本发明专利技术提供云空化演变过程模拟方法及装置，能够有效模拟空化流动中片空化向云空化转变及云空化生长、溃灭过程。云空化演变过程模拟方法包括：步骤1，设置计算初场；步骤2，通过用户自定义函数UDF计算空化过程中的相间传质速率采用区域表示片空化溃灭成云空化的区域，并导出该区域的网格节点位置坐标；步骤3，通过UDF计算片空化转换成云空化时气泡内的不可凝结气体质量和气泡直径；步骤4，通过UDF生成CFD
【技术实现步骤摘要】
云空化演变过程模拟方法及装置
[0001]本专利技术属于工程计算流体力学计算模拟
，具体涉及云空化演变过程模拟方法及装置。
技术介绍
[0002]空化是一种重要且复杂的水动力学现象，在水力机械、船舶推进器、水利工程中广泛存在，一直是水动力学领域研究的重点与难点。在复杂的空化流动中，根据空化形态可将其分为片空化和云空化，片空化一般是无害的，而云空化则会造成剧烈的噪音和振动，长时间的作用还会导致水力机械表面发生空蚀，降低设备寿命。与此同时，云空化溃灭时局部的高温高压及微射流作用是可以利用的，例如通过空化对水生藻类、细菌等进行灭杀，以及超声清洗等。不论是降低空化的破坏还是研究空化的应用，都需要对云空化的生成、发展、溃灭过程进行深入分析。然而，传统的空化模型高度依赖网格尺寸，不同网格尺寸得到的结果不同；并且，转化机制存在缺陷，无法研究或者只能研究一部分大尺度气泡转化为云空化的过程；从而无法对云空化的生成、发展、溃灭过程进行有效模拟。
技术实现思路
[0003]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供云空化演变过程模拟方法及装置，能够有效模拟空化流动中片空化向云空化转变及云空化生长、溃灭过程。
[0004]为了实现以上目的，本专利技术采用了以下方案：
[0005]<方法>
[0006]如图1所示，本专利技术提供云空化演变过程模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]步骤1，将用气相体积分数表示的空化区域作为计算初场；
[0008]步骤2，通过用户自定义函数UDF计算空化过程中的相间传质速率采用区域表示片空化溃灭成云空化的区域，并导出区域的网格节点位置坐标；
[0009]步骤3，通过UDF计算片空化转换成云空化时气泡内的不可凝结气体质量和气泡直径；汽泡质量和直径的计算公式如下：
[0010][0011][0012][0013]式中，V为所在网格的体积，ρ
g
为不可凝结气体的密度，p
g
、p
v
分别为泡内不可凝结气体和蒸汽的分压强；p
l
为气泡颗粒所在网格处压强；τ为液体表面张力系数；R0为气泡初始直径；R
g
为气体常数；T为温度；
[0014]步骤4，通过UDF生成CFD
‑
DPM耦合模型的气泡注入文件并设置相关参数；
[0015]步骤5，时间步长加1，计算CFD
‑
DPM耦合下的云空化流动，同时通过UDF求解R
‑
P方程，控制气泡直径变化；
[0016]步骤6，重复步骤2～步骤5直到达到计算时长要求。
[0017]优选地，本专利技术提供的云空化演变过程模拟方法，还可以具有这样的特征，在步骤2中，计算公式如下：
[0018][0019]当P≤P
v
时：
[0020][0021]当P≥P
v
时：
[0022][0023]式中，m
+
、m
‑
分别为蒸汽气泡生长和溃灭的质量传递速率；P
v
为液体的饱和蒸气压；P为远场压强；α
v
是网格节点处的气相体积分数；R
B
是气泡的初始粒径；F
vap
为蒸发系数；F
cond
为冷凝系数；α
nuc
为成核点体积分数；ρ
v
、ρ
l
分别为气相和液相的密度。
[0024]优选地，本专利技术提供的云空化演变过程模拟方法，还可以具有这样的特征：在步骤4中，将颗粒视为气泡，CFD与DPM之间采用单向耦合进行计算，不考虑气泡与气泡之间的碰撞；气泡注入采用File注入方式，通过后缀为.inj的文件定义气泡的注入位置坐标以及各项参数；采用Fluent中的DEFINE_ON_DEMAND宏计算并生成注入文件，采用步骤2和3所描述的方法确定位置坐标和计算气泡参数。
[0025]优选地，本专利技术提供的云空化演变过程模拟方法，还可以具有这样的特征：在步骤5中，进行耦合计算，在计算过程中，通过UDF宏DEFINE_DPM_LAW求解R
‑
P方程控制气泡直径变化。
[0026]优选地，本专利技术提供的云空化演变过程模拟方法，还可以具有这样的特征：在步骤5中，通过求解以下方程得到气泡在生长和溃灭过程中的泡壁速度：
[0027][0028]式中，R为汽泡半径，ρ
l
是液相密度，p
￥
(t)为t时刻的环境压力，μ为液相的动力粘度，在本模型中，p
v
为饱和蒸汽压。
[0029]<装置>
[0030]进一步，本专利技术还提供了云空化演变过程模拟装置，能够自动实现上述<方法>，其特征在于，包括：
[0031]初场设置部，将用气相体积分数表示的空化区域作为计算初场；
[0032]传质及位置设置部，通过用户自定义函数UDF计算空化过程中的相间传质速率采用区域表示片空化溃灭成云空化的区域，并导出区域的网格节点位置坐标；
[0033]汽泡参数计算部，通过UDF计算片空化转换成云空化时气泡内的不可凝结气体质量和气泡直径；汽泡质量和直径的计算公式如下：
[0034][0035][0036][0037]式中，V为所在网格的体积，ρ
g
为不可凝结气体的密度，p
g
、p
v
分别为泡内不可凝结气体和蒸汽的分压强；p
l
为气泡颗粒所在网格处压强；τ为液体表面张力系数；R0为气泡初始直径；R
g
为气体常数；T为温度；
[0038]气泡生成设置部，通过UDF生成CFD
‑
DPM耦合模型的气泡注入文件并设置相关参数；
[0039]耦合计算部，时间步长加1，计算CFD
‑
DPM耦合下的云空化流动，同时通过UDF求解R
‑
P方程，控制气泡直径变化；
[0040]迭代部，使传质及位置设置部、汽泡参数计算部、气泡生成设置部、耦合计算部继续循环处理(计算后续时间步长的参数)，直到达到计算时长要求；
[0041]控制部，与初场设置部、传质及位置设置部、汽泡参数计算部、气泡生成设置部、耦合计算部、迭代部均通信相连，控制它们的运行。
[0042]优选地，本专利技术提供的云空化演变过程模拟装置，还可以包括：动态演示部，与控制部通信相连，根据初场设置部、传质及位置设置部、汽泡参数计算部、气泡生成设置部、耦合计算部、迭代部得到的云空化演变过程数据生成云空化演变过程二维或者三维动态视图。
[0043]优选地，本专利技术提供的云空化演变过程模拟装置，还可以包括：输入显示部，与控制部通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.云空化演变过程模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将用气相体积分数表示的空化区域作为计算初场；步骤2，通过用户自定义函数UDF计算空化过程中的相间传质速率采用区域表示片空化溃灭成云空化的区域，并导出区域的网格节点位置坐标；步骤3，通过UDF计算片空化转换成云空化时气泡内的不可凝结气体质量和气泡直径；汽泡质量和直径的计算公式如下：汽泡质量和直径的计算公式如下：汽泡质量和直径的计算公式如下：式中，V为所在网格的体积，ρ
g
为不可凝结气体的密度，p
g
、p
v
分别为泡内不可凝结气体和蒸汽的分压强；p
l
为气泡颗粒所在网格处压强；τ为液体表面张力系数；R0为气泡初始直径；R
g
为气体常数；T为温度；步骤4，通过UDF生成CFD
‑
DPM耦合模型的气泡注入文件并设置相关参数；步骤5，时间步长加1，计算CFD
‑
DPM耦合下的云空化流动，同时通过UDF求解R
‑
P方程，控制气泡直径变化；步骤6，重复步骤2～步骤5直到达到计算时长要求。2.根据权利要求1所述的云空化演变过程模拟方法，其特征在于：其中，在步骤2中，计算公式如下：当P≤P
v
时：当P≥P
v
时：式中，m
+
、m
‑
分别为蒸汽气泡生长和溃灭的质量传递速率；P
v
为液体的饱和蒸气压；P为远场压强；α
v
是网格节点处的气相体积分数；R
B
是气泡的初始粒径；F
vap
为蒸发系数；F
cond
为冷凝系数；α
nuc
为成核点体积分数；ρ
v
、ρ
l
分别为气相和液相的密度。3.根据权利要求1所述的云空化演变过程模拟方法，其特征在于：其中，在步骤4中，CFD与DPM之间采用单向耦合进行计算，不考虑气泡与气泡之间的碰撞；气泡注入采用File注入方式，通过后缀为.inj的文件定义气泡的注入位置坐标以及各项参数；采用Fluent中的DEFINE_ON_DEMAND宏计算并生成注入文件，采用步骤2和3所描述
的方法确定位置坐标和计算气泡参数。4.根据权利要求1所述的云空化演变过程模拟方法，其特征在于：其中，在步骤5中，进行耦合计算，在计算过程中，通过UDF宏DEFINE_DPM_LAW求解R
‑
P方程控制气泡直径变化。5.根据权利要求1所述的云空化演变过程模拟方法，其特征在于：其中，在步骤5中，通过求解以下方程得到气泡在生长和溃灭过程中的泡壁速度：式中，R为汽泡半径，ρ
l
是液相密度，p
￥
(t...
【专利技术属性】
技术研发人员：程怀玉，柴彤山，龙新平，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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