专利名称：基于三维动网格的旋喷泵非定常流场的计算方法
技术领域：
本发明涉及旋喷泵技术领域，更具体地说，涉及一种用于旋喷泵的非定常流场的计算方法。
背景技术：
小流量高扬程泵在石油、化工、城建、冶金、造纸等诸多行业中有着广泛的应用。该类泵的比转速很低(ns ( 30)，因此带来的问题是水泵运行效率偏低，能量损耗极其严重。旋喷泵(又称旋转喷射泵、毕托泵)是基于毕托管将流体动能转换成势能原理研制的一种低比转速泵。
图1是旋喷泵的流动模型，它包括进水段、叶轮、转子腔和集流管四个主要过流部件，其中叶轮和转子腔固接在一起并随主轴同步旋转，而集流管则是插入转子腔内的静止元件。旋喷泵运行时，液体从进水段进入叶轮，受旋转叶轮叶片作用后获得能量进入转子腔，再随转子腔一起转动获得更高的动能后进入集流管，经过扩散段动能转换为势能后由集流管的直管段流出。与常规的高压泵(如多级泵、往复泵等)相比，旋喷泵具有结构简单、体积小、重量轻、使用方便、工作可靠等特点，逐渐成为小流量高扬程泵的主要选项，在泵效率等性能方面也有较大的提升潜力。从应用的角度讲，如图1所示，集流管的径向长度与转子腔半径相当，集流管的横截面直径约占转子腔轴向尺寸的1/4 1/3。可以想象，当叶轮和转子腔旋转时，固定静止的集流管必然对高速旋转(部分旋喷泵转速在4000rpm以上)的叶轮和转子腔流场产生严重的干扰，集流管本身周围也形成压差产生对集流管较大的作用力，引发振动噪音等不利因素。从科学研究的角度讲，对于普通叶片泵(如离心泵、轴流泵等)的非定常流动问题，当叶轮旋转时，转子(叶轮)域与定子(泵体、管路)域几何形状始终保持不变；除了相连接的交界面外，转子域与定子域各自独立、互不干涉，因此可采用都是刚性网格的转子域和定子域做相对运动的“滑移网格 法”进行瞬态分析。但在旋喷泵流场中，当转子(转子腔和叶轮)域旋转时，转子域与静止的集流管实体发生冲突；若要避开集流管实体的干涉，转子计算域必须随时间做大幅变形，计算网格也需要做相应的调整，因此不能使用上述刚性网格的“滑移网格法”。解决流动域及网格的大变形问题，必须采取三维计算旋转域及其网格重构技术，才有可能实现旋喷泵的非定常流场分析。由于三维网格重构的复杂性、计算耗时及新旧网格多次映射插值引起误差等多方面的原因，到目前为止基于三维网格重构技术的流场分析尚处于探索阶段，更没有成熟的工程应用案例。1923年Krogh把毕托管工作原理应用到泵的设计中，后被研制成旋喷泵用于二战。20世纪80年代，德国、日本等国投入资金进行旋喷泵的理论研究和产品开发，目前已有很多产品投入市场，但可查阅的旋喷泵资料大都是产品介绍，相关的研究报导和技术资料还很少见。90年代中，Sbom对旋喷泵的工作原理、结构特点及其应用等方面做了全面的介绍。20世纪80年代末我国陆续引进旋喷泵产品，国内也开始了关于旋喷泵工作原理、水力性能等方面的研究。杨军虎、齐学义、马希金等通过样机试验，分析了旋喷泵内流动状况，提出长短叶片相间的复合式叶轮设计方法，给出了集流管的设计公式和选择范围；他们还采用任意准三元正交面法求解旋喷泵叶轮内的准三元流场，并对旋喷泵的流动机理和设计方法进行了初步研究。王成木等将旋喷泵的三种叶轮与四种集流管进行了不同组合试验，发现复合式常规叶片叶轮的效率没有直叶片的叶轮效率高；还发现集流管的断面形状、尺寸和粗糙度除了对流动阻力大小有影响外，还对泵的工作稳定性产生影响。随着计算技术的快速发展，近年来一些学者相继开展了旋喷泵粘性流场的数值模拟研究。王云芸、陈次昌、杨昌明等运用Fluent软件，采用标准k- ε湍流模型及SMPLEC算法，分析了旋喷泵叶轮内的流动规律。程云章、朱兵、陈红勋等在相对参考系下对旋喷泵叶轮和转子腔、在绝对参考系下对集流管内流动进行了三维数值模拟，模拟结果显示集流管在拐角处和截面内有明显的回流和旋涡。邹雪莲、陈红勋建立了旋喷泵直叶片叶轮的流动数学模型，对叶轮内流动进行了三维计算和对比分析。许洪元、田爱民、王晓东等对集流管内流动做了深入研究，了解了集流管内压力、流速以及湍流的分布规律，得知集流管扩散段的形状对泵效率有较大的影响。余惠琼、季全凯、符杰等对旋喷泵内流场进行了数值模拟，探讨了叶轮和集流管等有关几何参数对泵性能影响。易同祥、王春林运用ANSYS-CFX软件对旋喷泵内流场进行了大涡数值模拟，分析了集流管进口形状和翼型对泵性能的影响，分析了不同工况下固体颗粒对旋喷泵壁面的磨损情况，在不计集流管对旋转流场干涉的条件下，研究了泵内的脉动压力。宋怀德、刘宜对旋喷泵的集流管和转子腔进行了内流场的数值模拟，针对不同集流管形状、进口尺寸所构成的旋喷泵进行了研究。黄思、苏丽娟等人运用数值模拟结合性能实验，探讨了立式旋喷泵叶轮形式(单侧开式、单侧闭式和双侧开式)、叶片形状(直叶片、弯曲叶片和长短叶片组合)、叶片数、集流管外形、集流管流道截面、集流管转弯半径等参数对泵性能的影响。由于之前提到的因集流管实体干涉，造成转子计算域和计算网格必须随时间做大幅变形调整问题，因此上述旋喷泵的流场计算只能局限于定常的计算，即对转子域(叶轮和转子腔)采取了“转子冻结法”:转子域与定子域(集流管)都是刚性的，它们之间没有相对运动。显然，定常模拟是不能反映旋喷泵的瞬时流动状况的，尤其是固定集流管对高速旋转的叶轮和转子腔流场产生严重干扰，集流管自身周围也形成压差产生对集流管较大的作用力并可能引发振动噪音的现象 。关于水力机械的非定常计算方法，水力机械的非定常流动问题大致可分为以下3类:(I)物体静止而流动为非定常问题，如静止叶栅的分离流动等；(2)单个物体作刚性运动的非定常流动问题，如转子绕轴的转动等；(3)多体作相对运动或变形运动的非定常问题，如齿轮泵啮合、阀门的开启关闭、活塞在缸中的往复运动等等。对于上述的第(I)类非定常问题，静态的刚性网格就能满足要求。对于第(2)类非定常问题，仍可采用静态的刚性网格，但需选取非惯性系或多参考系(惯性系+非惯性系)进行定常或非定常计算。例如，对于水力机械最常见的转子流动问题。因为转子是周期性的掠过求解域，对于惯性系讲，流动是非定常的。然而在不考虑静止部件的情况下，取旋转部件一起运动的计算域在旋转参考系(非惯性系)下，流动则可视为定常的，使问题得到了简化。如果除了旋转部件，也要考虑静止部件的话，如在涡轮中同时有转子和定子的流动问题，这种情况就必须采用多参考系(Multiple Reference Frame,简称MRF)进行分析。采用静止的刚性网格，可省去使用动网格计算所带来的诸多麻烦(如几何守恒率、运动边界等)，因此绝大部分CFD软件都集成了多参考系MRF技术。但必须指出的是，MRF系下转子与定子的位置关系仅仅是某一时刻它们之间的相互位置，称之为“转子冻结法”(Frozen RotorApproach)0很明显，转子冻结法不能解决因转子与定子作相对运动所引起的非定常流动问题。对于第(3)类非定常问题，涉及到物体的相对运动或变形，常见的解决办法有滑移网格和动网格等方法。滑移网格的基本思想是在运动部件的运动轨迹周围预先划出一个滑移子域。在滑移子域与其他区域的交界面处，利用边界条件与其他区域对接，从而实现整体流场的计算。滑移网格技术严格来说属于刚性运动网格的一种。在整个运动过程中，计算网格随物体按已知的运动方式一起作刚体运动，计算网格无须重新生成，因此计算量小，并可保持初始网格的质量。滑移网格技术在常规的旋转叶轮机械、车辆交会等非定常流动问题中应用广泛，AnSyS-CFX、Fluent等CFD软件中也集成了该网格技术。但滑移网格法不能解决变形体或多体相对运动等复杂问题，而旋喷泵转子域正是属于变形体一类。理论上讲，动网格方法是解决非定常流动问题的通用办法，一般用来解决流场形状由于边界运动而随时间改变的问题。边界的运动方式可以是预先已知的，也可以是预先未知的，即边界的运动要由前一步的计算结果决定，网格的更新则根据边界的变化情况自动完成。动网格方法的基本思想是在每个时间步内，通过对流体域的网格更新以实现由于边界运动而引起的求解域的变化，采用任意拉格朗日一欧拉(ALE)方法描述流体运动的控制方程，新网格的物理量通过插值运算从旧网格映射得到，并对每个时间步网格上的物理量进行迭代求解，以此来获得流动的动态演化结果。常见的动网格方法有以下三种:基于弹簧理论的弹簧光滑法(Spring-basedsmoothing)、动态分层法(Dynamic layering)以及网格重构法(Remeshing)。(I)弹簧光滑法是将各网格边简化为具有一定刚度并通过节点连接的弹簧。以边界位移量作为弹簧的边界条件，通过求解弹簧系统的力平衡方程得到节点的位移增量，最终得到新网格的节点位置。弹簧 光滑法中新旧网格节点的拓扑关系保持不变，因此能够保证计算精度。但弹簧光滑法通过改变网格节点位置来拉伸或压缩网格，容易造成网格过密或过疏；当计算域变形较大时，变形后的网格会产生较大的倾斜度使网格质量恶化、影响计算精度；严重时甚至出现负体积网格，使计算出错而终止。(2)动态分层法是根据边界的位移量动态地增加或减少边界上的网格层，即先在边界上假定一个理想的网格层高度，在边界发生运动时，如果紧邻边界的网格层高度同理想高度相比拉伸到一定程度时，就将其分为两个网格层；如果临近网格被压缩到一定程度时，就将紧邻边界的两个网格层合并为一个层，使边界上的网格层保持一定的密度。动态分层法在生成网格时速度较快，但它要求运动边界附近的网格为六面体(三维)，这对于复杂外形的流动域来说是不适合的。(3)网格重构法是对弹性光滑法的补充，弹性光滑法一般只能处理小变形流场问题。对于水力机械的某些问题，如齿轮泵啮合、阀门开关过程等问题，大变形不可避免。因此，需要利用网格重构法对流场网格进行重新划分。网格重构法是以网格尺寸和畸变率等作为评判标准，当边界的移动和变形过大，局部网格发生严重畸变时，则对这些区域重新划分网格。新网格上的物理量通过体积守恒定律和插值映射从旧网格中获得。需要说明的是，网格重构法在每次变形移动时都需要重新划分网格，因而耗费较多的计算时间。目前动网格技术在水力机械的应用主要是偏心泵或齿轮泵的转动、阀门的开启与关闭过程、活塞在缸中的往复运动等三个方面。这些工作的一般做法是在流动软件中使用动边界文件(Profile)或用户自定义函数(User-Defined Function,简称UDF)来定义已知的齿轮、阀芯或活塞等动边界的运动方式，采用动网格技术(弹簧光滑法、动态分层法以及网格重构法)对计算域内的非定常流动状态进行模拟计算、可视化分析，得出流场与受力随时间的变化情况。但动网格技术在推广到三维网格变形时，不仅算法复杂性增加、网格变形效率降低，而且变形后的网格质量往往不理想而导致计算终止，因此上述动网格技术应用基本局限于二维(如在齿轮泵模型中，近似认为流动参数在旋转轴方向没有变化；在阀门启闭、缸中活塞往复运动中做轴对称假设)或准三维(由二维域在轴向拉伸成为三维域)的简化模型计算。综上所述，由于旋喷泵静止的集流管严重干涉了转子域，因此目前所有旋喷泵的流场分析只能是建立在转子冻结法的定常计算基础上，旋喷泵的非定常流场计算至今仍是空白。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于三维动网格的旋喷泵非定常流场的计算方法，该方法基于三维动网格技术，解决了网格重构的技术问题，实现了旋喷泵的非定常流场计算。为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案:基于三维动网格的旋喷泵非定常流场的计算方法，其特征在于，包括如下步骤:第一步，将旋喷泵中转子腔、叶轮、进水段和集流管定义为计算域，其中，转子腔和叶轮定义为计算域中的旋转域，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流体与转子腔和叶轮所接触的表面，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，通过更新旋转域网格和临近旋转域部分的网格节点，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，先采用弹簧光滑法得到下一时间步的网格节点，然后通过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，重新划分网格作为下一时间步网格；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。
由于旋喷泵结构的特殊性，目前国内外关于旋喷泵的流场计算只能采用“转子冻结”的定常方法，而关于旋转叶轮机械非定常流场计算的通用办法是采用“滑移网格法”，但该方法仍不能解决旋喷泵流场的非定常计算；本发明方法采取了旋转域与刚性域相结合的计算策略，基于三维网格，采用弹簧光滑法结合局部网格重构法实现网格重建，计算各个时间步的数值，实现了旋喷泵的非定常流场计算，为旋喷泵的瞬态流动特性分析提供有力工具。进一步的方案是:所述第四步中的采用弹簧光滑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，将该区域的网格边简化为具有一定刚度并通过网格节点连接的弹簧，通过改变网格节点位置来拉伸或压缩网格；以边界移动量为弹簧的边界条件，通过求解弹簧系统的力平衡方程得到网格节点的位移增量，最终得到下一时间步的网格节点位置。所述第四步中的计算周期是指，旋转域旋转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，所述初始条件采用旋喷泵内定常流动的收敛解。所述第三步中的时间步长At的取值范围为
权利要求
1.基于三维动网格的旋喷泵非定常流场的计算方法，其特征在于，包括如下步骤: 第一步，将旋喷泵中转子腔、叶轮、进水段和集流管定义为计算域，其中，转子腔和叶轮定义为计算域中的旋转域，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流体与转子腔和叶轮所接触的表面，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，通过更新旋转域网格和临近旋转域部分的网格节点，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，先采用弹簧光滑法得到下一时间步的网格节点，然后通过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，作为下一时间步网格；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喷泵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，将该区域的网格边简化为具有一定刚度并通过网格节点连接的弹簧，通过改变网格节点位置来拉伸或压缩网格；以边界移动量为弹簧的边界条件，通过求解弹簧系统的力平衡方程得到网格节点的位移增量，最终得到下一时间步的网格节点位置。
3.根据权利要求2所述的基于三维动网格的旋喷泵非定常流场的计算方法，其特征在于，所述第四步中的计算周期是指，旋转域旋转360°所需的时间。
4.根据权利要求3所述的基于三维动网格的旋喷泵非定常流场的计算方法，其特征在于，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。
5.根据权利要求1所述的基于三维动网格的旋喷泵非定常流场的计算方法，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At;设置非定常流动计算的初始条件，所述初始条件采用旋喷泵内定常流动的收敛解。
6.根据权利要求5所述的基于三维动网格的旋喷泵非定常流场的计算方法，其特征在于，所述第三步中的时间步长At的取值范围为:
7.根据权利要求5所述的基于三维动网格的旋喷泵非定常流场的计算方法，其特征在于，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。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的基于三维动网格的旋喷泵非定常流场的计算方法，其特征在于，所述第二步中的网格划分软件采用ICEM软件。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的基于三维动网格的旋喷泵非定常流场的计算方法，其特征在于，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。
全文摘要
本发明提供了一种基于三维动网格的旋喷泵非定常流场的计算方法，应用于旋喷泵技术领域，该方法基于三维动网格技术，解决了网格重构的技术问题，实现了旋喷泵的非定常流场计算。
文档编号G06F17/50GK103226634SQ20131013833
公开日2013年7月31日 申请日期2013年4月19日 优先权日2013年4月19日
发明者黄思, 杨富翔 申请人:华南理工大学