适用于动边界空化绕流的空化模型修正方法与流程

本发明涉及一种适用于动边界空化绕流的空化模型修正方法，属于水力机械技术领域。

背景技术：

在水力机械研究中，旋转产生的附加作用力以及动静部件的扰动对湍流过程、边界层的发展、流动结构的时空分布有着重要的影响，非转动/转动部件的流场相互干扰的物理机制一直是研究的重点和难点。在螺旋桨、涡轮泵、水轮机启停机、飞逸、增减负荷等瞬态过程中，暂态过程瞬变流动会使升力面的有效攻角发生改变，其内部流动复杂多变，呈现出强烈的不稳定性，尤其在空化条件下严重影响装置的工作性能。

针对水力机械中的空化现象，往往采用实验和数值模拟两种研究手段。对于动边界绕流空化问题，实验研究成本较大，且精细化流场信息往往获取较少；数值模拟研究可辅助其获取较多的流场细节，进而可实现动边界绕流空化精细化流场及动态特性分析。发明专利(cn201910353057.2)公开了一种多尺度自适应模型对空化流进行仿真的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1：对预先设定的计算域进行网格划分，并确定边界条件、气液两相的物性参数；步骤s2：对步骤s1中由于相变引起的气液两相之间的界面，采用离散气泡所占体积分数的连续空泡界面捕捉算法计算液体和气体之间的边界条件参数；步骤s3：根据边界条件参数确定界面位置，对界面处的网格采用网格动态分裂方法对其进行分裂，分裂后的网格精度通过设定分裂的阶数达到；步骤s4：对于经过步骤s3进一步分裂的界面破碎的位置，识别破碎处的小尺度气泡，将其转化为离散气泡，采用离散气泡随体算法跟踪每个离散气泡的运动轨迹，通过离散气泡生长溃灭与合并破碎的算法模拟跟踪过程中离散气泡的生长溃灭与合并破碎，对于离散气泡与连续气体所属的不同计算体系，采用离散气泡与连续气体的转化算法来实现两种计算体系之间的耦合。该发明专利针对不同尺度空泡分别求解，尚且适用于静态边界的空化流场，但是动边界空化绕流其流场结构更为复杂，尤其还存在各种旋涡区以及流动分离等现象，边界运动产生的动态效应对空化流场产生显著的影响。该发明专利尚未考虑边界运动所带来的动态效应问题，未将流场模拟真正地与流场漩涡结构相联系，因此对于动边界空化绕流问题预测常常存在较大的误差。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决水力机械空化现象中存在的实验研究成本较大，且精细化流场信息获取较少的问题，提供一种适用于动边界空化绕流的空化模型修正方法，该方法能够提高动边界空化绕流数值预测精度。

本发明目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的适用于动边界空化绕流的空化模型修正方法，包括以下步骤：

步骤一：通过漩涡结构判定准则来定义滤波尺度，基于所述滤波尺度将流场划分为漩涡区域与非漩涡区域，当所述漩涡结构判定准则大于等于设定阈值a时为漩涡区域，当所述漩涡结构判定准则小于设定阈值a时为非漩涡区域；所述漩涡结构判定准则为omega；

所述omega的表达式为：

其中，u、v分别笛卡尔坐标系中为x、y方向上的流场速度；s为对称的形变速率张量，ω为反对称的旋转角速率张量。

步骤二：将所述漩涡区域的空化模型的蒸发相系数cd乘以蒸发相动态修正系数fd，再将所述漩涡区域的空化模型的凝结相系数cp乘以凝结相动态修正系数fp，所述非漩涡区域的空化模型的蒸发相系数cd、非漩涡区域的空化模型的凝结相系数cp保持原始模型数值。

边界运动导致引起复杂的漩涡结构，基于漩涡结构对汽液两相蒸发凝结过程的动态效应机理，所述蒸发相动态修正系数fd、凝结相动态修正系数fp的表达式为，

所述空化模型包括基于r-p(rayleigh-plesset)方程的质量传输模型，例如kubota空化模型、singhal空化模型、merkle空化模型等。

所述漩涡结构判定准则包括：omega、q、lamda2等；

所述设定阈值a是根据实际使用情况设定的；以omega为例，范围0-1，设定阈值a趋近于0时，全流场全部看作为漩涡区，设定阈值a趋近于1时，全流场全部看作为非漩涡区；根据实际使用情况，设定合适的阈值。

本发明公开的适用于动边界空化绕流的空化模型修正方法，还包括如下步骤：应用上述步骤数值模拟的空化流场信息可指导水动力学领域的流动分析与结构设计，解决水动力学领域相关工程技术问题。另外，所得到的空化流场信息还能为动态变化下的健康监测、结构故障诊断、结构振动控制等方面的应用提供有力的支持，具有广泛的应用前景与效益。

有益效果：

1、本发明公开的适用于动边界空化绕流的空化模型修正方法，采用漩涡结构作为滤波尺度，将数值预测模拟与空化漩涡流场信息相联系，进而数值计算结果更符合实际流场。

2、本发明公开的适用于动边界空化绕流的空化模型修正方法，考虑了动态边界产生的动态效应对空化模型中汽液两相质量传输的影响，大大提高了动边界空化绕流预测精度。

3、本发明公开的适用于动边界空化绕流的空化模型修正方法，可适用于各种动边界空化绕流问题的数值预测。

4、本发明公开的适用于动边界空化绕流的空化模型修正方法，能够应用所得到的空化流场信息参数指导水动力学领域的流动分析与结构设计，解决水动力学领域相关工程技术问题。

附图说明

图1是本发明公开的适用于动边界空化绕流的空化模型修正方法的流程图；

图2是本发明公开的适用于动边界空化绕流的空化模型修正方法的蒸发相动态修正系数fd曲线图；

图3是本发明公开的适用于动边界空化绕流的空化模型修正方法的凝结相动态修正系数fp曲线图；

图4是本发明实例绕动态水翼的计算域示意图；

图5是本发明实例中模型修正前后绕水翼空化区域与实验结果对比图；

图6是本发明实例中模型修正前后绕水翼力矩特性曲线与实验结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2、图3所示，本实施公开的适用于动边界空化绕流的空化模型修正方法，包括以下步骤：

步骤一：通过漩涡结构判定准则来定义滤波尺度，基于所述滤波尺度将流场划分为漩涡区域与非漩涡区域，当所述漩涡结构判定准则大于等于设定阈值a时为漩涡区域，当所述漩涡结构判定准则小于设定阈值a时为非漩涡区域；所述漩涡结构判定准则为omega；

所述omega的表达式为：

其中，u、v分别笛卡尔坐标系中为x、y方向上的流场速度；s为对称的形变速率张量，ω为反对称的旋转角速率张量。

步骤二：将所述漩涡区域的空化模型的蒸发相系数cd乘以蒸发相动态修正系数fd，再将所述漩涡区域的空化模型的凝结相系数cp乘以凝结相动态修正系数fp，所述非漩涡区域的空化模型的蒸发相系数cd、非漩涡区域的空化模型的凝结相系数cp保持原始模型数值。

边界运动导致引起复杂的漩涡结构，基于漩涡结构对汽液两相蒸发凝结过程的动态效应机理，所述蒸发相动态修正系数fd、凝结相动态修正系数fp的表达式为：

所述空化模型包括基于r-p(rayleigh-plesset)方程的质量传输模型，例如kubota空化模型、singhal空化模型、merkle空化模型等。

所述漩涡结构判定准则包括：omega、q、lamda2等；

所述设定阈值a是根据实际使用情况设定的；以omega为例，范围0-1，设定阈值a趋近于0时，全流场全部看作为漩涡区，设定阈值a趋近于1时，全流场全部看作为非漩涡区；根据实际使用情况，设定合适的阈值。

实施实例1：

图4为绕动态水翼的数值计算域，其中包括动域和静域两部分，通过控制动域的旋转来实现水翼的旋转运动，设定水翼为匀速旋转，旋转角速度为0.35rad/s；入口设置为速度入口，流速为5.5m/s；出口为压力出口，压力为21325pa。漩涡结构判定准则采用omega，设定阈值a为0.52。

然后根据omega表达式计算初始流场全局的omega，当omega大于等于0.52时为漩涡区域，当omega小于0.52时为非漩涡区域。

空化模型选用为kubota空化模型，其单位体积内的相间传输速率为：

式中，αnuc为汽核体积分数，rb为汽泡半径，pv为汽化压强。计算中，相关的经验系数设定为：αnuc＝5×10^-4,rb＝1×10^-6m,蒸发相系数cd＝50,凝结相系数cp＝0.01。

然后将空化模型的蒸发相系数cd、凝结相系数cp分别进行分区修正，非漩涡区域保持原始空化模型数据，漩涡区域的蒸发相系数cd＝50fd＝7345*10^-4.167omega、凝结相系数cp＝0.01fp＝0.000068*10^4.167omega。

再将不同区域的蒸发相系数cd、凝结相系数cp带入空化模型质量传输方程中进行空化流场的求解，最终获得数值流场信息，其包括速度分布信息、压力分布信息、空化区域分布信息等。

如图5为原始模型、修正模型与实验的空化区域结果对比图，可以发现修正模型预测的空化区域与实验结果对应相对较好。如图6所示为原始模型、修正模型与实验的力矩系数演变对比图，可以发现在大攻角变化范围，漩涡结构较为复杂，修正模型预测的力矩系数与实验结果误差较小。

根据上述步骤预测的空化流场以及动力特性信息，可进一步观察分析翼型所受的动力特性是否满足技术要求，能够指导工程结构的优化设计。另外，还能为动态变化下的健康监测、结构故障诊断、结构振动控制等方面的应用提供有力的支持，具有广泛的应用前景与效益。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。