CN113742988A - 一种基于无网格粒子法的离心泵数值模拟方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无网格粒子法的离心泵数值模拟方法及系统，包括：对离心泵的三维模型进行数据处理，构建壁面粒子模型；将壁面粒子模型导入初始流体粒子布置程序进行处理，获取初始流体粒子数据；将壁面粒子模型与初始流体粒子数据导入数值计算程序，获取瞬时粒子坐标信息以及当前时刻的速度、压力参数；根据数据信息，绘制压力云图、速度云图、流线图、迹线图和性能曲线图。本方法摆脱传统数值模拟方法对于网格的依赖，发挥粒子法无拓扑结构、无需切分流通域，可整体离散模型、整体求解流场的优势，能够方便快速的求解离心泵模型内流流场并得到高精度数值解。

Description

一种基于无网格粒子法的离心泵数值模拟方法及系统
技术领域
本发明属于流体力学领域，涉及一种基于无网格粒子法的离心泵数值模拟方法及系统。
背景技术
流体机械的内流仿真在现代透平机械设计环节中起着至关重要的作用，然而随着内流现象的复杂化，如多相流和相变等，针对实际流动的仿真计算变得越来越困难。传统网格法如有限体积法和有限差分法等在计算透平机械过程中往往需要引入一定假设或简化方法。例如，转子冻结法假设坐标系旋转而转子固定；多重坐标系法假定流动定常；混合平面法在界面处平均流动参数。以上假设或简化方法降低了动静干涉和复杂现象等重要流动机理的影响，可以获得流动的统计特性参数，但容易忽略一些流动的本质细节。此外，传统基于网格剖分的数值方法针对流体计算域形状的剧烈变化，常采用网格调整和重构技术来处理，如动网格和滑移网格法，但这些方法过程复杂且面临网格质量下降和收敛性变差的风险。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种基于无网格粒子法的离心泵数值模拟方法及系统，定义法向光滑角度为评判标准，建立高精度壁面粒子模型，利用粒子的自适应性填充获取初始流体域，通过MPS-GSW-NSD求解器进行流场计算，利用自编程方法进行计算结果处理。本方法摆脱传统数值模拟方法对于网格的依赖，发挥粒子法无拓扑结构、无需切分流通域，可整体离散模型、整体求解流场的优势，能够方便快速的求解离心泵模型内流流场并得到高精度数值解。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于无网格粒子法的离心泵数值模拟方法，包括：
对离心泵的三维模型进行数据处理，构建壁面粒子模型；
将壁面粒子模型导入初始流体粒子布置程序进行处理，获取初始流体粒子数据；
将壁面粒子模型与初始流体粒子数据导入数值计算程序，获取瞬时粒子坐标信息以及当前时刻的速度、压力参数；
根据瞬时粒子坐标信息以及当前时刻的速度、压力参数，绘制压力云图、速度云图、流线图、迹线图和性能曲线图。
本发明的进一步改进在于：
对离心泵的三维模型进行数据处理，构建壁面粒子模型包括：
1-1:利用单一尺寸的面网格初步对离心泵三维模型进行离散，提取节点坐标并对应生成壁面粒子；
1-2:计算壁面粒子法向量并对壁面粒子模型进行离散精度评估，得到模型离散精度数值以及离散误差分布图；
1-3:根据误差分布图，局部嵌套加密不满足离散精度的部位，得到局部嵌套加密后的壁面粒子模型；
1-4:对局部嵌套加密后的壁面粒子模型再次进行离散精度评估，判定是否达到离散精度要求，若否，重复1-2、1-3和1-4；若满足，生成壁面粒子模型。
离散精度评估方法基于法向光滑角度，壁面粒子i的法向光滑角度由公式(1)计算：
Figure BDA0003255381970000031
其中ni为i粒子的法向量；nik为i粒子周围第k搜索方向内最近壁面粒子的法向量；D为搜索方向数目，输出每个粒子的空间位置并用颜色分布表示其NSA数值大小，得到离散误差分布图；NSA表示为法向光滑角度；
模型的离散精度通过将每个壁面粒子的NSA数值取标准差由公式(2)计算得：
Figure BDA0003255381970000032
其中，
Figure BDA0003255381970000033
为壁面粒子的法向光滑角度的平均值。
局部嵌套为采用高分辨率离散精度不足的部件，得到满足精度要求的新壁面粒子模型，在新壁面粒子模型中仅保留离散精度不足的部件，删除其余粒子，将该部件高分辨率粒子数据与满足精度的部件进行嵌套，得到局部嵌套加密后的壁面粒子模型。
将壁面粒子模型导入初始流体粒子布置程序进行处理，包括：
2-1:确定边界条件，设定计算参数并初始化；
2-2:利用移动速度进口边界条件填充初始流体粒子；
2-3:利用MPS-GSW-NSD求解器，计算当前时间层的流场；
2-4:统计流体粒子总数和平均粒子数密度，观察壁面模型是否被流体粒子充满，若是，执行2-5；若否，采用第一时间步长推进时间层，重复2-2、2-3和2-4；
2-5:观察平均粒子数密度的数值是否不再变化，若是，执行2-6；若否，采用第二时间步长推进时间层，重复2-3、2-4和2-5；
2-6:输出流体粒子坐标值，作为初始流体粒子。
边界条件包括速度进口和通用光滑壁面边界，壁面法向量采用局部表面拟合法进行计算，计算参数包括流体粘性、密度、重力加速度、计算时长、粒子数密度常数、搜索半径和弱可压系数，初始化即归零速度、压力和时间变量；
所述第一时间步长、第二时间步长计算式分别为公式(3)和公式(4)：
Figure BDA0003255381970000041
Figure BDA0003255381970000042
Δt1为第一时间步长，Δt2为第二时间步长，l0为流体粒子的直径；umax为流体粒子的最大速度。
将壁面粒子模型与初始流体粒子数据导入数值计算程序包括：
3-1：导入壁面粒子模型和初始流体粒子坐标，划分旋转部件和静止部件，初始化计算参数；
3-2：更新旋转部件的位移、速度和法向量，进、出口边界作用于流体粒子；
3-3：利用MPS-GSW-NSD求解器计算当前时间层的流场，判断当前时间层流场是否达到计算终止时刻，若是，执行3-4；若否，输出瞬时粒子的流动参数和坐标信息，时间层推进，重复3-2和3-3；
3-4：输出瞬时粒子坐标信息以及当前时刻的速度、压力参数。
进口边界条件为基于进口圆环的三维充分发展速度入流边界，出口边界为移动虚拟壁面压力出流边界。
绘制压力云图、速度云图、流线图、迹线图和性能曲线图包括：压力云图和速度云图为将压力、速度数据导入TECPLOT软件生成，将速度矢量数据导入PARAVIEW软件即生成流线图；将多个时刻某一流体微团的位置坐标导入TECPLOT软件即生成该微团的流动迹线图；在进口/出口截面处统计流体粒子的压力平均值，得到进口/出口压力；进出口压差即为扬程，改变进口流速，得到多组扬程数据并绘制性能曲线。
一种基于无网格粒子法的离心泵数值模拟系统，包括：
构建模块，所述构建模块用于对离心泵的三维模型进行数据处理，构建壁面粒子模型；
第一数据处理模块，所述第一数据处理模块用于将壁面粒子模型导入初始流体粒子布置程序进行处理，获取初始流体粒子数据；
第二数据处理模块，所述第二数据处理模块用于将壁面粒子模型与初始流体粒子数据导入数值计算程序，获取瞬时粒子坐标信息以及当前时刻的速度、压力参数；
绘制模块，所述绘制模块用于根据瞬时粒子坐标信息以及当前时刻的速度、压力参数，绘制压力云图、速度云图、流线图、迹线图和性能曲线图。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出了一种基于无网格粒子法的离心泵数值模拟方法及系统，在本方法中，无需分块处理流体域，对于流体机械内部形状复杂的流通域，均可利用粒子的自适应性填充布置；可整体离散模型，整体求解流场，无需引入额外简化条件或假设；提出的可视化离散精度评估技术可在较短的周期内，快速准确的建立高精度壁面粒子模型；局部嵌套加密技术克服了传统加密技术较难实现相邻网格模块之间的网格加密突跃的困难，基于拉格朗日法无固定拓扑结构和GSW边界壁面粒子尺度无影响的特性，可将局部结构进行独立加密并与其他结构直接组合，实现薄壁结构的高精度离散与法向量的准确计算。根据输出的流体数据直接查看流体微团运动轨迹，输出迹线，研究流动机理，进出口边界可提供准确、稳定的进口速度与出口压力。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例的基于无网格粒子法的离心泵数值模拟方法的流程示意图；
图2为本发明的壁面粒子模型建立过程示意图；
图3为采用0.3mm分辨率时叶轮模型的离散误差分布图；
图4为采用0.3mm分辨率时蜗壳模型的离散误差分布图；
图5为进、出口边界原理示意图；
图6为初始流体粒子位置示意图；
图7为采用本发明方法和有限体积法得到的压力分布对比图；
其中，a为采用本发明方法得到的压力分布图；
b为采用有限体积法得到的压力分布图；
图8为四个压力监测点的位置示意图；
图9为本发明实施例在监测点位置的压力计算结果与有限体积法计算结果的对比图；
图10为本发明进口、出口压力随时间变化图；
图11为本发明基于无网格粒子法的离心泵数值模拟系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本实施例公开了一种基于无网格粒子法的离心泵数值模拟方法，包括：
步骤1，将离心泵三维模型导入ANSYS ICEM软件，利用非结构三角形面网格离散几何模型并输出网格文件，提取网格文件中的节点坐标数据对应生成壁面粒子，如图2所示，原则上，壁面粒子间距小于流体粒子直径；
步骤2，将壁面粒子模型先导入用FORTRAN语言编写的法向量计算程序，计算每个壁面粒子的法向量，再将包含法向量信息的粒子数据导入离散精度评估程序，计算每个粒子的法向光滑角度和模型的离散精度，将包含粒子空间坐标和法向光滑角度的文件导入TECPLOT软件，输出离散误差分布图，蜗壳、叶轮的离散误差分布图如图3和图4所示，颜色越亮部位离散精度越低，如隔舌、圆角等，颜色越暗部分离散精度越高，如侧壁平面等。
步骤3，对离散精度较低的部位进行局部嵌套加密：重复步骤1，采用尺寸更小的面网格单元离散几何模型，得到分辨率更高的壁面粒子模型，仅保留步骤2中判断为离散精度不足的部位的壁面粒子，删除其余粒子，将该部分高分辨率粒子数据直接嵌套进原步骤1建立的粒子数据文件，得到局部嵌套加密后的壁面粒子模型。
步骤4，将局部嵌套后的壁面粒子模型再次计算法向量并导入离散精度评估程序，生成新的离散误差分布图，观察局部离散精度是否满足要求，若否，重复步骤3和步骤4。
步骤5，将生成的高精度壁面粒子模型导入初始流体粒子布置程序，确定进口、出口边界位置，进口边界设为速度入流，出口边界设为壁面，设置通用光滑壁面边界参数以及流体的物性参数、重力加速度、粒子数密度常数等，初始化时间、速度、压力等变量。
步骤6，利用移动速度进口边界条件填充初始流体粒子：原理如图5所示，在进口起始段设置速度固定区域，该区域内的流体粒子速度设为定值，进入计算区域后的粒子正常参与计算；采取划分进口单元格的方式添加进口粒子，在每个时间步依次判断进口单元格内是否为空，若为空则添加新的进口流体粒子，三维情况下进口单元格改为进口圆环。
步骤7，利用MPS-GSW-NSD求解器计算当前时刻流场，输出流体粒子坐标和平均粒子数密度，若进口管道内仍未充满流体粒子，则以第一时间步长推进时间层并重复步骤6和步骤7，反之，则监测平均粒子数密度变化，若平均粒子数密度仍在波动，则以第二时间步长推进时间层并重复步骤6和步骤7，反之，则输出流体粒子坐标并将这些流体粒子作为初始流体粒子进行布置，如图6所示。
步骤8，将壁面粒子模型与初始流体粒子数据导入数值计算程序，根据壁面粒子序号划分旋转部件与静止部件，根据工况设置进口速度、出口压力等参数，初始化时间、速度和压力等变量。
步骤9，更新旋转部件法向量，进口设为充分发展速度入流边界，出口设为压力出流边界，压力出口边界基于GSW模型，原理如图4所示，划定出口管道末段为出口区域，区域内流体粒子受到虚拟壁面作用，虚拟壁面随流体粒子移动且缓慢加载压力，使得流体粒子的背压逐渐升高，当背压达到设定值时删除粒子。
步骤10，利用MPS-GSW-NSD求解器计算当前时刻流场，判断是否达到计算终止时刻，若否，输出瞬时粒子坐标信息以及当前时刻的速度、压力等参数并推进时间层，重复步骤9和步骤10。
步骤11，将速度、压力等数据导入TECPLOT软件进行后处理，生成速度云图与压力云图等，参见图7，图7为采用本发明方法和有限体积法得到的压力分布对比图，可见两者结果基本一致；在图8所示位置设置四个压力监测点，测量计算稳态后的压力值并与有限体积法仿真结果对比，结果如图9所示。将某一时刻的速度矢量数据导入PARAVIEW软件即可生成流线图；将多个时刻某一流体微团的位置坐标导入TECPLOT软件并同时显示，即可生成该微团的流动迹线图；在进口/出口截面处统计流体粒子的压力平均值即可得进口/出口压力，如图10所述；进出口压差即为扬程，改变进口流速(流量)重复步骤1到步骤11即可计算出多组扬程数据并绘制性能曲线。
参见图11，图11公布了一种基于无网格粒子法的离心泵数值模拟系统，包括：
构建模块，所述构建模块用于对离心泵的三维模型进行数据处理，构建壁面粒子模型；
第一数据处理模块，所述第一数据处理模块用于将壁面粒子模型导入初始流体粒子布置程序进行处理，获取初始流体粒子数据；
第二数据处理模块，所述第二数据处理模块用于将壁面粒子模型与初始流体粒子数据导入数值计算程序，获取瞬时粒子坐标信息以及当前时刻的速度、压力参数；
绘制模块，所述绘制模块用于根据瞬时粒子坐标信息以及当前时刻的速度、压力参数，绘制压力云图、速度云图、流线图、迹线图和性能曲线图。
以上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)

1.一种基于无网格粒子法的离心泵数值模拟方法，其特征在于，包括：
对离心泵的三维模型进行数据处理，构建壁面粒子模型；
将壁面粒子模型导入初始流体粒子布置程序进行处理，获取初始流体粒子数据；
将壁面粒子模型与初始流体粒子数据导入数值计算程序，获取瞬时粒子坐标信息以及当前时刻的速度、压力参数；
根据瞬时粒子坐标信息以及当前时刻的速度、压力参数，绘制压力云图、速度云图、流线图、迹线图和性能曲线图。
2.根据权利要求1所述的基于无网格粒子法的离心泵数值模拟方法，其特征在于，所述对离心泵的三维模型进行数据处理，构建壁面粒子模型包括：
2-1:利用单一尺寸的面网格初步对离心泵三维模型进行离散，提取节点坐标并对应生成壁面粒子；
2-2:计算壁面粒子法向量并对壁面粒子模型进行离散精度评估，得到模型离散精度数值以及离散误差分布图；
2-3:根据误差分布图，局部嵌套加密不满足离散精度的部位，得到局部嵌套加密后的壁面粒子模型；
2-4:对局部嵌套加密后的壁面粒子模型再次进行离散精度评估，判定是否达到离散精度要求，若否，重复2-2、2-3和2-4；若满足，生成壁面粒子模型。
3.根据权利要求2所述的基于无网格粒子法的离心泵数值模拟方法，其特征在于，所述离散精度评估方法基于法向光滑角度，壁面粒子i的法向光滑角度由公式(1)计算：
Figure FDA0003255381960000021
其中ni为i粒子的法向量；nik为i粒子周围第k搜索方向内最近壁面粒子的法向量；D为搜索方向数目，输出每个粒子的空间位置并用颜色分布表示其NSA数值大小，得到离散误差分布图；NSA表示为法向光滑角度；
模型的离散精度通过将每个壁面粒子的NSA数值取标准差由公式(2)计算得：
Figure FDA0003255381960000022
其中，
Figure FDA0003255381960000023
为壁面粒子的法向光滑角度的平均值。
4.根据权利要求2所述的基于无网格粒子法的离心泵数值模拟方法，其特征在于，所述局部嵌套为采用高分辨率离散精度不足的部件，得到满足精度要求的新壁面粒子模型，在新壁面粒子模型中仅保留离散精度不足的部件，删除其余粒子，将该部件高分辨率粒子数据与满足精度的部件进行嵌套，得到局部嵌套加密后的壁面粒子模型。
5.根据权利要求1所述的基于无网格粒子法的离心泵数值模拟方法，其特征在于，所述将壁面粒子模型导入初始流体粒子布置程序进行处理，包括：
5-1:确定边界条件，设定计算参数并初始化；
5-2:利用移动速度进口边界条件填充初始流体粒子；
5-3:利用MPS-GSW-NSD求解器，计算当前时间层的流场；
5-4:统计流体粒子总数和平均粒子数密度，观察壁面模型是否被流体粒子充满，若是，执行5-5；若否，采用第一时间步长推进时间层，重复5-2、5-3和5-4；
5-5:观察平均粒子数密度的数值是否不再变化，若是，执行5-6；若否，采用第二时间步长推进时间层，重复5-3、5-4和5-5；
5-6:输出流体粒子坐标值，作为初始流体粒子。
6.根据权利要求5所述的基于无网格粒子法的离心泵数值模拟方法，其特征在于，所述边界条件包括速度进口和通用光滑壁面边界，壁面法向量采用局部表面拟合法进行计算，计算参数包括流体粘性、密度、重力加速度、计算时长、粒子数密度常数、搜索半径和弱可压系数，初始化即归零速度、压力和时间变量；
所述第一时间步长、第二时间步长计算式分别为公式(3)和公式(4)：
Figure FDA0003255381960000031
Figure FDA0003255381960000032
Δt1为第一时间步长，Δt2为第二时间步长，l0为流体粒子的直径；umax为流体粒子的最大速度。
7.根据权利要求1所述的基于无网格粒子法的离心泵数值模拟方法，其特征在于，所述将壁面粒子模型与初始流体粒子数据导入数值计算程序包括：
7-1：导入壁面粒子模型和初始流体粒子坐标，划分旋转部件和静止部件，初始化计算参数；
7-2：更新旋转部件的位移、速度和法向量，进、出口边界作用于流体粒子；
7-3：利用MPS-GSW-NSD求解器计算当前时间层的流场，判断当前时间层流场是否达到计算终止时刻，若是，执行7-4；若否，输出瞬时粒子的流动参数和坐标信息，时间层推进，重复7-2和7-3；
7-4：输出瞬时粒子坐标信息以及当前时刻的速度、压力参数。
8.根据权利要求7所述的基于无网格粒子法的离心泵数值模拟方法，其特征在于，所述进口边界条件为基于进口圆环的三维充分发展速度入流边界，出口边界为移动虚拟壁面压力出流边界。
9.根据权利要求1所述的基于无网格粒子法的离心泵数值模拟方法，其特征在于，所述绘制压力云图、速度云图、流线图、迹线图和性能曲线图包括：压力云图和速度云图为将压力、速度数据导入TECPLOT软件生成，将速度矢量数据导入PARAVIEW软件即生成流线图；将多个时刻某一流体微团的位置坐标导入TECPLOT软件即生成该微团的流动迹线图；在进口/出口截面处统计流体粒子的压力平均值，得到进口/出口压力；进出口压差即为扬程，改变进口流速，得到多组扬程数据并绘制性能曲线。
10.一种基于无网格粒子法的离心泵数值模拟系统，其特征在于，包括：
构建模块，所述构建模块用于对离心泵的三维模型进行数据处理，构建壁面粒子模型；
第一数据处理模块，所述第一数据处理模块用于将壁面粒子模型导入初始流体粒子布置程序进行处理，获取初始流体粒子数据；
第二数据处理模块，所述第二数据处理模块用于将壁面粒子模型与初始流体粒子数据导入数值计算程序，获取瞬时粒子坐标信息以及当前时刻的速度、压力参数；
绘制模块，所述绘制模块用于根据瞬时粒子坐标信息以及当前时刻的速度、压力参数，绘制压力云图、速度云图、流线图、迹线图和性能曲线图。
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