一种基于空泡溃灭势能的空蚀风险预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于空泡溃灭势能的空蚀风险预测方法，包括以下步骤：建立基于空泡溃灭射流中所蕴含势能的空蚀风险评估方法；S2、利用建模软件对计算域进行建模，并对其进行网格划分；选择相应的湍流模型和空化模型求解所给选定计算域中的非定常空化流动；进行空化计算，并在获得较准确的空泡形态时，开始对压力进行时间平均，求解其平均压力场。有益效果：本发明专利技术基于计算流体力学的手段来预测材料表面的空蚀分布，通过数值分析避免了大量繁琐困难的实验探究，节省了实验成本和时间；通过计算流体力学的手段定量的对模型进行空蚀分析，能够较为准确和全面地预测模型表面各区域的空蚀破坏程度。的空蚀破坏程度。的空蚀破坏程度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空泡溃灭势能的空蚀风险预测方法


[0001]本专利技术涉及流体机械及空化
，具体来说，涉及一种基于空泡溃 灭势能的空蚀风险预测方法。

技术介绍

[0002]当液体的内部压力低于其饱和蒸气压时，液体会在局部汽化形成空泡。在 空泡溃灭过程中产生的压力波会导致局部壁面发生剥蚀破坏，随着空泡的不断 溃灭进一步侵蚀并漫延至整个壁面，这种由空化造成的材料破坏称为空蚀。流 体在水力机械作用下运动时，液流状态(如压力、温度等)极易发生变化，进 而出现空泡并导致空蚀。因此在各种水力机械中空蚀现象广泛存在，例如各种 离心泵、船用螺旋桨、高速诱导轮等，空蚀的发生严重破坏了材料原有的强度， 影响了材料的耐用性，并大幅降低了其使用寿命。此外空蚀还是诱发振动及噪 声的主要因素，空泡溃灭时会辐射出剧烈的声压脉冲。一方面空蚀会使水力机 械的效率降低，使其性能下降；另一方面也会引起较大的振动，产生噪声，严 重缩短其使用寿命，更严重时会影响所在系统的正常工作，甚至造成安全事故。
[0003]目前国内外对空蚀的研究多借助可视化技术手段，利用高速摄像等手段对 空化和空蚀发展过程进行捕捉。但利用可视化技术不仅成本高昂，需要专业的 设备和人员，而对于空化而言，其流动是多相的，空泡结构相当复杂，且空泡 产生的微射流速度极高，给其观测造成了极大的难度。因此，建立准确的空化 流动计算方法，并对空化造成的空蚀进行预测意义重大。
[0004]针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

[0005]针对相关技术中的问题，本专利技术提出一种基于空泡溃灭势能的空蚀风险 预测方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
[0006]为此，本专利技术采用的具体技术方案如下：
[0007]一种基于空泡溃灭势能的空蚀风险预测方法，包括以下步骤：
[0008]S1、建立基于空泡溃灭射流中所蕴含势能的空蚀风险评估方法；
[0009]S2、利用建模软件对计算域进行建模，并对其进行网格划分；
[0010]S3、选择相应的湍流模型和空化模型求解所给选定计算域中的非定常空化 流动；
[0011]S4、进行空化计算，并在获得较准确的空泡形态时，开始对压力进行时间 平均，求解其平均压力场；
[0012]S5、将得到的平均压力场作为空蚀模型中的参数，在计算域中加载空蚀计 算程序，从而得到计算域中各点的空蚀风险指标及分布。
[0013]作为优选的，所述步骤S1中，所述的空蚀模型基于如下假设：空蚀是由 靠近材料表面的空泡在溃灭时释放的本身的大尺度空泡涡结构中所蕴含的势 能造成的，即空泡溃灭时产生的压力波是导致空蚀的主要因素，因此靠近材料 表面区域的空泡造成的空蚀破
坏远大于其他区域。
[0014]作为优选的，步骤S1中，所述的空蚀模型采用的公式如下：
[0015](a1)采用公式一获取空泡结构溃灭时的压力波P
pot
：
[0016]公式一：
[0017]其中，ΔP＝(P
d
‑
P
v
)，P
d
表示驱动空泡溃灭的一般未知压力场，P
v
表示饱 和压力，V
v
表示空泡体积；
[0018](a2)根据公式二和公式三计算势功率密度：
[0019]公式二：
[0020]其中，α
v
＝V
ν
/V
cell
，α
v
表示空泡的体积分数，V
cell
α
v
表示空泡所处单元格 体积；同时，α
v
还可表示为α
v
＝(ρ
‑
ρ
l
)/(ρ
ν
‑
ρ
l
)，ρ
ν
为蒸汽密度，ρ
l
为液体密度， ρ
l
为混合物密度。
[0021]公式三：
[0022](a3)根据公式四输运方程计算体积分数α
v
：
[0023]公式四：
[0024]其中，u为流体速度矢量，S为质量源项(可通过空化模型进行计算)
[0025](a4)根据公式五混合相连续方程和公式六动量方程计算S：
[0026]公式五；
[0027]公式六：
[0028]其中，τ为剪切应力，对于不可压缩流体(忽略体膨胀率)；
[0029]公式七：τ＝μ(
▽
u+
▽
u
T
)
[0030]其中，μ为粘度，是流体的基本属性，
▽
u为
[0031]公式八：
[0032]通过上述动量方程，可以计算得到流场速度和压力参数。
[0033]模型假定能量只随总空泡体积变化而变化。因此，空泡结构在凝结时逐渐 释放能量，而不是在溃灭后立即释放能量。公式三中第二项描述了当空泡结构 向正(负)压梯度运动时，其势能将发生变化。但是，只要空泡不经历任何体 积变化，势能变化对空泡溃灭时的能量平衡没有影响。
[0034](a6)根据公式四计算单元网格中的局部的瞬时空蚀率
[0035]公式九：
[0036]其中为考虑空化计算得到的瞬态流场的平均压力分布，通过每个时间步的 累加并除以计算总时间得到，优选地，平均压力计算时间至少保证空泡产生溃 灭超过10个周期。
[0037]公式十：
[0038](a7)根据公式十一计算时间累计空蚀率
[0039]公式十一：
[0040]作为优选的，以所述空蚀率e
s
作为信号输入，引入冲击强度指数n来对空 蚀率e
S
进行不同的标准化处理，得到空蚀风险指标E
f
。
[0041]作为优选的，所述的表征空蚀风险指标E
f
所采用的公式十二如下：
[0042]公式十二：
[0043]其中，E
f
为总空蚀率e
S
关于累计空蚀率和总冲击时间T标准化后的参 数。
[0044]作为优选的，所述的用来放大空蚀率的冲击强度指数n＝1，2，3，
…
；n 的取值决定了所预测空蚀区域的准确性。
[0045]本专利技术的有益效果：本专利技术基于计算流体力学的手段来预测材料表面的空 蚀分布，通过数值分析避免了大量繁琐困难的实验探究，节省了实验成本和时 间；
[0046]通过计算流体力学的手段定量的对模型进行空蚀分析，能够较为准确和全 面地预测模型表面各区域的空蚀破坏程度；
[0047]借助计算流体力学的手段来预测材料表面空蚀分布，减少了计算成本，且 能通过后期的算法优化进一步缩短计算周期，为模型的空蚀优化设计提供帮 助；
[0048]能够观察到空蚀过程中更多的物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于空泡溃灭势能的空蚀风险预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立基于空泡溃灭射流中所蕴含势能的空蚀风险评估方法；S2、利用建模软件对计算域进行建模，并对其进行网格划分；S3、选择相应的湍流模型和空化模型求解所给选定计算域中的非定常空化流动；S4、进行空化计算，并在获得较准确的空泡形态时，开始对压力进行时间平均，求解其平均压力场；S5、将得到的平均压力场作为空蚀模型中的参数，在计算域中加载空蚀计算程序，从而得到计算域中各点的空蚀风险指标及分布。2.根据权利要求1所述的一种基于空泡溃灭势能的空蚀风险预测方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述的空蚀模型基于如下假设：空蚀是由靠近材料表面的空泡在溃灭时释放的本身的大尺度空泡涡结构中所蕴含的势能造成的，即空泡溃灭时产生的压力波是导致空蚀的主要因素，因此靠近材料表面区域的空泡造成的空蚀破坏远大于其他区域。3.根据权利要求2所述的一种基于空泡溃灭势能的空蚀风险预测方法，其特征在于，步骤S1中，所述的空蚀模型采用的公式如下：(a1)采用公式一获取空泡结构溃灭时的压力波P
pot
：公式一：其中，ΔP＝(P
d
‑
P
v
)，P
d
表示驱动空泡溃灭的一般未知压力场，P
v
表示饱和压力，V
v
表示空泡体积；(a2)根据公式二和公式三计算势功率密度：公式二：其中，α
v
＝V
ν
/V
cell
，α
v
表示空泡的体积分数，V
cell
表示空泡所处单元格体积；同时，α
v
还可表示为α
v
＝(ρ
‑
ρ
l
)/(ρ
ν
‑
ρ
l
)，ρ

【专利技术属性】
技术研发人员：李林敏，裴承乾，徐金秋，李晓俊，朱祖超，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：