基于物质平均大涡模拟的离心泵水力性能测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于物质平均大涡模拟的离心泵水力性能测量方法。建立三项亚格子应力模型；利用三项亚格子应力模型，通过数值模拟得出离心泵内流场全流量工况下预测的性能参数；根据预测的性能参数处理获得离心泵的扬程和水力效率。本发明专利技术建立了新的动态亚格子应力模型应用于离心泵内部流动计算中，实现了更准确的离心泵水力性能预测和测量。准确的离心泵水力性能预测和测量。准确的离心泵水力性能预测和测量。

【技术实现步骤摘要】
基于物质平均大涡模拟的离心泵水力性能测量方法


[0001]本专利技术涉及一种离心泵水力性能预测的方法，具体地说是一种基于物质平 均大涡模拟的预测离心泵水力性能的方法。

技术介绍

[0002]泵是一种能将原动机的机械能或外部能量转化为输送液体的压力能和动能 的流体机械，是机械工业中的一类主要产品，广泛应用于各种工农业生产中。 在泵的所有种类里最常用的是离心泵。离心泵的结构复杂，叶轮内介质的流动 状态为三维非定常紊流流动，且随着流动状态的变化，还会出现二次流、分离 流和气蚀等现象。随着计算机技术和计算流体力学的不断发展，数值模拟被越 来越多的研究人员使用来计算流体机械的流动性能。
[0003]因此，准确的预测其水力性能并进行优化可以有效地避免这些影响。
[0004]目前，在离心泵内部流动计算的数值模拟方面已经进行了许多的研究，但 对于离心泵具体计算过程的深入分析还很少，大部分研究直接使用Ansys fluent 流体仿真软件设置一些参数和流动模型进行近似计算，研究结果缺乏普遍性。 现有的湍流数值模拟方法有三种：直接数值模拟(DNS)、雷诺平均方法(RANS) 和大涡模拟(LES)。雷诺平均方法可以计算高雷诺数的复杂流动，但由于湍流 脉动包含许多尺度的运动，而大尺度脉动场与平均速度与温度场的边界密切关 联，因此不能建立普适的平均湍流输运量的封闭方程。
[0005]随着计算机性能不断提高与计算方法的不断改进，求解湍流平均方程的思 路开始被放弃，而选择用直接数值求解样本流动方程(ns方程)，然后对样本 流场进行统计来获得湍流的平均特性，称为湍流直接数值模拟。直接数值模拟 可以获得湍流场的精确信息，是研究湍流机理最有效的方法，但由于高雷诺数 湍流包含很宽的湍流脉动，若对高雷诺数流动进行直接数值模拟需要巨大的网 格数，这样一来相应计算机的内存需求也是无法想象的，无法准确快速有效获 得离心泵的性能情况
[0006]湍流大涡数值模拟方法(简称大涡模拟方法)作为当前流体机械内部瞬态 流动数值计算的主要方法而被广泛发展和应用，但由于其建立的亚格子应力模 型假设亚格子应力仅与应变率张量成正比，对于如离心泵这样的旋转机械并不 能很好的适用。因此，现有技术缺少有效的方法和方式进行完善和改进，来解 决亚格子应力模型和大涡模拟之间的矛盾问题。

技术实现思路

[0007]为了解决
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提供了一种基于物质平均大 涡模拟的离心泵水力性能测量方法。
[0008]本专利技术包括以下方案：
[0009](1)建立新的三项亚格子应力模型，作为改进后的亚格子应力模型；
[0010](1)利用三项亚格子应力模型，通过数值模拟得出离心泵内流场全流量工 况下预
测的性能参数；性能参数包括了离心泵的进口压力和出口压力；
[0011](2)根据预测的性能参数处理获得离心泵的扬程和水力效率，具体实施中 继续在流体仿真软件FLUENT后处理中得出参数云图进行对比。
[0012]所述的步骤(1)包括：
[0013](1.1)建立xyz笛卡尔三维坐标系，在Smagorinsky模型模型的基础上加 入螺旋度修正项与速度梯度非线性项，螺旋度表示流体元螺旋式前进的性质， 采用联合约束应力模式，从而建立获得带有螺旋度与速度影响的三项亚格子应 力模型，形式如下：
[0014][0015]其中，τ
ij
为i方向和j方向之间的亚格子应力张量；等式右边第一项为 Smagorinsky模型确定的应力项：C1为模式系数，Δ为滤波长度，为离心泵内 部流体的应变大小张量，为离心泵内部流体在i方向和j方向之间的变形率张 量，为离心泵内部流体在m方向和n方向之间的变形率张量，m≠i，n≠j；等 式右边第二项为螺旋度修正项：β表示模型系数，具体实施中取β＝0.033；为 离心泵内部流体的对称涡量梯度张量，为离心泵内部流体的对称涡量梯度张 量，表示涡量沿流体质点轨迹的增长率与拟涡能的分子粘性耗散，等式右边 第三项为速度梯度非线性项：C2表示速度梯度系数，表示i方向的滤波速度， x
k
表示k方向的微分求解；
[0016]i方向、j方向和k方向分别为x,y,z方向。m方向和n方向分别为x,y方向， 但m方向不同于i方向，n方向不同于j方向。i,j,k,m,n在数值代表上分别取1,2,3， 一个下标为矢量，两个下标的为张量；1,2,3分别表示x,y,z方向。
[0017]所述的xyz笛卡尔三维坐标系中，原点位于离心泵叶轮中心，x方向为离心 泵进口方向，y方向为叶轮径向方向，z方向为离心泵出口方向。
[0018]上式中，模式系数C1采用动态亚格子模式处理获得，动态亚格子模式处理 获得模式系数C1的过程中，具体采用以下公式表示的平均方法处理获得模式系 数取为：
[0019][0020]其中，I
LM
和I
MM
分别表示第一流体质点时间平均参数和第二流体质点时间平 均参数，用来定义流体质点上的时间平均；
[0021]质点轨迹上流体质点时间平均参数的I
LM
和I
MM
计算如下：
[0022][0023][0024]式中，L
ij
表示i方向和j方向之间的里昂纳特应力，由可解尺度间的相互作 用产生，L
ij
和流动形态相关，M
ij
是i方向和j方向之间的应变率张量系数，M
ij
和模式形式有关；L
ij
和M
ij
都采用大涡模拟过滤尺度确定的公式计算获得； W(t-t')是加权平均函数；t和t'表示任意两个不同的时刻，z(t')表示流体质点坐 标函数；
[0025]在质点轨迹上不同时刻的M
ij
L
ij
和M
ij
M
ij
值对平均值的贡献度是不同的(贡献 度指的是该参数对方程的占比及影响程度)，采用加权时间平均。
[0026]Smagorinsky模型具有耗散过大的缺陷，本专利技术采用动态亚格子模式确定模 式系数C1，是由可解尺度脉动的局部特性确定模式系数，采用上述踪流体质点 运动过程中物理量的平均方法来代替，将这种平均方法称为物质平均法；实现 动态确定模式系数的稳定计算，解决了理论上的系综平均计算工作量巨大的技 术问题。
[0027]对滤波长度Δ按照不同方向的各项异性滤波长度进行修正，考虑不同方向 上涡量变化产生的影响，基于当地涡量场信息的各向异性的修正方法，将涡量ω 加入处理获得滤波长度Δ：
[0028][0029][0030]其中，N是单位矢量，ω表示离心泵内部流体流动的涡量，ω方向由分量 (N
x
,N
y
,N
z
)决定，N
x
,N
y
,N
z
分别表示单位涡量的方向矢量的各个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于物质平均大涡模拟的离心泵水力性能测量方法，其特征在于：方法包括以下步骤：(1)建立三项亚格子应力模型；(2)利用三项亚格子应力模型，通过数值模拟得出离心泵内流场全流量工况下预测的性能参数；(3)根据预测的性能参数处理获得离心泵的扬程和水力效率。2.根据权利要求1所述的一种基于物质平均大涡模拟的离心泵水力性能测量方法，其特征在于：所述的步骤(1)包括：(1.1)建立xyz笛卡尔三维坐标系，在Smagorinsky模型模型的基础上加入螺旋度修正项与速度梯度非线性项，从而建立获得带有螺旋度与速度影响的三项亚格子应力模型，形式如下：其中，t
ij
为i方向和j方向之间的亚格子应力张量；C1为模式系数，Δ为滤波长度，为离心泵内部流体的应变大小张量，为离心泵内部流体在i方向和j方向之间的变形率张量，为离心泵内部流体在m方向和n方向之间的变形率张量，m≠i，n≠j；β表示模型系数，为离心泵内部流体的对称涡量梯度张量，为离心泵内部流体的对称涡量梯度张量，表示涡量沿流体质点轨迹的增长率与拟涡能的分子粘性耗散，C2表示速度梯度系数，表示i方向的滤波速度，x
k
表示k方向的微分求解；上式中，模式系数C1采用动态亚格子模式处理获得，动态亚格子模式处理获得模式系数C1的过程中，具体采用以下公式表示的平均方法处理获得模式系数取为：其中，I
LM
和I
MM
分别表示第一流体质点时间平均参数和第二流体质点时间平均参数；质点轨迹上流体质点时间平均参数的I
LM
和I
MM
计算如下：计算如下：式中，L
ij
表示i方向和j方向之间的里昂纳特应力，由可解尺度间的相互作用产生，M
ij
是i方向和j方向之间的应变率张量系数，W(...

【专利技术属性】
技术研发人员：林培锋，李永正，朱祖超，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：