CN115952624A - 一种叶轮机械真实流场的cfd加速分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶轮机械真实流场的CFD加速分析方法及系统。本方法为：1）选择流体工质、流体计算模型；2）CFD计算模块从流体数据库中获取所选流体的物性参数；3）CFD计算模块利用所选流体计算模型计算所述流体的流动状态；计算所述流体的流动状态时，首先判断当前的流体计算模型是否支持速查表；如果支持速查表，则根据当前的参数值在对应的热力学状态量速查表中进行线性插值，获得对应的热力学状态值；否则直接利用所选流体计算模型计算所述流体的流动状态。本发明能够大大加快真实流体属性的计算速度。

Description

一种叶轮机械真实流场的CFD加速分析方法及系统

技术领域

本发明属于计算机软件技术领域，具体涉及一种叶轮机械真实流场的CFD加速分析方法及系统。

背景技术

叶轮机械是一种以连续旋转叶片为本体，使能量在流体工质与轴动力之间相互转换的动力机械，在化工、制冷、发电、航空等行业中占据着重要的地位。对叶轮机械进行流场分析，一般指的是通过数值仿真，计算出流体稳态的速度、压力、温度等状态量的分布，从而得到效率、压比等导出量的分布。而在数值仿真的计算过程中，通常假定流体是理想气体，这会导致仿真结果和真实结果之间存在偏差。为了减少偏差，使用真实流体进行计算是必要的。

在使用真实流体进行CFD仿真计算时，对于某些流动模型的热力学状态计算迭代是非常耗时的，所以亟需一些改善的方法去加速真实流场的CFD加速计算。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种叶轮机械真实流场的CFD加速分析方法及系统，能够大大加快真实流体属性的计算速度。

本发明的技术方案为：

一种叶轮机械真实流场的CFD加速分析方法，其步骤包括：

1）选择流体工质、流体模型；

2）CFD计算模块从流体数据库中获取所选流体的物性参数；

3）CFD计算模块利用所选流体模型计算所述流体的流动状态；计算所述流体的流动状态时，首先判断当前的流体模型是否支持速查表；如果支持速查表，则根据当前的参数值在对应的热力学状态量速查表中进行线性插值，获得对应的热力学状态值；否则直接利用所选流体模型计算所述流体的流动状态。

进一步的，首先对所述CFD计算模块进行配置，包括边界条件设置、初始化设置、选项设置、求解器选项设置、收敛条件设置、多块设置、CFD启动设置；所述边界条件设置包括根据实际工况设置计算域进出口的计算类型和具体条件参数；所述计算域为所述CFD计算模块需要计算的空间区域；所述收敛条件设置包括设置相邻两次迭代所得质量流量残差的临界值，当达到设定的临界值时，认定计算结果收敛，停止计算。

进一步的，生成所述速查表的方法为：首先设置流体介质的压力P参量范围和焓H参量范围；在压力P参量范围平均取M个参量、在焓H参量范围内平均取N个参量，得到M*N个参量对并将其保存到一表格中；针对每一热力学状态量，调用流体模型计算每一参量对应的热力学状态值，得到对应热力学状态量的速查表。

进一步的，所述CFD计算模块通过CFD流体加载接口调用所述流体计算模块。

进一步的，所述流体包括但不限于烷烃类及其派生物、制冷剂、空气、水蒸气、二氧化碳、水；所述流体模型库中的模型包括：理想气体模型、半理想气体模型、正压模型、不可压模型、IF-97模型、PR模型、HEOS模型和混合模型；所述混合模型包括：理想气体模型+混合物模型、半理想气体模型+混合物模型、PR模型+混合物模型、HEOS模型+混合物模型。

一种叶轮机械真实流场的CFD加速分析系统，其特征在于，包括CFD计算模块、流体数据库、流体模型库、流体计算模块；

所述流体数据库，用于提供流体的物性参数；

所述流体模型库，用于提供流体模型；

所述CFD计算模块，用于从所述流体数据库中获取流体的物性参数，并调用所述流体模型库中的对应流体模型，计算流体的流动状态；以及当计算流体状态过程中涉及到状态方程、热状态方程、输运方程计算时调用所述流体计算模块进行计算；

所述流体计算模块，用于计算热力学状态量。

进一步的，所述流体计算模块包括速查表计算模式和流体模型计算模式；采用速查表计算模式计算流体的热力学状态量；采用流体模型计算模式计算流体的运动粘度；采用速查表计算模式计算流体的热力学状态量的方法为：首先设置一速查表模块，用于设置每一种流体介质的压力P参量范围和焓H参量范围；在压力P参量范围平均取M个参量、在焓H参量范围内平均取N个参量，得到M*N个参量对并将其保存到一表格中；针对每一热力学状态量，调用所述流体模型库中的流体模型计算每一参量对应的热力学状态值，得到对应热力学状态量的速查表；然后当计算流体的热力学状态量时，根据当前的参数值在对应的热力学状态量速查表中进行线性插值，获得对应的热力学状态值。

进一步的，所述热力学状态量包括密度、压强、温度、焓、熵、比热。

一种服务器，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，所述计算机程序被配置为由所述处理器执行，所述计算机程序包括用于执行上述方法中各步骤的指令。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

本发明的优点如下：

本发明通过增加流体计算速查表，采用快速生成速查表后每次进行线性插值的计算代替每次直接计算热力学状态量，网格节点越多或迭代步数越多累计节省的时间就越多，从而能够大大加快真实流体属性的计算速度。另外在流体模型库中，考虑到流体的不同流动形态对热量传递和质量传递的影响不同，每个模型内部对于不同的流动形态有相应的模型方程；在流体计算时，会自动判断流体的流动形态是液态流、气态流、两相流、超临界流中哪种，然后匹配相应流动形态的模型方程进行计算，从而更精确的得到真实流体工况的的仿真结果。

附图说明

图1为CFD加速分析系统组成示意图。

图2为 CFD加速分析方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供一种叶轮机械真实流场的CFD加速分析系统，该系统如图1所示，包括：CFD计算模块、流体数据库、流体模型库、流体计算模块、CFD流体加载接口、流体计算速查表；

CFD计算模块被配置为：通过NS方程（纳维-斯托克斯方程，包括可压缩和不可压缩两种方程）计算流体的流动状态；在整个过程中，涉及状态方程（描述压力、密度、温度三者关系的方程）、热状态方程（描述焓、熵与压力、温度的关系的方程）、输运方程（用于计算粘度、热传导率的方程）的时候需要调用流体计算模块进行计算；

流体数据库被配置为：用于提供流体的物性参数；其数据来源于实验数据，且不同的流体工质的物性参数是不同的；做真实流场CFD计算时流体工质可以选择流体数据库的某一个流体作为单质或拟单质、又或者选择多个流体构成混合物；

流体模型库被配置为：用于提供多个流体模型供CFD计算模块根据需要调用，可以针对不同流体介质选择适合的模型用于计算，包括：理想气体模型、半理想气体模型、正压模型、不可压模型、IF-97模型（IAPWS-IF97水蒸气模型）、PR模型（Peng-Robinson方程）、HEOS模型（Helmholtz状态方程）、理想气体+混合物模型、半理想气体模型+混合物模型、PR模型+混合物模型、HEOS模型+混合物模型等。

流体计算模块被配置为：用于计算热力学状态量。该流体计算模块包括速查表计算模式和流体模型计算模式。对于密度、压强、温度、焓、熵、比热等热力学状态量，只要已知任意两个，就能计算出其他量的值。对于运动粘度，直接进行计算。

CFD流体加载接口被配置为：为CFD计算模块和流体计算模块之间提供调用接口。

速查表模块被配置为：通过设置流体介质的压力P和焓H的参量范围，在范围内平均取M*N个参量，调用流体模型库中的计算模型，将M*N个参量对应的热力学状态如熵S,密度Rho,温度T,粘性系数Vis等计算出来；并将所有参量及其对应的不同热力学状态计算结果分别保存到相应表格里面，形成各自的流体计算速查表，如熵S速查表,密度Rho速查表,温度T速查表,粘性系数Vis速查表。在流体计算时，可以快速利用流体计算速查表进行线性插值获得结果，从而加快真实流体属性的计算速度。

进一步的，在流体模型库中，考虑到流体的不同流动形态对热量传递和质量传递的影响不同，每个模型内部对于不同的流动形态有相应的模型方程；在流体计算时，会自动判断流体的流动形态是液态流、气态流、两相流、超临界流中哪种，然后匹配相应流动形态的模型方程进行计算。

优选的，速查表模块只有在流体模型库选择IF-97模型、HEOS模型或HEOS模型+混合物模型时有效。

优选的，速查表模块中，只有在第一次开启速查表模块时，会自动调用流体模型模块生成速查表；

进一步的，在流体数据库中流体工质包括但不限于烷烃类及其派生物、制冷剂、常见流体（空气、水蒸气、二氧化碳、水等）。

一种叶轮机械真实流场的CFD加速分析方法，其流程如图2所示，具体步骤如下：

S1、选择流体工质；

S2、选择流体模型；

S3、加载流体数据库；

S4、配置CFD计算模块；

S5、CFD前处理；

S6、CFD计算模块判断流体模型是否支持速查表，如果支持，则跳转到S7，否则跳转到S13；

S7、开启速查表功能，设置速查表输入参量的取值范围；

S8、生成速查表；

S9、调用速查表进行CFD迭代求解，直至结果接近收敛条件，跳转到S13；

S10、关闭速查表功能；

S13、继续CFD迭代求解直至达到收敛条件，结束求解；

S14、CFD后处理。

进一步的，CFD前处理中，通过对几何模型进行合理简化，然后设置轴向、周向、径向三个方向网格节点数和增长因子等参数来进行CFD计算网格的生成。

进一步的，配置CFD计算模块的步骤中包含边界条件设置、初始化设置、选项设置；求解器选项设置、收敛条件设置、多块设置、CFD启动设置等；

边界条件设置：用于根据实际工况设置计算域进出口的计算类型和具体条件参数；计算域是指CFD计算模块需要计算的空间区域，一般指的是从叶轮机械的进口到出口用于流体流通的区域；进出口是指进口面和出口面。

初始化设置：根据设定的边界条件来估算整个CFD数值模拟过程中迭代计算的初值；

选项设置：可以对计算域的进口、出口进一步详细设置其边界条件模型，针对动静交互面选择数据传递方式，对于壁面的有无反射进行设定；

求解器选项设置：用于选择分析计算所采用的湍流模型、壁面处理方式、时间推进格式、分解矩阵自由参数；

收敛条件设置：设置残差均方根和或质量流量残差的临界值，达到设定的临界值时，认定计算结果收敛；迭代后一步的流场值与前一步的流场值作差，得到的结果为残差。

多块设置：用于选择可压缩与不可压缩、空间离散格式、Merkle预处理、全局残差光顺处理、求解精度、中间结果的保存。其中，可以选择的空间离散格式有：中心差分、三阶迎风（AUSM）格式、一阶迎风（AUSM）格式；

CFD启动设置：用于设置运行参数：定常或非定常、求解时是否绘制残差曲线。

进一步的，S8生成速查表时，需要通过S7中设置的压力P和焓H的参量范围，在范围内平均取M*N个参量，调用流体模型库中的计算模型，将M*N个参量对应的热力学状态如熵S,密度Rho,温度T,粘性系数Vis等计算出来；并将所有参量及其对应的不同热力学状态计算结果分别保存到相应表格里面，形成各自的流体计算速查表，如熵S速查表,密度Rho速查表,温度T速查表,粘性系数Vis速查表。在流体计算时，可以快速利用流体计算速查表进行线性插值获得结果，从而加快真实流体属性的计算速度。

一种服务器，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，所述计算机程序被配置为由所述处理器执行，所述计算机程序包括用于执行上述方法中各步骤的指令。

一种存储介质，其特征是，非暂时性的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，执行上述一种叶轮机械真实流场的CFD加速分析方法的任一步骤。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种叶轮机械真实流场的CFD加速分析方法，其步骤包括：

1）选择流体工质、流体模型；

2）CFD计算模块从流体数据库中获取所选流体的物性参数；

3）CFD计算模块利用所选流体模型计算所述流体的流动状态；计算所述流体的流动状态时，首先判断当前的流体模型是否支持速查表；如果支持速查表，则根据当前的参数值在对应的热力学状态量速查表中进行线性插值，获得对应的热力学状态值；否则直接利用所选流体模型计算所述流体的流动状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，首先对所述CFD计算模块进行配置，包括边界条件设置、初始化设置、选项设置、求解器选项设置、收敛条件设置、多块设置、CFD启动设置；所述边界条件设置包括根据实际工况设置计算域进出口的计算类型和具体条件参数；所述计算域为所述CFD计算模块需要计算的空间区域；所述收敛条件设置包括设置相邻两次迭代所得质量流量残差的临界值，当达到设定的临界值时，认定计算结果收敛，停止计算。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，生成所述速查表的方法为：首先设置流体介质的压力P参量范围和焓H参量范围；在压力P参量范围平均取M个参量、在焓H参量范围内平均取N个参量，得到M*N个参量对并将其保存到一表格中；针对每一热力学状态量，调用流体模型计算每一参量对应的热力学状态值，得到对应热力学状态量的速查表。

4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述CFD计算模块通过CFD流体加载接口调用所述流体计算模块。

5.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述流体包括但不限于烷烃类及其派生物、制冷剂、空气、水蒸气、二氧化碳、水；所述流体模型库中的模型包括：理想气体模型、半理想气体模型、正压模型、不可压模型、IF-97模型、PR模型、HEOS模型和混合模型；所述混合模型包括：理想气体模型+混合物模型、半理想气体模型+混合物模型、PR模型+混合物模型、HEOS模型+混合物模型。

6.一种叶轮机械真实流场的CFD加速分析系统，其特征在于，包括CFD计算模块、流体数据库、流体模型库、流体计算模块；

所述流体数据库，用于提供流体的物性参数；

所述流体模型库，用于提供流体模型；

所述CFD计算模块，用于从所述流体数据库中获取流体的物性参数，并调用所述流体模型库中的对应流体模型，计算流体的流动状态；以及当计算流体状态过程中涉及到状态方程、热状态方程、输运方程计算时调用所述流体计算模块进行计算；

所述流体计算模块，用于计算热力学状态量。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述流体计算模块包括速查表计算模式和流体模型计算模式；采用速查表计算模式计算流体的热力学状态量；采用流体模型计算模式计算流体的运动粘度；采用速查表计算模式计算流体的热力学状态量的方法为：首先设置一速查表模块，用于设置每一种流体介质的压力P参量范围和焓H参量范围；在压力P参量范围平均取M个参量、在焓H参量范围内平均取N个参量，得到M*N个参量对并将其保存到一表格中；针对每一热力学状态量，调用所述流体模型库中的流体模型计算每一参量对应的热力学状态值，得到对应热力学状态量的速查表；然后当计算流体的热力学状态量时，根据当前的参数值在对应的热力学状态量速查表中进行线性插值，获得对应的热力学状态值。

8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述热力学状态量包括密度、压强、温度、焓、熵、比热。

9.一种服务器，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，所述计算机程序被配置为由所述处理器执行，所述计算机程序包括用于执行权利要求1至5任一所述方法中各步骤的指令。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5任一所述方法的步骤。

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