一种基于Liutex-Omega涡识别理论的空化流动数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Liutex‑Omega涡识别理论的空化流动数值模拟方法，具体为：采用标准化的Liutex‑Omega涡识别系数ΩL对空化流场中的旋涡区域进行判断，对旋转占优的强涡区进行有效识别，根据强涡对空化中汽液凝结过程的延迟作用机制，建立基于Liutex‑Omega涡识别系数ΩL分区的空化流动计算流体力学模型并对三维空化流场进行数值计算获得涡空化流动特性。通过与实测结果和现有经典的空化模型计算结果进行对比分析，验证了本发明专利技术能够有效反映涡空化的流动特点及其时空演化规律，显著提高了涡空化流动的预测精度，可推广应用于三维水翼、水泵、水轮机、螺旋桨等的涡空化流动特性数值模拟研究。

A numerical simulation method of cavitation flow based on Liutex-Omega vorticity recognition theory

The present invention discloses a numerical simulation method of cavitation flow based on L iutex_Omega vorticity recognition theory. Specifically, the standardized Liutex_Omega vorticity recognition coefficient_L is used to judge the vorticity region in the cavitation flow field, to effectively identify the strong vorticity region dominated by rotation, and to establish the Liutex_Omega vortices based on the delayed action mechanism of strong vortices in the process of vapor-liquid condensation in cavitation. The computational fluid dynamics (CFD) model of cavitation flow with identification coefficient_L partition was established and the characteristics of vortical cavitation flow were obtained by numerical calculation of three-dimensional cavitation flow field. By comparing with the measured results and the calculation results of the existing classical cavitation model, it is verified that the present invention can effectively reflect the flow characteristics of vortical cavitation and its spatio-temporal evolution law, significantly improve the prediction accuracy of vortical cavitation flow, and can be applied to the numerical simulation of the characteristics of three-dimensional hydrofoil, pump, turbine, propeller, etc.

【技术实现步骤摘要】
一种基于Liutex-Omega涡识别理论的空化流动数值模拟方法
本专利技术属于空化流动数值模拟
，具体涉及一种基于Liutex-Omega涡识别理论的空化流动数值模拟方法。
技术介绍
空化是一种发生在液相中特有的相变现象，在一定温度下，当水流中的压力降低至其饱和蒸汽压时将产生充满气体和蒸汽的空泡，即水流中发生空化，尤其在旋涡流动的核心区极易诱发涡空化。涡空化是一种常见却又复杂的空化形式，涡空化流动中旋涡与空化之间相互影响，涡量集中区域形成低压涡心引发空化，与此同时，空化又成为产生涡的影响机制。涡空化的出现通常是不利的，会严重影响水泵、水轮机以及螺旋桨等的工作性能及运行稳定性。涡空化流动的研究有助于认知其流动特性，对于解决涡空化引发的各种工程问题具有重要的意义。目前，基于计算流体动力学(CFD)的数值模拟技术发展迅速，成为涡空化发生发展机理及其流动特性的重要研究手段，而有效的空化流动数值模拟方法是准确预测涡空化流动的前提与保证。空化是包含气液相间质量传输的非定常可压缩多相湍流流动现象，空化流动数值模拟的关键在于合适的湍流模型和空化模型。关于湍流模型，涡空化中旋涡会引起强烈的旋转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Liutex‑Omega涡识别理论的空化流动数值模拟方法，其特征是：具体包括如下步骤：步骤一：建立计算域的三维几何模型，根据所研究的三维空化流动计算域的结构尺寸图，利用几何建模软件建立计算域的三维几何模型，并按照计算网格划分软件的文件格式要求输出相应的几何文件；步骤二：计算域网格划分，将步骤一输出的几何文件导入计算网格划分软件中，采用六面体结构化网格方案划分计算网格，对近壁区、叶顶间隙区域以及涡空化流动范围区域的网格进行加密处理以便于数值计算获得精细化的流动物理参数，采用基于理查德森外推法的网格不确定度估计方法对计算网格离散误差进行估计并确定计算网格的数量，生成后的计算网格按照数值...

【技术特征摘要】
1.一种基于Liutex-Omega涡识别理论的空化流动数值模拟方法，其特征是：具体包括如下步骤：步骤一：建立计算域的三维几何模型，根据所研究的三维空化流动计算域的结构尺寸图，利用几何建模软件建立计算域的三维几何模型，并按照计算网格划分软件的文件格式要求输出相应的几何文件；步骤二：计算域网格划分，将步骤一输出的几何文件导入计算网格划分软件中，采用六面体结构化网格方案划分计算网格，对近壁区、叶顶间隙区域以及涡空化流动范围区域的网格进行加密处理以便于数值计算获得精细化的流动物理参数，采用基于理查德森外推法的网格不确定度估计方法对计算网格离散误差进行估计并确定计算网格的数量，生成后的计算网格按照数值模拟计算软件所需的计算网格文件格式导出相应的网格文件；步骤三：建立三维空化流动计算流体力学模型，三维空化流动的计算流体力学模型包括流动控制方程、湍流模型以及基于Liutex-Omega涡识别系数ΩL分区的空化模型；步骤三所述的流动控制方程由连续性方程、动量方程和组分输运方程构成：连续性方程：动量方程：组分输运方程：其中，ρ和μ为汽液混合相的密度和动力粘性系数且满足：ρ＝ρvαv+ρlαl(4)μ＝μvαv+μlαl(5)公式中，t为时间，xi、xj为网格节点坐标且i，j＝1,2,3，δij为克罗内克符号；μt为湍流粘性系数，ui、uj为汽液混合相速度分量，uvi为气相速度分量，P为流场压力，ρv和ρl分别为汽相和液相的密度，μv和μl分别为汽相的动力粘性系数和液相的动力粘性系数，αv和αl分别为汽相和液相体积分数且满足：αv+αl＝1(6)公式(3)中的源项和分别表示汽、液两相间的蒸发率和凝结率；湍流粘性系数μt通过湍流模型来求解，考虑涡空化中旋涡流动具有强烈的旋转曲率效应，采用旋转曲率修正的湍流模型：公式中，k为湍动能，ω为比耗散率；湍动能生成项Pk为：湍流粘性系数μt求解公式为：经验常数β*＝0.09，a1＝0.31；对于湍流模型方程中各变量系数σk、σω、βk、βω以及γ采用Wilcoxk-ω模型方程和标准k-ε模型方程的相关经验常数加权得到：φ＝F1φ1+(1-F1)φ2，φ＝{σk,σω,βk,βω,γ}(11)其中，Wilcoxk-ω模型方程的各常数为：σk1＝0.85，σω1＝0.5，βk1＝0.09，βω1＝0.075，γ1＝5/9；标准k-ε模型方程的各常数为：σk2＝1.0，σω2＝0.856，βk2＝0.09，βω2＝0.0828，γ2＝0.44；对于混合函数F1和F2:公式(7)和(8)中的旋转曲率修正系数fr为：其中Cscale＝1.0，参数的表达式为：上式中的各相关变量系数的表达式分别为：r*＝S/Ω(20)D2＝max(S2,0.09ω2)(25)其中，Sij为应变率张量，Ωij为旋转率张量，εimn和εmji为勒维-契维塔符号，各相关变量参考的坐标系是惯性坐标系或旋转坐标系且旋转速度为Ωm，模型常数cr1＝1.0，cr2＝2.0，cr3＝1.0；空化汽液相变过程模拟基于简化Rayleigh-Plesset方程的空化模...

【专利技术属性】
技术研发人员：张睿，徐辉，费照丹，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32