一种RP‑3航空煤油空化的数值模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种RP‑3航空煤油空化的数值模拟方法，并涉及用于减少RP‑3航空煤油在工业领域使用过程中空化所带来的问题，属于流体机械工程、多相流和计算流体力学技术领域。本发明专利技术公开的方法，利用空化的数值模拟结果指导RP‑3航空煤油实际应用工况设计，减少工业应用中空化现象的出现，进而降低RP‑3航空煤油在存储和输运过程中空化引起的振动、噪声和材料表面破坏等问题出现。本发明专利技术所生成的RP‑3航空煤油物理替代模型与真实RP‑3航空煤油的已知属性之间误差小，可弥补真实RP‑3航空煤油的未知物质属性，对认识和分析RP‑3航空煤油的空化特性具有重要的现实意义。

【技术实现步骤摘要】
一种RP-3航空煤油空化的数值模拟方法
本专利技术涉及一种RP-3航空煤油空化的数值模拟方法，并涉及用于减少RP-3航空煤油在工业领域使用过程中空化所带来的问题，属于流体机械工程、多相流和计算流体力学

技术介绍
当一定温度的液体内部局部压力降低到液体饱和蒸汽压时，会产生汽化现象，同时溶解于液体中的气体也会析出，形成汽泡(又称空泡、空穴)，当汽泡随液流运动到压力较高的地方后，泡内的蒸汽重新凝结，汽泡溃灭。这种液流内的空泡产生、发展、溃灭的过程，以及由此产生的一系列物理和化学变化过程称为空化。空化的发生往往会导致机器效率下降并引起振动、噪声和材料表面破坏等问题，造成水力机械运行的非稳定性和叶片的疲劳破坏，严重时会使机器不能正常工作。空化问题一直是流体机械工程和多相流领域的关键核心问题，由于空化现象的复杂性，数值模拟方法一直是空化研究的主要手段之一。目前，许多计算流体力学(CFD)软件都可以实现常规流体的空化数值模拟，应用较为广泛。然而，煤油是一种成分十分复杂的混合物，煤油的组成成分诸多且多为碳氢类化合物，其物质属性因生产产地、生产时间和生产工艺而异。空化数值模拟需要流体介质液相和汽相的诸多物质属性，对于RP-3航空煤油，其液相和汽相的物质属性只有部分是已知的，则无法直接通过计算流体力学软件进行煤油空化的数值模拟。因此，建立一种能够实现RP-3航空煤油空化的数值模拟方法，以实现RP-3航空煤油在整个温度范围内的空化数值模拟，具有重要的现实意义。现有的相关技术手段包括：美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的Supertrapp物性分析软件可获取常规碳氢化合物的各类物质属性(ElyJF,HuberML.NISTstandardreferencedatebase4-NISTthermophysicalpropertiesofhydrocarbonmixtures[M].NationalInst.Ofstandards,Gaithersburg,MD,1990.)；在“GroupeEuropéendeRecherchesGazières”支持下Kunz等在2007年提出GERG-2004方程，该方程基于多流体近似理论以无量纲Helmholtz自由能方程形式表示，可实现混合物的构建(KunzO,KlimeckR,WagnerW,etal.TheGERG-2004Wide-RangeEquationofStateforNaturalGasesandOtherMixtures.Fortschr.-Ber.VDI,Reihe6,Nr.557,VDIVerlag:Düsseldorf,2007.)。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是在以给定温度下流体介质液相和汽相的物质属性作为数据支撑的条件下实现RP-3航空煤油空化的数值模拟，并利用空化的数值模拟结果减少工业应用中空化现象的出现，进而降低RP-3航空煤油在存储和输运过程中空化引起的振动、噪声和材料表面破坏等问题。本专利技术公开的一种RP-3航空煤油空化的数值模拟方法可提高空化模拟精度，实现实际工业应用RP-3航空煤油空化过程的精细化模拟。所述的流体介质液相和汽相的物质属性包括：摩尔质量、密度、比热容、饱和蒸汽压、比焓、粘度、热导率、热膨胀系数。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术公开的一种RP-3航空煤油空化的数值模拟方法，具体步骤包括：步骤一：提供RP-3航空煤油物理替代模型的配方，各成分的摩尔百分比为：正十二烷：52～58％癸烷：28～32％辛烷：1～3％甲基环己烷：1～5％甲苯：8～12％步骤二：采用美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的Supertrapp物性分析软件获取RP-3航空煤油物理替代模型配方的各成分(纯物质)的各类物质属性。步骤三：采用GERG-2004方程将各成分(纯物质)混合为一种新的虚拟物质，实现所述虚拟物质的属性尽可能逼近真实RP-3航空煤油的属性，用来代表RP-3航空煤油混合物，所述虚拟物质具有完整的物质属性数据，所述虚拟物质即为RP-3航空煤油物理替代模型。GERG-2004方程的基本结构形式为：α(δ,τ,x)＝α0(ρ,T,x)+αr(δ,τ,x)(1)其中下标a,b分别表示两组分，多组分时则依次类推，下标0和r分别初始量和相对量，上标0和r分别表示理想项和余项，α0为Helmholtz自由能方程的理想项，αr为余项，δ为对比密度，τ为对比温度，Fab为调节因子，ρr(x)和Tr(x)分别为混合物的密度和温度函数，x为各组分所占混合物的摩尔分数。利用上述方程组可以通过由无量纲Helmholtz自由能方程偏微分求解得到混合物的物质属性。如压力p的求解可由公式(6)和公式(7)得到：步骤四：将RP-3航空煤油物理替代模型的物质属性导入商用CFD软件材料库或自编CFD程序，定义为一种新的流体介质，分别设置液相和汽相数据。步骤五：根据实际应用情况采用三维造型软件进行流场区域的建模，采用网格划分软件进行网格划分，将网格文件导入商用CFD软件或自编CFD程序。步骤六：根据实际应用情况对计算流域的边界条件和初始化条件进行设置。步骤七：采用基于有限元的有限体积法对方程组进行离散，其中对流项采用高精度差分格式，其他项采用中心差分格式，对方程组的求解采用全隐式耦合技术。求解方程组包括：连续性方程：动量方程：能量方程：质量守恒方程：蒸发源项：凝结源项：湍流动能k方程：湍流动能耗散率ε方程：湍流粘性：其中，ρm＝ρlαl+ρv(1-αl)，u和p分别为混合相的密度、速度和压强，μ和μt分别为混合介质的层流和湍流动力粘度,fv为氮蒸汽的质量分数，L为汽化潜热，PrL和Prt分别为层流和湍流的普朗特数，h为焓，αl液相体积分数，能量方程中最后一项为能量源项。分别为凝结和蒸发源项，下标i和j分别代表坐标方向，下标m,l和v分别代表混合相，液相和汽相。采用标准k-ε两方程湍流模型实现了方程组的封闭。求解器计算达到给定的精度要求后求解停止，通过相应的后处理即可获得RP-3航空煤油在给定的几何和边界条件下的空化流动情况。以给定温度下流体介质液相和汽相的物质属性作为数据支撑的条件下实现RP-3航空煤油空化的数值模拟。步骤八：利用步骤一至七所述的一种RP-3航空煤油空化的数值模拟方法的模拟结果指导RP-3航空煤油实际应用工况设计，改变RP-3航空煤油实际运行工况，减少工业应用中空化现象的出现，进而降低RP-3航空煤油在存储和输运过程中空化引起的振动、噪声和材料表面破坏等问题出现。所述的改变RP-3航空煤油实际运行工况主要指改变运输和存储的结构，以及实际运行的温度、速度和压力。有益效果：1、本专利技术的一种RP-3航空煤油空化的数值模拟方法，所生成的RP-3航空煤油物理替代模型与真实RP-3航空煤油的已知属性之间误差小，可弥补真实RP-3航空煤油的未知物质属性。2、本专利技术的一种RP-3航空煤油空化的数值模拟方法，能够实现RP-3航空煤油在整个温度范围内的空化数值模拟，对认识和分析RP-3航空煤油的空化特性具有重要的现实意义。3、本专利技术的一种RP-3航空煤油空化的数值模拟方法，能够用于煤油存储、煤油运输、煤油泵供油、煤油喷射过程中RP-3航空煤油无空化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种RP‑3航空煤油空化的数值模拟方法，其特征在于：具体步骤包括：步骤一：提供RP‑3航空煤油物理替代模型的配方，各成分的摩尔百分比为：正十二烷：52～58％癸烷：28～32％辛烷：1～3％甲基环己烷：1～5％甲苯：8～12％步骤二：采用美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的Supertrapp物性分析软件获取RP‑3航空煤油物理替代模型配方的各成分(纯物质)的各类物质属性；步骤三：采用GERG‑2004方程将各成分(纯物质)混合为一种新的虚拟物质，实现所述虚拟物质的属性尽可能逼近真实RP‑3航空煤油的属性，用来代表RP‑3航空煤油混合物，所述虚拟物质具有完整的物质属性数据，所述虚拟物质即为RP‑3航空煤油物理替代模型，其基本结构形式可以表示为：α(δ,τ,x)＝α0(ρ,T,x)+αr(δ,τ,x)                       (1)α0(ρ,T,x)=Σa=1Nxa(α0a0(ρ,T)+lnxa)---(2)]]>αr(δ,τ,x)=Σa=1Nxaα0ar(δ,τ)+Σa=1N-1Σb=a+1NxaxbFabαabr(δ,τ)]]>δ=ρρr(x)---(4)]]>τ=Tr(x)T---(5)]]>其中下标a,b分别表示两组分，多组分时则依次类推，下标0和r分别初始量和相对量，上标0和r分别表示理想项和余项，α0为Helmholtz自由能方程的理想项，αr为余项，δ为对比密度，τ为对比温度，Fab为调节因子，ρr(x)和Tr(x)分别为混合物的密度和温度函数，x为各组分所占混合物的摩尔分数；利用上述方程组可以通过由无量纲Helmholtz自由能方程偏微分求解得到混合物的物质属性；如压力p的求解可由公式(6)和公式(7)得到：p(δ,τ,x)ρRT=1+δαδr---(6)]]>αδr=(∂αr∂δ)τ,x---(7)]]>步骤四：将RP‑3航空煤油物理替代模型的物质属性导入商用CFD软件材料库或自编CFD程序，定义为一种新的流体介质，分别设置液相和汽相数据；步骤五：根据实际应用情况采用三维造型软件进行流场区域的建模，采用网格划分软件进行网格划分，将网格文件导入商用CFD软件或自编CFD程序；步骤六：根据实际应用情况对计算流域的边界条件和初始化条件进行设置；步骤七：采用基于有限元的有限体积法对方程组进行离散，其中对流项采用高精度差分格式，其他项采用中心差分格式，对方程组的求解采用全隐式耦合技术；求解方程组包括：连续性方程：∂ρm∂t+∂(ρmuj)∂xj=0---(8)]]>动量方程：∂(ρmui)∂t+∂(ρmuiuj)∂xj=-∂p∂xi+∂∂xj[(μ+μt)(∂ui∂xj+∂uj∂xi-23∂ui∂xjδij)---(9)]]>能量方程：∂∂t(ρmCpT)+∂∂xj(ρmujCpT)=∂∂xj[(μPrL+μtPrt)∂h∂xj]-{∂∂t[ρm(fvL)]+∂∂xj[ρmuj(fvL)]}---(10)]]>质量守恒方程：∂ρ1α1∂t+∂(ρ1α1uj)∂xj=m.++m.----(11)]]>蒸发源项：m.+=Fe3αnuc(1-αv)ρvRB23|Pv-Pρl---(12)]]>凝结源项：m.-=Fc3αvρvRB23|Pv-P|ρl---(13)]]>湍流动能k方程：d(ρk)dt=Pt-ρ&ep...

【技术特征摘要】
1.一种RP-3航空煤油空化的数值模拟方法，其特征在于：具体步骤包括：步骤一：提供RP-3航空煤油物理替代模型的配方，各成分的摩尔百分比为：正十二烷：52～58％癸烷：28～32％辛烷：1～3％甲基环己烷：1～5％甲苯：8～12％步骤二：采用美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的Supertrapp物性分析软件获取RP-3航空煤油物理替代模型配方的各成分的各类物质属性；步骤三：采用GERG-2004方程将各成分混合为一种新的虚拟物质，实现所述虚拟物质的属性尽可能逼近真实RP-3航空煤油的属性，用来代表RP-3航空煤油混合物，所述虚拟物质具有完整的物质属性数据，所述虚拟物质即为RP-3航空煤油物理替代模型，其基本结构形式可以表示为：α(δ,τ,x)＝α0(ρ,T,x)+αr(δ,τ,x)(1)其中下标a,b分别表示两组分，多组分时则依次类推，下标0和r分别表示初始量和相对量，上标0和r分别表示理想项和余项，α0为Helmholtz自由能方程的理想项，αr为余项，δ为对比密度，τ为对比温度，Fab为调节因子，ρ和T分别为各组分所对应的密度和温度，N为组分的种类个数，ρr(x)和Tr(x)分别为混合物的密度和温度函数，x为各组分所占混合物的摩尔分数；利用上述方程组可以通过由无量纲Helmholtz自由能方程偏微分求解得到混合物的物质属性；如压强p的求解可由公式(6)和公式(7)得到：上式中，R为各组分所对应的气体常数；步骤四：将RP-3航空煤油物理替代模型的物质属性导入商用CFD软件材料库或自编CFD程序，定义为一种新的流体介质，分别设置液相和汽相数据；步骤五：采用三维造型软件进行流场区域的建模，采用网格划分软件进行网格划分，将网格文件导入商用CFD软件或自编CFD程序；步骤六：对计算流域的边界条件和初始化条件进行设置；步骤七：采用基于有限元的有限体积法对方程组进行离散，其中对流项采用高精度差分格式，其他项采用中心差分格式，对方程组的求解采用全隐式耦合技术；求解方程组包括：连续性方程：

【专利技术属性】
技术研发人员：王国玉，陈泰然，黄彪，李达钦，顾玲燕，孙华伟，李述林，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11