基于三维动网格的旋转叶轮机械非定常流场的计算方法技术

本发明专利技术提供了一种基于三维动网格的旋转叶轮机械非定常流场的计算方法，应用于旋转叶轮机械技术领域，该方法基于三维动网格技术，实现了旋转叶轮机械的非定常流场计算，并且具有较传统滑移网格法更快的迭代速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及旋转叶轮机械
，更具体地说，涉及一种用于旋转叶轮机械的非定常流场的计算方法。
技术介绍
现阶段常规的旋转叶轮机械的非定常流动计算方法主要有滑移网格法，该方法使用多参考系(Multiple Reference Frame，简称MRF)，将叶轮计算域作为一个滑移子域设置在旋转参考系(非惯性系)中，滑移网格随参考系一起转动无须重新生成，并可保持初始网格的质量，其余计算域设在惯性系。两个参考系之间利用滑移界面进行数据对接，从而实现整体流场的计算。但是滑移网格法使用多参考系之间的数据对接，影响了时间上的连贯性，所以滑移网格法的迭代速度慢。解决非定常流动问题的常用办法还有动网格技术，动网格技术主要用来解决流场形状因边界运动而随时间改变的问题，在工业中的应用主要有偏心泵或齿轮泵的转动、阀门的开关过程、活塞在缸中的往复运动等等。但动网格方法在应用到三维情形时，复杂性陡增，变形后的网格往往出现负体积而导致计算出错终止，因此动网格技术应用目前仍局限于二维或准三维(二维域在法向拉伸而成)的案例。鉴于滑移网格法迭代速度慢，现有的动网格技术不适用于旋转叶轮机械的三维非定常流场计算中，因此有必要对旋转叶轮机械的非定常流场计算方法进行改进。非定常流动分析对于了解旋转叶轮机械的动态特性、提高其性能和可靠性，具有重要的科学和工程应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在 于克服现有技术的不足，提供一种，该方法实现了旋转叶轮机械的非定常流场计算，与传统的滑移网格法相比，本专利技术方法具有更快的迭代速度。为了达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案:，旋转叶轮机械是指通过叶轮旋转所产生的离心力进行增压的机械；其特征在于，包括如下步骤:第一步，将旋转叶轮机械中设有叶轮的旋转工作区域以及与旋转工作区域直接连接的区域定义为计算域，使用机械制图软件构造计算域的三维实体，形成三维实体文件；第二步，使用网格划分软件读取三维实体文件，对计算域进行网格划分，得到三维的初始网格，形成网格文件；第三步，使用计算流体动力学软件读取网格文件，并进行物性参数设置；所述物性参数设置包括运动边界的设置；所述运动边界的设置是指，运动边界的界面设置为叶轮计算域的边界面，运动规律设置为绕轴转动，运动方式设置为Profile方式；第四步，使用计算流体动力学软件，依次对计算周期中各个时间步的数值进行计算；每个时间步的数值计算在计算所得的数值收敛后完成；当一个时间步的数值计算完成后，通过更新叶轮计算域网格和临近叶轮计算域部分的网格节点，重构下一时间步网格，重构下一时间步网格采用两种方案:(I)对网格尺寸和畸变率在容许范围内的区域，采用弹簧光滑法结合动态分层法得到下一时间步的网格节点，然后通过守恒定律和插值运算从现有网格得到下一时间步网格的物理量,从而重构下一时间步的网格；(2)对网格尺寸和畸变率超出容许范围的区域，重新划分网格；下一时间步网格重构后，计算下一时间步的数值，直到完成最后时间步的计算。采用本专利技术方法可实现旋转叶片泵的全三维非定常流场数值计算。使用本专利技术方法，动网格计算仅在一个参考系中进行，新旧网格节点的拓扑关系保证了良好的计算精度和时间上的连惯性；而传统的滑移网格计算因多参考系之间的数据对接影响了时间上的连贯性、降低了迭代速度。在同样的计算模型、计算网格、初始条件、边界条件及软件设置条件下，在经过一段启动时间后，本专利技术方法与滑移网格的计算结果趋近一致，但本专利技术方法具有较快的迭代速度。进一步的方案是:所述第四步中的采用弹簧光滑法结合动态分层法得到下一时间步的网格节点是指，对网格尺寸和 畸变率在容许范围内的区域，采取弹簧光滑法，将该区域的网格边视为网格节点连接的弹簧，以边界位移作为弹簧的边界条件，通过求解弹簧的力平衡方程得到下一时间步的网格节点的位置，同时通过动态分层法，根据边界的位移量动态地增加或减少边界上的网格层，使计算域网格层保持密度。所述第四步中的计算周期是指，叶轮计算域旋转360°所需的时间。所述第四步中的数值收敛的判断方法有两种:(一)以残差值的变化判断；(二)编写程序对数值进行监测。更进一步的方案是:所述第三步中的物性参数设置还包括:设置计算域入口为压力边界条件；设置计算域出口为质量流量边界条件；设置非定常流动计算采用标准k_ ε湍流模型；设置时间步长△〖；设置非定常流动计算的初始条件，所述初始条件采用定常流动的收敛解。所述第三步中的时间步长At的取值范围为:Δ/ ; ，其中，nZkη为叶轮的转速值，Z为叶片数，k为> I的整数。所述第三步中的初始条件采用的定常流动的收敛解是通过转子冻结法计算得出。所述第二步中的网格划分软件采用ICEM软件。所述第三步和第四步中的计算流体动力学软件采用Ansys-Fluent软件。本专利技术相对于现有技术具备如下的突出优点和效果:采用本专利技术方法可实现旋转叶片泵的全三维非定常流场数值计算。使用本专利技术方法，动网格计算仅在一个参考系中进行，新旧网格节点的拓扑关系保证了良好的计算精度和时间上的连惯性；而传统的滑移网格计算因多参考系之间的数据对接影响了时间上的连贯性、降低了迭代速度。在同样的计算模型、计算网格、初始条件、边界条件及软件设置条件下，在经过一段启动时间后，本专利技术方法与滑移网格的计算结果趋近一致，但本专利技术方法具有较快的迭代速度。附图说明图1是本专利技术方法的流程图；图2是离心泵的计算域的网格示意图；图3 Ca)是t=0时计算域表面的局部网格示意图；图3 (b)是t=l Δ t时计算域表面的局部网格示意图；图4 Ca)是与图3 Ca)对应的计算域中心截面的局部网格示意图；图4 (b)是与图3 (b)对应的计算域中心截面的局部网格示意图；图5 (a)是图4 (a)中叶轮出口的的局部放大图；图5 (b)是图4 (b)中叶轮出口的的局部放大图；图6是利用本专利技术方法迭代计算的残差记录图；图7是利用滑移网格法迭代计算的残差记录图；图8是叶轮无量纲径向力Fx'图；图9是叶轮无量纲径向力F/图。具体实施例方式下面结合实施例对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。 实施例本专利技术非定常流场的计算方法，应用于旋转叶轮机械，旋转叶轮机械是指通过叶轮旋转所产生的离心力进行增压的机械，例如离心泵、离心压缩机、混流泵、轴流泵、轴流压缩机、离心风机、轴流风机等；本专利技术方法的流程图见图1，包括如下步骤:第一步，将旋转叶轮机械中设有叶轮的旋转工作区域以及与旋转工作区域直接连接的区域定义为计算域，使用机械制图软件(如Pro/E软件)构造计算域的三维实体，形成三维实体文件；第二步，使用网格划分软件(如ICEM软件)读取三维实体文件，对计算域进行网格划分，得到结构/非结构混合网格初始单元，形成网格文件；第三步，使用计算流体动力学软件(如Ansys-Fluent)读取网格文件,并进行物性参数设置；物性参数设置包括设置运动边界，运动边界的设置是指，运动边界的界面设置为叶轮计算域的边界面，运动规律设置为绕轴转动，运动方式设置为Profile方式；运动边界的设置和控制是动网格计算的重点；对于已知运动规律的运动边界，需要定义运动边界的运动方式，一般可采用Profile (动边界文件)和UDF (用户自定义函数)两种方式来控制；Profile方本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于三维动网格的旋转叶轮机械非定常流场的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，将旋转叶轮机械中设有叶轮的旋转工作区域以及与旋转工作区域直接连接的区域定义为计算域，使用机械制图软件构造计算域的三维实体，形成三维实体文件；第二步，使用网格划分软件读取三维实体文件，对计算域进行网格划分，得到三维的初始网格，形成网格文件；第三步，使用计算流体动力学软件读取网格文件，并进行物性参数设置；所述物性参数设置包括运动边界的设置；所述运动边界的设置是指，运动边界的界面设置为叶轮计算域的边界面，运动规律设置为绕轴转动，运动方式设置为Profile方式；第四步，使用计算流体动力学软件，依次对计算周期中各个时间步的数值进行计算；每个时间步的数值计算在计算所得的数值收敛后完成；当一个时间步的数值计算完成后，通过更新叶轮计算域网格和临近叶轮计算域部分的网格节点，重构下一时间步网格，重构下一时间步网格采用两种方案：（1）对网格尺寸和畸变率在容许范围内的区域，采用弹簧光滑法结合动态分层法得到下一时间步的网格节点，然后通过守恒定律和插值运算从现有网格得到下一时间步网格的物理量，从而重构下一时间步的网格；（2）对网格尺寸和畸变率超出容许范围的区域，重新划分网格；下一时间步网格重构后，计算下一时间步的数值，直到完成最后时间步的计算。...

【技术特征摘要】
1.基于三维动网格的旋转叶轮机械非定常流场的计算方法，其特征在于，包括如下步骤: 第一步，将旋转叶轮机械中设有叶轮的旋转工作区域以及与旋转工作区域直接连接的区域定义为计算域，使用机械制图软件构造计算域的三维实体，形成三维实体文件； 第二步，使用网格划分软件读取三维实体文件，对计算域进行网格划分，得到三维的初始网格，形成网格文件； 第三步，使用计算流体动力学软件读取网格文件，并进行物性参数设置；所述物性参数设置包括运动边界的设置；所述运动边界的设置是指，运动边界的界面设置为叶轮计算域的边界面，运动规律设置为绕轴转动，运动方式设置为Profile方式； 第四步，使用计算流体动力学软件，依次对计算周期中各个时间步的数值进行计算；每个时间步的数值计算在计算所得·的数值收敛后完成；当一个时间步的数值计算完成后，通过更新叶轮计算域网格和临近叶轮计算域部分的网格节点，重构下一时间步网格，重构下一时间步网格采用两种方案:(1)对网格尺寸和畸变率在容许范围内的区域，采用弹簧光滑法结合动态分层法得到下一时间步的网格节点，然后通过守恒定律和插值运算从现有网格得到下一时间步网格的物理量,从而重构下一时间步的网格；(2)对网格尺寸和畸变率超出容许范围的区域，重新划分网格；下一时间步网格重构后，计算下一时间步的数值，直到完成最后时间步的计算。2.根据权利要求1所述的基于三维动网格的旋转叶轮机械非定常流场的计算方法，其特征在于，所述第四步中的采用弹簧光滑法结合动态分层法得到下一时间步的网格节点是指，对网格尺寸和畸变率在容许范围内的区域，采取弹簧光滑法，将该区域的网格边视为网格节点连接的弹簧，以边界位移作为弹簧的边界条件，通过求解...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄思，陈志胜，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：