复杂多相湍流结构描述表征方法、辨识系统及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供复杂多相湍流结构描述表征方法、辨识系统及装置，能够有效描述和辨识复杂多相湍流运动情况，包括宏观流动结构和具体流体质点的运动情况。复杂多相湍流结构描述表征方法包括：步骤1，计算宏观流动；步骤2，采用误差估计得到流场中的误差分布情况，确定流场重点区域，针对流场重点区域计算得到数值基准值；步骤3，根据数值基准值，对湍流结构进行描述表征；步骤4，基于数值基准值和流体仿真得到时空流场数据，进行流场内任意粒子的轨迹追踪。复杂多相湍流辨识系统采用上前述方法计算描述和辨识复杂多相湍流运动情况。复杂多相湍流辨识装置包括：宏观流动计算部、区域确定计算部、描述表征部、轨迹追踪部以及控制部。轨迹追踪部以及控制部。轨迹追踪部以及控制部。

【技术实现步骤摘要】
复杂多相湍流结构描述表征方法、辨识系统及装置


[0001]本专利技术属于工程计算流体力学
，具体涉及复杂多相湍流结构描述表征方法、辨识系统及装置。

技术介绍

[0002]多相湍流是重要且复杂的水动力学现象，广泛存在于水力机械工程中。一方面，湍流可以提高流体动能，用于水力发电领域能够使流体能量得到有效利用；同时湍流能促进液体传输和混合，可以运用在液体喷射领域。另一方面，湍流增加了流动的不稳定性，在工程实际中，使流动现象更为复杂，难以捕捉，建模困难；并且在水动力学中，湍流会引发剧烈的相变，由此造成的压力脉动，空化空蚀，空化噪声等问题严重影响水力机械的安全稳定运行。因此，研究、辨识工程中多相湍流运动情况，进而充分利用湍流有利效果，减小和避免负面影响，对于工程实践具有重要意义。
[0003]多相湍流通常包含高雷诺数、非定常性、相变等复杂的流动形式，使得流场的数值解更难以满足渐近区间的要求，无法有效描述和辨识复杂多相湍流结构，目前已有技术普遍存在较大偏差，因而无法在工程实际中得以应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供复杂多相湍流结构描述表征方法、辨识系统及装置，能够有效描述和辨识复杂多相湍流运动情况，包括宏观流动结构和具体流体质点的运动情况。
[0005]为了实现以上目的，本专利技术采用了以下方案：
[0006]<方法>
[0007]本专利技术提供复杂多相湍流结构描述表征方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，计算宏观流动；
[0009]步骤2，基于步骤1的计算结果，采用误差估计得到流场中的误差分布情况，确定流场重点区域，针对流场重点区域计算得到数值基准值；
[0010]δ＝φ
i
‑
φ0＝δ
N
+λ
i
δ
M (式1)
[0011][0012][0013][0014]式中，φ
i
表示目标物理量的数值解，φ0表示目标物理量的数值基准值，δ
N
和λ
i
δ
M
分别表示数值误差和模型误差，λ
i
为调节系数；c
m
和c
n
分别表示模型误差、数值误差的系数，通过待定系数法确定；p
m
和p
n
分别表示模型误差、数值误差的观测准确度阶数；h是网格尺寸，Δt为时间步长，Δ是滤波尺寸，Δ
DES
为当地网格尺寸，d为流场中的点到最近壁面的距离；x
j
为待求解的未知数，n
x
为未知数的个数；n为网格套数，i表示第i套网格；
[0015]通过式3和4求解方程中的未知数，进而得到数值误差δ
N
和模型误差λ
i
δ
M
：构建多套系统加密的笛卡尔网格进行数值模拟计算，提取流场中目标物理量；对于p
n
(p
m
)>2的情况，将代入到式3求解未知数；对于p
n
(p
m
)<0.5，将代入到式3求解；对于不同的误差结果，都采用式4求解均方差，并选取均方差最小的作为最终的误差估计结果；根据误差估计结果和预定阈值，确定流场的重点区域；针对流场重点区域，将误差估计结果代入式1，求取目标物理量的数值基准值φ0；
[0016]步骤3，根据数值基准值，对湍流结构进行描述表征；
[0017]步骤4，基于数值基准值和流体仿真得到时空流场数据，进行流场内任意粒子的轨迹追踪；
[0018]其中，步骤3与4无先后顺序。
[0019]优选地，本专利技术提供的复杂多相湍流结构描述表征方法，在步骤2中，目标物理量包括速度、压力、湍动能、雷诺应力、相体积分数中的任意一种或多种；当目标物理量为多种时，对于每一种目标物理量均根据步骤2计算得到对应的数值基准值。
[0020]优选地，本专利技术提供的复杂多相湍流结构描述表征方法，在步骤2中，求解步骤如下：
[0021](1)构建至少六套系统加密的笛卡尔网格进行数值模拟计算；
[0022](2)提取流场参数作为目标物理量；
[0023](3)将和以及每套网格计算所得的目标物理量代入式3求解，对于满足0.5<p
m
(p
n
)<2的情况，直接将计算所得的δ
N
和λ
i
δ
M
作为最终的误差估计结果；
[0024](4)对于p
n
(p
m
)>2的情况，将代入到式3求解未知数；对于不同的误差结果，利用式4求解均方差，并选取均方差最小的作为最终的误差估计结果；
[0025](5)对于p
n
(p
m
)<0.5，将代入到式3求解；对于不同的误差结果，利用式4求解均方差，并选取均方差最小的作为最终的误差估计结果；
[0026](6)根据误差估计结果和预定阈值，确定流场的重点区域；针对流场重点区域，将误差估计结果代入式1，求取目标物理量的数值基准值φ0。
[0027]优选地，本专利技术提供的复杂多相湍流结构描述表征方法，在步骤2中，基于误差估计结果，提取的区域作为流场的重点区域；针对流场重点区域，将上述误差估计结果代入式1，求取目标物理量的数值基准值φ0，并将该数值基准值用于后续步骤中进行湍流识别计算。
[0028]优选地，本专利技术提供的复杂多相湍流结构描述表征方法，在步骤1中，采用欧拉方法计算宏观流动；在步骤3中，采用Q准则和Ω方法进行欧拉视角下的湍流结构的描述表征，对流场中的涡旋结构进行充分识别；在步骤4中，运用粒子追踪技术表征拉格朗日视角下的流动特征。
[0029]<系统>
[0030]进一步，本专利技术提供了复杂多相湍流辨识系统，采用上文<方法>计算描述和辨识复杂多相湍流运动情况。
[0031]<装置>
[0032]更进一步，本专利技术还提供了复杂多相湍流辨识装置，其特征在于，包括：
[0033]宏观流动计算部，计算宏观流动；
[0034]区域确定计算部，基于步骤1的计算结果，采用误差估计得到流场中的误差分布情况，确定流场重点区域，针对流场重点区域计算得到数值基准值；
[0035]δ＝φ
i
‑
φ0＝δ
N
+λ
i
δ
M
ꢀꢀꢀ
(式1)
[0036][0037][0038][0039]式中，φ
i
表示目标物理量的数值解，φ0表示目标物理量的数值基准值，δ
N
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.复杂多相湍流结构描述表征方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，计算宏观流动；步骤2，基于步骤1的计算结果，采用误差估计得到流场中的误差分布情况，确定流场重点区域，针对流场重点区域计算得到数值基准值；δ＝φ
i
‑
φ0＝δ
N
+λ
i
δ
M
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(式1)(式1)(式1)式中，φ
i
表示目标物理量的数值解，φ0表示目标物理量的数值基准值，δ
N
和λ
i
δ
M
分别表示数值误差和模型误差，λ
i
为调节系数；c
m
和c
n
分别表示模型误差、数值误差的系数，通过待定系数法确定；p
m
和p
n
分别表示模型误差、数值误差的观测准确度阶数；h是网格尺寸，Δt为时间步长，Δ是滤波尺寸，Δ
DES
为当地网格尺寸，d为流场中的点到最近壁面的距离；x
j
为待求解的未知数，n
x
为未知数的个数；n为网格套数，i表示第i套网格；通过式3和4求解方程中的未知数，进而得到数值误差δ
N
和模型误差λ
i
δ
M
：构建多套系统加密的笛卡尔网格进行数值模拟计算，提取流场中目标物理量；对于p
n
(p
m
)>2的情况，将代入到式3求解未知数；对于p
n
(p
m
)<0.5，将代入到式3求解；对于不同的误差结果，都采用式4求解均方差，并选取均方差最小的作为最终的误差估计结果；根据误差估计结果和预定阈值，确定流场的重点区域；针对流场重点区域，将误差估计结果代入式1，求取目标物理量的数值基准值φ0；步骤3，根据数值基准值，对湍流结构进行描述表征；步骤4，基于数值基准值和流体仿真得到时空流场数据，进行流场内任意粒子的轨迹追踪；其中，步骤3与4无先后顺序。2.根据权利要求1所述的复杂多相湍流结构描述表征方法，其特征在于：
其中，在步骤2中，目标物理量包括速度、压力、湍动能、雷诺应力、相体积分数中的任意一种或多种；当目标物理量为多种时，对于每一种目标物理量均根据步骤2计算得到对应的数值基准值。3.根据权利要求1所述的复杂多相湍流结构描述表征方法，其特征在于：其中，在步骤2中，求解步骤如下：(1)构建至少六套系统加密的笛卡尔网格进行数值模拟计算；(2)提取流场参数作为目标物理量；(3)将和以及每套网格计算所得的目标物理量代入式3求解，对于满足0.5<p
m
(p
n
)<2的情况，直接将计算所得的δ
N
和λ
i
δ
M
作为最终的误差估计结果；(4)对于p
n
(p
m
)>2的情况，将代入到式3求解未知数；对于不同的误差结果，利用式4求解均方差，并选取均方差最小的作为最终的误差估计结果；(5)对于p
n
(p
m
)<0.5，将代入到式3求解；对于不同的误差结果，利用式4求解均方差，并选取均方差最小的作为最终的误差估计结果；(6)根据误差估计结果和预定阈值，确定流场的重点区域；针对流场重点区域，将误差估计结果代入式1，求取目标物理量的数值基准值φ0。4.根据权利要求3所述的复杂多相湍流结构描述表征方法，其特征在于：其中，在步骤2中，基于误差估计结果，提取的区域作为流场的重点区域；针对流场重点区域，将上述误差估计结果代入式1，求取目标物理量的数值基准值φ0，并将该数值基准值用于后续步骤中进行湍流识别计算。5.根据权利要求1所述的复杂多相湍流结构描述表征方法，其特征在于：其中，在步骤1中，采用欧拉方法计算宏观流动；在步骤3中，采用Q准则和Ω方法进行欧拉视角下的湍流结构的描述表征，对...

【专利技术属性】
技术研发人员：季斌，邓林峰，程怀玉，龙新平，赵凯，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：