影响动量分量的计算，从而影响预测的流动结构。因此，CFD求解器必须使用最准确的真实气体属性来正确求解流动。
目前，现在的CFD求解器有多种方法来捕获非理想气体特性。现有的工质热物理性质包括以下非理想状态方程：Peng-Robinson(PR)、Redlich-Kwong(RK)，以及多项式输运和热力学性质。然而，对于S-CO2或ORC应用中的涡轮机械模拟，需要一个快速的非理想气体流量求解器，再加上一个能够选择任何气体模型的非理想气体黎曼通量计算器。目前，现有的求解器都没有提供求解可压缩黎曼问题和同时使用非理想状态方程的能力。此外，实现的非理想状态方程需要迭代求解，导致计算负担大和求解过程缓慢。现有商业CFD软件在通量格式、实际物性参数捕捉、与优化算法的结合方面存在种种限制，难以得到其内部运算方法，如同“黑盒”一般，无法将其应用在前沿探索类问题的研究当中。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法及系统；
第一方面，本发明提供了基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法；
基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法，包括：
获取超临界二氧化碳涡轮机的进出口参数，所述进出口参数，包括：温度、压力和涡轮机的转速；
对超临界二氧化碳涡轮机进行全三维建模，对建立的三维模型进行空间上的网格划分；
基于获取的进出口参数和网格划分后的三维模型，对超临界二氧化碳涡轮机中的实际气体物性进行计算流体力学仿真，得到涡轮机内部的流场分布及流动情况。
第二方面，本发明提供了基于计算流体力学的实际气体物性仿真系统；
基于计算流体力学的实际气体物性仿真系统，包括：
获取模块，其被配置为：获取超临界二氧化碳涡轮机的进出口参数，所述进出口参数，包括：温度、压力和涡轮机的转速；
建模模块，其被配置为：对超临界二氧化碳涡轮机进行全三维建模，对建立的三维模型进行空间上的网格划分；
仿真模块，其被配置为：基于获取的进出口参数和网格划分后的三维模型，对超临界二氧化碳涡轮机中的实际气体物性进行计算流体力学仿真，得到涡轮机内部的流场分布及流动情况。
第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括：
存储器，用于非暂时性存储计算机可读指令；以及
处理器，用于运行所述计算机可读指令，
其中，所述计算机可读指令被所述处理器运行时，执行上述第一方面所述的方法。
第四方面，本发明还提供了一种存储介质，非暂时性地存储计算机可读指令，其中，当所述非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，执行第一方面所述方法的指令。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该方法耦合了黎曼问题求解器、实际气体物性查表法、适用于实际气体物性的通量格式及降低查表带来的差值误差等技术，能够快速地、可靠地仿真模拟实际气体物性黎曼问题，尤其是针对高功率密度紧凑型的涡轮机械问题。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1给出了本发明实施例一的等效计算实现的计算流程图；
图2(a)和图2(b)给出了本发明实施例一的黎曼问题在物理空间和在CFD网格上的示意图；
图3给出了本发明实施例一的使用本发明中方法所得的数值纹影图；
图4给出了本发明实施例一的空气喷管仿真数据与实验数据的对比图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实施例所有数据的获取都在符合法律法规和用户同意的基础上，对数据的合法应用。
实施例一
本实施例提供了基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法；
如图1所示，基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法，包括：
S101：获取超临界二氧化碳涡轮机的进出口参数，所述进出口参数，包括：温度、压力和涡轮机的转速；
S102：对超临界二氧化碳涡轮机进行全三维建模，对建立的三维模型进行空间上的网格划分；
S103：基于获取的进出口参数和网格划分后的三维模型，对超临界二氧化碳涡轮机中的实际气体物性进行计算流体力学仿真，得到涡轮机内部的流场分布及流动情况。
本实施例，采用CFD求解器中的算法，对涡轮机中的实际气体物性进行计算流体力学仿真，可以实现精确的仿真，能够解决基于实际气体物性的可压缩黎曼旋转机械问题，进而根据涡轮机内部的流场分布情况，评估和优化涡轮机叶轮的机械性能。
进一步地，所述S102：划分的网格要达到进行计算流体力学仿真的需求。流体力学仿真需求，例如网格需要达到设定的质量。
进一步地，所述S103：基于获取的进出口参数和网格划分后的三维模型，对超临界二氧化碳涡轮机中的实际气体物性进行计算流体力学仿真，得到涡轮机内部的流场分布及流动情况；具体包括：
S1031：针对黎曼问题构建内能场e，压力场p，温度场T，当地声速场a，密度速度矢量场ρU，速度场U，密度能量场ρE，焓场h，以初始化计算流体力学仿真，初始实际气体物性由查表法以p和e为输入参数进行查表；
S1032：更新多参考系MRF(Multi-Reference Fram)内边界条件上的参数，初始化物理仿真时间并给定计算步长ΔT；所述边界条件，是指涡轮机三维模型的进出口参数和涡轮机壁面；所述参数，包括温度和压力；
S1033：判断当前迭代数i是否小于子循环数；如果是，就进入S1034；如果否，就结束一个物理时间步长的计算；
S1034：判断当前龙格-库塔Runge-Kutta加速迭代数β是否小于设定阈值；如果是，就进入S1035；如果否，就对当前迭代数i进行加1处理，返回S1033；所述设定阈值等于4；
S1035：使用压力场p、速度场U和内能场e，通过检索实际气体物性表，对仿真边界上的数值进行修正及更新；
S1036：计算Godunov通量，并求解控制方程；
S1037：更新多参考系MRF的系数(根据压力场p、速度场U和涡轮机的转速，更新下一个时间步的相对网络的位置)，以求解旋转参考系下实际气体的流动状态；
S1038：使用更新后的多参考系MRF的系数更新角度ρ和内能场e；
S1039：通过更新后的ρ和内能场e使用割线法更新压力场p；
S1040：使用压力场p和内能场e更新焓场h、温度场T、当地声速场a、ρ和边界上的值；
S1041：使用S1040步得到的物性参数，通过求解控制方程更新MRF系数和湍流特征值；
S1042：对迭代数β进行加一操作，返回S1034。
进一步地，所述S1036：计算Godunov通量，并求解控制方程；具体包括：
适用于多参考系的连续性方程：
Figure BDA0003308387230000071
其中，vrel是相对速度矢量，t是时间步长，
Figure BDA0003308387230000075
为微分数学算符；
适用于多参考系的动量方程：
Figure BDA0003308387230000072
其中，v是速度矢量，Ω是角速度矢量，σ是总剪切应力矢量；
适用于多参考系的能量方程：
Figure BDA0003308387230000073
其中，t是时间步长，vrot是旋转速度矢量，λ是导热系数，μ是动力黏度，μT是湍流动力黏度，TKE是湍动能。
进一步地，所述S1039：通过割线法更新压力场p；具体包括：
Figure BDA0003308387230000074
其中，L是指对应的查表法，Lρ(e,pn)是指使用e和pn查找它们对应的ρ值。
pn-1＝(1+δ)·pn (5)
其中，δ是指变化值，如1×10-6。
修正MRF系数和湍流特征值，并更新龙格-库塔Runge-Kutta的内循环记数β，如果β达到4，那么进入新的物理时间步长计算，并且i增加1。
结束计算之后，可以看出通过本方法计算得到的数值纹影图与实验所得纹影图相比基本重合。
黎曼问题，是指在CFD仿真过程中遇到的超音速问题，在数学上的表示为一个初始值间断的问题，如下式(6)所示，并如附图2(a)和图2(b)所示。
Figure BDA0003308387230000081
其中，U是流动参数矢量，x是二维坐标轴上的某一点，i和j分别表示在(x,0)这一点的左侧或者右侧。
CFD软件，可以是开源CFD软件OpenFOAM，也可以是Eilmer4，也可以是ANSYS等商业软件，只要可以根据本发明提供的方法植入即可。同时植入的编程语言也不应受限制，可以是C++，可以是Python等。
实际气体物性，是通过查表法进行查得的，同时查表方法需要两套物性参数表，一套是基于p和e的表，一套是基于ρ和e的表。
物性表中的实际气体物性来源不限于NIST的REFPROP或者CoolProp等数据库，也可以用户自行生成。
实施例的结果可以通过CFD软件进行后处理得到，如图3和图4所示。
图3和图4说明本方法可以准确的仿真基于实际气体物性的黎曼问题。
实际气体物性的通量格式，是基于HLLC ALE格式进行修改，该格式基于非稳态可压缩的欧拉方程，如下：
Figure BDA0003308387230000091
其中，Ω是仿真区域的数学表示，Γ是仿真区域的边界的数学表示，F为无黏通量矢量，由F和U由下式定义：
Figure BDA0003308387230000092
n为所在面的法向量，E为总的内能，
Figure BDA0003308387230000097
是指当前网格旋转速度矢量。
HLLC ALE通量求解器由下式定义：
Figure BDA0003308387230000093
式中，*号表示处于通量叠加区域，即左右两侧压力波的叠加区域，即，在这个区域要求解未来时间步长内的间断位置；
Figure BDA0003308387230000094
S是黎曼问题中波的传递速度，q是数值求解体系中的垂直相对速度，下角标K可以指i或者j，指代计算通量面左右两侧。
Figure BDA0003308387230000095
由此，黎曼问题中波的传播速度可以计算得到：
Figure BDA0003308387230000096
对于有限体积法的网格中，如图2(a)和图2(b)所示，左右网格间的通量可以由下式求得：
Figure BDA0003308387230000101
Figure BDA0003308387230000102
其中，Roe的速度与声速近似项可以由下式求得：
Figure BDA0003308387230000103
Figure BDA0003308387230000104
核心的，由于在求解ηγ函数：
Figure BDA0003308387230000105
使用近似方法，并且对于ρ，可以使用本方程描述的方法，使在计算网格交界面左右侧的数值时解除了数值依赖，可以直接使用查表法给定计算网格交界面左右侧相应的数值。
实施例二
本实施例提供了基于计算流体力学的实际气体物性仿真系统；
基于计算流体力学的实际气体物性仿真系统，包括：
获取模块，其被配置为：获取超临界二氧化碳涡轮机的进出口参数，所述进出口参数，包括：温度、压力和涡轮机的转速；
建模模块，其被配置为：对超临界二氧化碳涡轮机进行全三维建模，对建立的三维模型进行空间上的网格划分；
仿真模块，其被配置为：基于获取的进出口参数和网格划分后的三维模型，对超临界二氧化碳涡轮机中的实际气体物性进行计算流体力学仿真，得到涡轮机内部的流场分布及流动情况。
此处需要说明的是，上述获取模块、建模模块和仿真模块对应于实施例一中的步骤S101至S103，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
上述实施例中对各个实施例的描述各有侧重，某个实施例中没有详述的部分可以参见其他实施例的相关描述。
所提出的系统，可以通过其他的方式实现。例如以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如上述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时，可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合或者可以集成到另外一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
实施例三
本实施例还提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器、一个或多个存储器、以及一个或多个计算机程序；其中，处理器与存储器连接，上述一个或多个计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，该处理器执行该存储器存储的一个或多个计算机程序，以使电子设备执行上述实施例一所述的方法。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
实施例一中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
实施例四
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例一所述的方法。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法，其特征是，包括：
获取超临界二氧化碳涡轮机的进出口参数，所述进出口参数，包括：温度、压力和涡轮机的转速；
对超临界二氧化碳涡轮机进行全三维建模，对建立的三维模型进行空间上的网格划分；
基于获取的进出口参数和网格划分后的三维模型，对超临界二氧化碳涡轮机中的实际气体物性进行计算流体力学仿真，得到涡轮机内部的流场分布及流动情况。
2.如权利要求1所述的基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法，其特征是，划分的网格要达到进行计算流体力学仿真的需求。
3.如权利要求1所述的基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法，其特征是，基于获取的进出口参数和网格划分后的三维模型，对超临界二氧化碳涡轮机中的实际气体物性进行计算流体力学仿真，得到涡轮机内部的流场分布及流动情况；具体包括：
(1)针对黎曼问题构建内能场e，压力场p，温度场T，当地声速场a，密度速度矢量场ρU，速度场U，密度能量场ρE，焓场h，以初始化计算流体力学仿真，初始实际气体物性由查表法以p和e为输入参数进行查表；
(2)更新多参考系MRF内边界条件上的参数，初始化物理仿真时间并给定计算步长ΔT；所述边界条件，是指涡轮机三维模型的进出口参数和涡轮机壁面；所述参数，包括温度和压力；
(3)判断当前迭代数i是否小于子循环数；如果是，就进入下一步；如果否，就结束一个物理时间步长的计算；
(4)判断当前龙格-库塔Runge-Kutta加速迭代数β是否小于设定阈值；如果是，就进入下一步；如果否，就对当前迭代数i进行加1处理，返回上一步；
(5)使用压力场p、速度场U和内能场e，通过检索实际气体物性表，对仿真边界上的数值进行修正及更新；
(6)计算Godunov通量，并求解控制方程；
(7)更新多参考系MRF的系数，以求解旋转参考系下实际气体的流动状态；
(8)使用更新后的多参考系MRF的系数更新角度ρ和内能场e；
(9)通过更新后的ρ和内能场e使用割线法更新压力场p；
(10)使用压力场p和内能场e更新焓场h、温度场T、当地声速场a、ρ和边界上的值；
(11)使用上一步得到的物性参数，通过求解控制方程更新MRF系数和湍流特征值；
(12)对迭代数β进行加一操作，返回(4)。
4.如权利要求3所述的基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法，其特征是，所述计算Godunov通量，并求解控制方程；具体包括：
适用于多参考系的连续性方程：
Figure FDA0003308387220000021
其中，vrel是相对速度矢量，t是时间步长，
Figure FDA0003308387220000022
为微分数学算符；
适用于多参考系的动量方程：
Figure FDA0003308387220000023
其中，v是速度矢量，Ω是角速度矢量，σ是总剪切应力矢量；
适用于多参考系的能量方程：
Figure FDA0003308387220000031
其中，t是时间步长，vrot是旋转速度矢量，λ是导热系数，μ是动力黏度，μT是湍流动力黏度，TKE是湍动能。
5.如权利要求3所述的基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法，其特征是，通过更新后的ρ和内能场e使用割线法更新压力场p；具体包括：
Figure FDA0003308387220000032
其中，L是指对应的查表法，Lρ(e,pn)是指使用e和pn查找它们对应的ρ值；
pn-1＝(1+δ)·pn (5)
其中，δ是指变化值，如1×10-6。
6.如权利要求3所述的基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法，其特征是，黎曼问题，是指在CFD仿真过程中遇到的超音速问题，在数学上的表示为一个初始值间断的问题，如式(6)所示：
Figure FDA0003308387220000033
其中，U是流动参数矢量，x是二维坐标轴上的某一点，i和j分别表示在(x,0)这一点的左侧或者右侧。
7.如权利要求3所述的基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法，其特征是，实际气体物性的通量格式，是基于HLLC ALE格式进行修改，该格式基于非稳态可压缩的欧拉方程，如下：
Figure FDA0003308387220000041
其中，Ω是仿真区域的数学表示，Γ是仿真区域的边界的数学表示，F为无黏通量矢量，由F和U由下式定义：
Figure FDA0003308387220000042
其中，n为所在面的法向量，E为总的内能，
Figure FDA0003308387220000047
是指当前网格旋转速度矢量；
HLLC ALE通量求解器由式(9)定义：
Figure FDA0003308387220000043
其中，*号表示处于通量叠加区域，即左右两侧压力波的叠加区域，即，在这个区域要求解未来时间步长内的间断位置；
Figure FDA0003308387220000044
S是黎曼问题中波的传递速度，q是数值求解体系中的垂直相对速度，下角标K指i或者j，指代计算通量面左右两侧；
Figure FDA0003308387220000045
由此，黎曼问题中波的传播速度计算得到：
Figure FDA0003308387220000046
对于有限体积法的网格中，左右网格间的通量由下式求得：
Figure FDA0003308387220000051
Figure FDA0003308387220000052
其中，Roe的速度与声速近似项由下式求得：
Figure FDA0003308387220000053
Figure FDA0003308387220000054
核心的，由于在求解ηγ函数：
Figure FDA0003308387220000055
8.基于计算流体力学的实际气体物性仿真系统，其特征是，包括：
获取模块，其被配置为：获取超临界二氧化碳涡轮机的进出口参数，所述进出口参数，包括：温度、压力和涡轮机的转速；
建模模块，其被配置为：对超临界二氧化碳涡轮机进行全三维建模，对建立的三维模型进行空间上的网格划分；
仿真模块，其被配置为：基于获取的进出口参数和网格划分后的三维模型，对超临界二氧化碳涡轮机中的实际气体物性进行计算流体力学仿真，得到涡轮机内部的流场分布及流动情况。
9.一种电子设备，其特征是，包括：
存储器，用于非暂时性存储计算机可读指令；以及
处理器，用于运行所述计算机可读指令，
其中，所述计算机可读指令被所述处理器运行时，执行上述权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种存储介质，其特征是，非暂时性地存储计算机可读指令，其中，当所述非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，执行权利要求1-7任一项所述方法的指令。
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