体积力构建方法、计算设备及可读存储介质技术

本公开提供了一种体积力构建方法、计算设备及可读存储介质。体积力构建方法，包括：在均匀来流条件下通过定常雷诺平均模拟方法计算获得预设空间的第一流场；通过对预设空间中控制体的受力分析获得叶片对气流的当地体积力；构建体积力矩阵，形成三维矩阵表；将所述三维矩阵表作为用户自定义函数的输入量，采用求解器进行计算第二流场。本公开继承了传统体积力方法计算速度快，计算资源少的优点；同时，减少了传统体积力构建方法对经验参数的依赖。

【技术实现步骤摘要】
体积力构建方法、计算设备及可读存储介质
本公开涉及叶轮机和流体动力学领域，尤其涉及一种用于流场计算的体积力构建方法、计算设备及可读存储介质，可以用于工作在非均匀来流条件下压气机或风扇性能的预估。
技术介绍
叶轮机械是一种以连续旋转叶片为本体，使能量在流体介质与轴动力之间相互转换的动力机械。按照功能可以分为原动机械，例如汽轮机、燃气透平等(输出功)；工作机械，如水泵、风扇、压气机、螺旋桨等(耗功)。压气机(compressor)是燃气涡轮发动机中利用高速旋转的叶片给空气作功以提高空气压力的部件。压气机叶轮叶片的前端部分呈弯曲状，称为导轮，其作用是将气体无冲击的导入工作叶轮，减小气流冲击损失。小型增压器的压气机叶轮一般将导轮与工作叶轮制成一体。行业内针对工作在非均匀来流条件下的压气机或风扇性能的预估，主要采用全周非定常计算(URANS)方法。首先，叶轮机械复杂的叶片几何构型需要细致的网格对其进行描述。其次，时间推进方法求解周期性的非定常流场需要计算多个周期，直至流场出现稳定的周期性才能从中获取风扇或压气机的性能。因此目前的全周非定常计算(URANS)方法主要存在的问题是计算所需的资源(计算所需内存、计算所需时长)难以满足工业实际运用的需求。针对这一问题，科研人员尝试采用简化的风扇或压气机模型对叶片的特性进行描述，将叶片对气流的作用等效为分布在叶片通道内的体积力，通过力场使得气流获得能量，减少了URANS方法所面对的困难。然而，当前主流的体积力构建方法源自升阻力系数经验公式。具体地说，是将叶片拆解为多个与压气机轴向成一定角度的直通道微元的轴向积叠，每个直通道微元内，叶片对气流的作用力借助垂直力系数Kn(类似升力系数)、平行力系数Kp(类似阻力系数)，将当地气流相对速度与当地叶片对气流的作用力进行关联。该体积力的构建方法需要依赖经验参数--升力系数和阻力系数，一定程度限制了该体积力构建方法的广泛应用。
技术实现思路
为了解决或者至少缓解上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种用于流场计算的体积力构建方法、计算设备及可读存储介质。根据本公开的一个方面，一种用于流场计算的体积力构建方法，包括：在均匀来流条件下通过定常雷诺平均模拟方法计算获得预设空间的第一流场；通过对所述预设空间中控制体的受力分析获得叶片对气流的当地体积力所述当地体积力包括切向体积力Fθ,inv、沿等流向坐标面体积力Fη,inv和沿等叶高面体积力Fs,inv；构建体积力矩阵，形成三维矩阵表；将所述三维矩阵表作为用户自定义函数的输入量，采用求解器进行计算第二流场。根据本公开的至少一个实施方式，所述通过对所述预设空间中控制体的受力分析获得叶片对气流的当地体积力包括：在所述预设空间建立控制体，选择叶片表面的压力差作为提取对象，通过对切向压力梯度的面积平均，获取所述切向体积力Fθ,inv；公式为其中，Fθ,inv为叶片对气流的当地切向体积力；r为叶片的当地半径；θ为周向角度坐标；p为压力。根据本公开的至少一个实施方式，所述通过对所述预设空间中控制体的受力分析获得叶片对气流的当地体积力还包括：根据当地叶片几何信息与所述切向体积力Fθ,inv获取所述沿等流向坐标面体积力Fη,inv。根据本公开的至少一个实施方式，所述通过对所述预设空间中控制体的受力分析获得叶片对气流的当地体积力还包括：通过机械能守恒方程计算获得所述沿等叶高面体积力Fs,inv；公式为：Fs,inv·Vs+Fη,inv·Vη+Fθ,inv·Vθ＝Fθ,inv·U其中，Vs是气流当地速度沿子午面的投影；U是叶片的当地切线速度；Vθ是气流的当地切线速度。根据本公开的至少一个实施方式，所述将所述三维矩阵表作为用户自定义函数的输入量，采用求解器进行计算包括：通过损失方程计算获得叶片对气流的粘性力公式为：其中，是叶片对气流的粘性力,其方向与当地相对坐标系下的气流速度方向相反；Vs是气流当地速度沿子午面的投影；T是当地静温度，ρ是当地密度；是当地相对坐标系下的气流速度；是从第一流场中提取获得的沿网格流向的熵梯度。根据本公开的至少一个实施方式，所述构建体积力矩阵，形成三维矩阵表包括：对多个所述第一流场提取所述切向体积力Fθ,inv和所述熵梯度并与当地气动参数进行关联，构建体积力矩阵；在第二流场的求解中，通过迭过程中获得的所述当地气动参数Mas查询所述体积力矩阵获得当地体积力，不断迭代直至计算收敛；其中，当地流向速度对应的马赫数k＝1.4；Rg是气体常数；T是当地静温度。根据本公开的另一个方面，一种计算设备，包括：存储器，所述存储器存储执行指令；以及处理器，所述处理器执行所述存储器存储的执行指令，使得所述处理器执行前述任一项所述的方法。根据本公开的再一个方面，一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现前述任一项所述的方法。附图说明附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。图1是本公开体积力构建方法的示例性实施方式流程图。图2是本公开体积力构建方法采用的控制体的示意图。图3是本公开体积力构建方法中获得的体积力矩阵分布图。图4是沿等流向坐标面体积力和沿等叶高面体积力的示意图。图5是本公开一个实施方式的计算设备的示意性视图。图6是本公开体积力构建方法获取数值计算结果的计算域示意图。图7是入口畸变所引发的入口相对气流角的周向分布图。图8是入口畸变所引发的转子上游测点获得的气流角的周向分布图。图9是入口畸变所引发的转子下游测点获得的气流角的周向分布图。具体实施方式下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。在叶轮机领域中，行业内针对压气机/风扇非均匀来流条件下的风扇性能预估，主要采用全周非定常计算(URANS)方法。该方法的主要问题是，计算所需的资源(计算所需内存、计算所需时长)难以满足工业实际运用的需求。这一巨量计算资源需求主要来自两个方面：1.叶轮机械复杂的叶片几何构型需要细致的网格对其进行描述；2.时间推进方法求解周期性的非定常流场需要计算多个周期，直至流场出现稳定的周期性才能从中获取风扇/压气机的性能。针对这一问题，研究人员尝试采用简化的风扇/压气机模型对叶片的特性进行描述，将叶片对气流的作用等效为分布在叶片通道内的体积力，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于流场计算的体积力构建方法，其特征在于，包括：/n在均匀来流条件下通过定常雷诺平均模拟方法计算获得预设空间的第一流场；/n通过对所述预设空间中控制体的受力分析获得叶片对气流的当地体积力

【技术特征摘要】
1.一种用于流场计算的体积力构建方法，其特征在于，包括：
在均匀来流条件下通过定常雷诺平均模拟方法计算获得预设空间的第一流场；
通过对所述预设空间中控制体的受力分析获得叶片对气流的当地体积力所述当地体积力包括切向体积力Fθ,inv、沿等流向坐标面体积力Fη,inv和沿等叶高面体积力Fs,inv；
构建体积力矩阵，形成三维矩阵表；
将所述三维矩阵表作为用户自定义函数的输入量，采用求解器进行计算第二流场。


2.如权利要求1所述的体积力构建方法，其特征在于，所述通过对所述预设空间中控制体的受力分析获得叶片对气流的当地体积力包括：
在所述预设空间建立控制体，选择叶片表面的压力差作为提取对象，通过对切向压力梯度的面积平均，获取所述切向体积力Fθ,inv；
公式为
其中，Fθ,inv为叶片对气流的当地切向体积力；r为叶片的当地半径；θ为周向角度坐标；p为压力。


3.如权利要求2所述的体积力构建方法，其特征在于，所述通过对所述预设空间中控制体的受力分析获得叶片对气流的当地体积力还包括：
根据当地叶片几何信息与所述切向体积力Fθ,inv获取所述沿等流向坐标面体积力Fη,inv。


4.如权利要求3所述的体积力构建方法，其特征在于，所述通过对所述预设空间中控制体的受力分析获得叶片对气流的当地体积力还包括：
通过机械能守恒方程计算获得所述沿等叶高面体积力Fs,inv；
公式为：Fs,inv·Vs+Fη,inv·Vη+Fθ,inv...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘天宇，李秋实，刘仕杰，李志平，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11