CN118246201A - 涡轮叶片多孔介质液-气相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡轮叶片多孔介质液‑气相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算方法，包括模型构建、介质属性设置、多相流设置、多孔介质域设置、计算配置、控制参数设置、边界和监控配置。通过对仿真条件进行组合优化设置，解决了模拟过程中的不收敛问题，且提高了仿真的稳定性和准确度。本发明通过对多孔介质中发汗冷却机理的深入探索和理解，为多孔介质相变发汗冷却技术的工业实践和应用奠定了坚实的理论和技术基础，为相关领域带来创新性的设计思路和解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及冷却技术领域，特别是一种涡轮叶片多孔介质液-气相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算方法。
背景技术
在航空发动机等高温环境下工作的涡轮叶片，其温度管理对于确保发动机性能和寿命至关重要。传统的涡轮叶片冷却方法包括气体冷却、液体冷却等，但随着工作温度的不断提高，这些方法已难以满足冷却需求。相变发汗冷却作为新型冷却技术，因其高效的冷却能力而受到关注。相变发汗冷却是一种先进的冷却方法，它利用液体在叶片内部的微孔通道中吸热蒸发成气体，通过这种相变过程有效地从叶片表面带走热量，从而降低叶片温度。然而，对于相变发汗冷却技术，其模型内部复杂的多孔介质会导致模拟流体在多孔介质中的流动面临诸多的影响，包括孔隙率、渗透性等多孔介质特性对流体动力学的影响。其次液-气相变过程涉及复杂的热力学行为，包括潜热的释放、温度和压力对相变过程的影响，以及相变过程中的热传导和对流机制。这些问题都会降低计算的稳定性，增加仿真计算的困难程度。除计算困难外，准确模拟相变发汗冷却过程通常需要非常细致的网格划分和高精度的数值方法，导致计算成本高昂，尤其是对于内部结构复杂的系统。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，解决相变发散冷却的数值仿真研究收敛性较差的问题，本发明的目的是提供一种涡轮叶片多孔介质液-气相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算方法，通过对仿真条件进行组合优化设置，解决了模拟过程中的不收敛问题，且提高了仿真的稳定性和准确度，为相变发汗冷却过程研究提供了更为精确的数值分析方法。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种涡轮叶片多孔介质液-气相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算方法，其特征在于：通过对仿真配置进行优化组合设置，解决模拟过程中的不收敛问题，提高仿真的稳定性和准确度，为相变发汗冷却过程提供精确的数值分析基础；包括以下步骤：
步骤一：模型构建：首先明确研究多孔介质相变和发散冷却过程中多孔介质区域与冷却介质计算域的几何特点，生成相应的网格文件并导入至仿真软件中。针对计算精度和运算量的平衡，将多孔介质相变分为两个独立计算段。首先计算主要流体域，获得多孔介质表面的换热量；进而仿真多孔介质及冷却介质之间的域，确定冷却介质的相变过程。
步骤二：介质属性设置：在仿真软件数据库中额外添加两种介质：液态水和水蒸汽，除了标准气态空气外，并根据研究要求调整相应的物理属性，特别是密度和粘度参数以提高模拟精度。
步骤三：多相流设置：模型中选用体积流体模型和混合流体模型以提升稳定性，并加入已设置的三种介质。调整液态水和水蒸汽的相变设置，相变温度则根据压力与沸点关系进行选取。
步骤四：多孔介质域设置：采用κ-ωSST湍流模型，并在高网格质量的条件下考虑使用更复杂的湍流模型。勾选多孔域选项，按照研究所需材料参数设置孔隙率以及多孔介质材质。在多孔介质设置中，对空气、液态水、水蒸气三种介质分别配置ViscousResistance和Inertial Resistance参数，基于文献中的物理属性进行计算得出。
步骤五：计算配置：使用couple算法以提升收敛速度。若遇到收敛困难，考虑初步使用一阶迎风格式稳定计算场，待初步稳定后切换至高阶格式，尤其是在能量方程较难收敛的情况下。
步骤六：控制参数设置：在Control设置中，参数可保持默认，增加计算稳定性可以通过调节湍流和能量的factor数值。设置限制器以限制压力和温度的上下限，提升计算的稳定性，并根据计算情况适当调整time scale factor以加速收敛过程。
步骤七：边界和监控配置：由于多孔介质相变分为两步计算，需在仿真软件出口边界设置中以体积源项的形式添加换热量。通过监控水蒸汽分布和多孔介质表面温度变化来评估模型是否收敛，注意相变的非定常特性。
本发明通过改进物理模型和数值方法，更精确地模拟相变过程和冷却介质的流动蒸发过程。通过算法优化和并行计算技术，减少计算资源消耗，提高仿真效率。开发具有更好通用性和鲁棒性的数值模型，适应不同工况和条件下的仿真需求。
本发明的优点是：
1.提高计算稳定性和准确性：引入改进的物理模型和高鲁棒性的数值算法。有效克服了模拟过程中的计算发散问题，提高了数值仿真的稳定性和准确性，使得模拟结果更加可靠和符合实际观测，提升了模型的实用价值和信任度
2.优化计算资源消耗：采用高效的算法优化和并行计算技术。显著减少了对计算资源的需求，包括计算时间和硬件资源，提高了仿真效率，使得大规模和高精度的仿真成为可能。
3.增强模型的适用范围和灵活性：开发具有高通用性的仿真模型，使得该数值计算方法能够应用于更广泛的多孔介质相变发汗冷却场景，包括不同的工作条件和多样的物质属性，提高了模型的实用性和灵活性。为理解和探索多孔介质相变发汗冷却机理提供了强有力的工具，促进了相关科学研究和技术创新。
本发明通过提高仿真的稳定性、准确性、效率和适用范围，为多孔介质相变发汗冷却技术的研究、设计和优化提供了有力支持，具有重要的科学研究和工程应用价值。
附图说明
图1为本发明关于针对多孔介质相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算方法可行性研究的流程示意图。
图2为本发明多孔介质相变发汗冷却实例的模型结构示意图。
图3为本发明在注入率为0.15下的多孔介质中液-气分界线的云图。
图4为本发明在注入率为0.15下的多孔介质中液-气分界线的云图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的实施例的附图，对具体的实施例做进一步的详细说明，对本发明例中的技术方案及进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术实施方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
图1为本发明关于针对多孔介质相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算方法可行性研究的流程示意图。一种涡轮叶片多孔介质液-气相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算方法，通过对仿真配置进行优化组合设置，解决模拟过程中的不收敛问题，提高仿真的稳定性和准确度，为相变发汗冷却过程提供精确的数值分析基础；所述方法包括以下步骤：
步骤一：模型构建：首先明确研究多孔介质相变和发散冷却过程中多孔介质区域与冷却介质计算域的几何特点，生成相应的网格文件并导入至仿真软件中。针对计算精度和运算量的平衡，将多孔介质相变区域进行设置，确定冷却介质的相变过程。如图2所示，主流通道用于通过高温气体，冷却剂由下方进入，先在储液腔中保证流体属于满液状态,然后缓慢渗透到多孔介质中，在多孔介质区域发生相变过程。
步骤二：介质属性设置：在仿真软件数据库中额外添加两种介质：液态水和水蒸汽，除了标准气态空气外，并根据研究要求调整相应的物理属性，特别是密度和粘度参数以提高模拟精度。
步骤三：多相流设置：模型中选用VOF多相流模型以提升稳定性，VOF多相流模型的基本方法为，定义一个函数F为水体体积率函数，用以表示在计算区域内的水体体积占总计算区域的相对比率。即当计算单元充满气体时，F＝0；当计算单元完全为液体时,F＝1.而F的取值在0～1之间时则表示计算单元中存在多种介质，存在自由表面，自由表面的外法线方向由F的空间梯度表示。其中，F的控制方程如下所示：
式中：t——时间量；ui——速度分量；xi——位置分量。并加入已设置的三种介质。调整液态水和水蒸汽的相变设置，相变温度则根据压力与沸点关系进行选取。
步骤四：多孔介质域设置：采用k-ωSST湍流模型，并在高网格质量的条件下考虑使用更复杂的湍流模型。勾选多孔域选项，按照研究所需材料参数设置孔隙率以及多孔介质材质。在多孔介质设置中，对空气、液态水、水蒸气三种介质分别配置ViscousResistance和Inertial Resistance参数，基于《Experimental investigationoftranspiration coolingwithphase changefor sinteredporous plates》文献中的物理属性进行计算得出。
步骤五：计算配置：使用couple算法以提升收敛速度。若遇到收敛困难，考虑初步使用一阶迎风格式稳定计算场，待初步稳定后切换至高阶格式，尤其是在能量方程较难收敛的情况下。
步骤六：控制参数设置：在Control设置中，参数可保持默认，增加计算稳定性可以通过调节湍流和能量的factor数值。设置限制器以限制压力和温度的上下限，提升计算的稳定性，并根据计算情况适当调整time scale factor以加速收敛过程。
步骤七：边界和监控配置：由于多孔介质相变分为两步计算，需在出口边界设置中以体积源项的形式添加换热量。通过监控水蒸汽分布和多孔介质表面温度变化来评估模型是否收敛，注意相变的非定常特性。由图3和图4可以看出对于不同的冷却剂注入率下，在主流温度与流速保持一致的情况下，多孔介质温度的变化存在明显区别。
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 (5)
1.一种涡轮叶片多孔介质液-气相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算方法，其特征在于：通过对仿真配置进行优化组合设置，解决模拟过程中的不收敛问题，提高仿真的稳定性和准确度，为相变发汗冷却过程提供精确的数值分析基础；包括以下步骤：
步骤一：模型构建：确定冷却介质的相变过程；
步骤二：介质属性设置：在仿真软件数据库中添加两种介质：液态水和水蒸汽，根据研究要求调整相应的物理属性，包括密度和粘度参数；
步骤三：多相流设置：模型中选用体积流体模型和混合流体模型以提升稳定性，并加入已设置的空气、液态水、水蒸气三种介质，调整液态水和水蒸汽的相变设置，相变温度则根据压力与沸点关系进行选取；
步骤四：多孔介质域设置：采用k-ωSST湍流模型，并在高网格质量的条件下使用湍流模型，勾选多孔域选项，按照材料参数设置孔隙率以及多孔介质材质；
步骤五：计算配置：使用couple算法提升收敛速度；
步骤六：控制参数设置：在Control设置中，参数保持默认，通过调节湍流和能量的factor数值增加计算稳定性；设置限制器以限制压力和温度的上下限提升计算的稳定性，调整time scale factor以加速收敛过程；
步骤七：边界和监控配置：由于多孔介质相变分为两步计算，在出口边界设置中以体积源项的形式添加换热量；通过监控水蒸汽分布和多孔介质表面温度变化评估模型是否收敛。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片多孔介质液-气相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算方法，其特征在于：步骤一具体如下：
1)明确多孔介质相变和发散冷却过程中多孔介质区域与冷却介质计算域的几何特点，生成相应的网格文件并导入至仿真软件中；
2)针对计算精度和运算量的平衡，将多孔介质相变分为两个独立计算段，首先计算主要流体域，获得多孔介质表面的换热量；进而仿真多孔介质及冷却介质之间的域，确定冷却介质的相变过程。
3.根据权利要求1所述的涡轮叶片多孔介质液-气相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算方法，其特征在于：步骤三中，选用VOF多相流模型以提升稳定性，VOF多相流模型的基本方法为，定义一个函数F为水体体积率函数，用以表示在计算区域内的水体体积占总计算区域的相对比率，即当计算单元充满气体时，F＝0；当计算单元完全为液体时,F＝1，而F的取值在0～1之间时则表示计算单元中存在多种介质，存在自由表面，自由表面的外法线方向由F的空间梯度表示，其中，F的控制方程如下所示：
式中：t—时间量；ui—速度分量；xi—位置分量，并加入已设置的三种介质，调整液态水和水蒸汽的相变设置，相变温度则根据压力与沸点关系进行选取。
4.根据权利要求1所述的涡轮叶片多孔介质液-气相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算方法，其特征在于：步骤四中，在多孔介质设置中，对空气、液态水、水蒸气三种介质分别配置Viscous Resistance和Inertial Resistance参数。
5.根据权利要求1所述的涡轮叶片多孔介质液-气相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算方法，其特征在于：步骤五中，遇到收敛困难，使用一阶迎风格式稳定计算场，待初步稳定后切换至高阶格式。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118502230A (zh) * | 2024-07-16 | 2024-08-16 | 济南大学 | 一种基于改进红嘴蓝鹊算法的陶瓷智能发汗控制方法 |
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2024
- 2024-03-07 CN CN202410257723.3A patent/CN118246201A/zh active Pending
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| CN118502230A (zh) * | 2024-07-16 | 2024-08-16 | 济南大学 | 一种基于改进红嘴蓝鹊算法的陶瓷智能发汗控制方法 |
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