云空化演变过程模拟方法及装置

1.本发明属于工程计算流体力学计算模拟技术领域，具体涉及云空化演变过程模拟方法及装置。


背景技术：

2.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。


技术实现要素：

3.本发明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。
4.为了实现以上目的，本发明采用了以下方案：
5.《方法》
6.如图1所示，本发明提供云空化演变过程模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.步骤1，将用气相体积分数表示的空化区域作为计算初场；
8.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；
9.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，ρg为不可凝结气体的密度，pg、pv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；rg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，本发明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≤pv时：
[0020][0021]
当p≥pv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；pv为液体的饱和蒸气压；p为远场压强；αv是网格节点处的气相体积分数；rb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；ρv、ρ
l
分别为气相和液相的密度。
[0024]
优选地，本发明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，本发明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，本发明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，pv为饱和蒸汽压。
[0029]
《装置》
[0030]
进一步，本发明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，ρg为不可凝结气体的密度，pg、pv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；rg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，本发明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，本发明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。
[0044]
优选地，本发明提供的云空化演变过程模拟装置，还可以具有这样的特征：在传质及位置设置部中，计算公式如下：
[0045][0046]
当p≤pv时：
[0047][0048]
当p≥pv时：
[0049][0050]
式中，m
+
、m-分别为蒸汽气泡生长和溃灭的质量传递速率；pv为液体的饱和蒸气压；p为远场压强；αv是网格节点处的气相体积分数；rb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；ρv、ρ
l
分别为气相和液相的密度。
[0051]
优选地，本发明提供的云空化演变过程模拟装置，还可以具有这样的特征：在汽泡参数计算部中，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。
[0052]
优选地，本发明提供的云空化演变过程模拟装置，还可以具有这样的特征：在气泡生成设置部中，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：
[0053][0054]
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，pv为饱和蒸汽压。
[0055]
发明的作用与效果
[0056]
本发明所提供的云空化演变过程模拟方法及装置，充分考虑了空化流动中片空化向云空化的转变过程以及云空化的发展溃灭过程，确定气泡释放位置和气泡初始粒径及质量，并实现气泡自身粒径随环境压力改变和气泡溃灭对周围壁面的破坏作用，计算结果与网格尺寸无关，不受网格尺寸影响，且能够模拟所有尺度下气泡转化为云空化的过程，弥补了现有空化模型无法模拟计算云空化的不足，可以获得更符合物理实际的空化流场，能够精确模拟空化流动中云空化生成、发展及溃灭过程，以及云空化的微观机理和发展过程，并且可以用来定量预测云空化溃灭对周围物体的破坏效应，为预测流体机械中的空蚀破坏、研究空化空蚀的微观机理和在在实际中的应用提供了新思路和科学依据。
附图说明
[0057]
图1为本发明涉及的云空化演变过程模拟方法的流程图；
[0058]
图2为本发明实施例涉及的射流泵式空化发生器算例的计算域及相关边界条件示意图；
[0059]
图3为本发明实施例涉及的射流泵式空化发生器云空化气泡直径分布示意图；
[0060]
图4为本发明实施例涉及的射流泵式空化发生器云空化实验与数值模拟效果对比图。
具体实施方式
[0061]
以下结合附图对本发明涉及的云空化演变过程模拟方法及装置的具体实施方案
进行详细地说明。
[0062]
《实施例》
[0063]
如图2所示，在本实施例中算例为：射流泵喷嘴直径d0为8mm，喉管直径d
th
为16mm，喉管长度l
th
为96mm，扩散管角度β为12
°
，工作流体流量1.74l/s，被吸流体流量1.45l/s，出口压力129.33kpa。对于该算例，采用的本发明的云空化演变过程模拟方法来模拟云空化演变过程，具体为：
[0064]
步骤一：用气相体积分数表示的空化区域作为计算初场。
[0065]
基于欧拉观点的空化模型相间传质方程如下：
[0066][0067]
式中，下标v代表气相；m
+
、m-分别为蒸汽气泡生长和溃灭的质量传递速率；αv是气相体积分数；ρv为气相的密度；vv代表气相速度。
[0068]
采用zgb空化模型进行相关计算，该模型中m
+
、m-通过下列公式计算：
[0069]
当p≤pv时：
[0070][0071]
当p≥pv时：
[0072][0073]
式中，pv是液体的饱和蒸气压；p是网格当地的远场压强；rb是气泡的初始粒径，取10-6
m；f
vap
为蒸发系数，取50，f
cond
为冷凝系数，取0.01；α
nuc
为成核点体积分数，取5
×
10-4
；ρv、ρ
l
分别为气相和液相的密度。
[0074]
步骤二：通过udf计算空化过程中的相间传质速率并导出区域的网格节点坐标。
[0075]
zgb空化模型中，采用相间传质速率来表示气相与液相之间的转换，表达式如下：
[0076][0077]
式中，m
+
、m-分别为蒸汽气泡生长和溃灭的质量传递速率，计算公式如公式(2)(3)所示。
[0078]
的位置代表空化区域中蒸汽相净减少的区域，即片空化溃灭成云空化的区域，后续将在这些区域中释放气体颗粒表示云空化。
[0079]
步骤三：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。
[0080]
采用不可凝结气体构成的气泡代表云空化颗粒，计算出片空化溃灭时释放出的不可凝结气体含量。
[0081]
在zgb空化模型中采用成核点体积分数α
nuc
来表示空化核的存在，根据相间传质速
率的定义以及所在网格体积，计算出时间t中单个网格内的释放出的不可凝结气体质量，如下所示：
[0082][0083][0084][0085]
式中，v代表所在网格的体积，ρg代表不可凝结气体的密度，pg、pv分别是泡内不可凝结气体和蒸汽的分压强；p
l
是泡外液体压强，本发明中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；rg为气体常数，只与气体种类有关，本算例中不可凝结气体选择氮气，气体常数为296.8j/(kg
·
k)；t为温度，单位k。
[0086]
联立方程(6)和(7)即可计算出气泡初始直径。
[0087]
步骤四：通过udf生成cfd-dpm耦合模型的颗粒注入文件并设置相关参数。
[0088]
采用cfd与dpm(离散相模型)之间采用单向耦合进行计算，不考虑颗粒(将气泡视为颗粒)与颗粒之间的碰撞。颗粒注入采用file注入方式，通过后缀为.inj的文件定义颗粒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，注入坐标和颗粒参数计算方法参见步骤二和步骤三。
[0089]
步骤五：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(rayleigh-plesset方程)，控制气泡直径变化。
[0090]
以上步骤均为计算前的设置工作，步骤五将开始进行耦合计算。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。
[0091][0092]
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是液相的动力粘度；在本模型中，pv等于饱和蒸汽压。
[0093]
求解以上方程组的算法形式如下：
[0094]
[0095]
式中，hr为步长，i代表微分方程组中方程的个数，本发明中i取1,2。hr设置为10-8
s，求解结果精度最好。
[0096]
步骤六：重复步骤二到步骤五直到达到计算时长要求。
[0097]
本发明中所有计算步骤均可在软件fluent中完成，由于计算过程中每一步都有颗粒(气泡)注入，可通过fluent文本命令控制计算的流程与参数设置。
[0098]
本实施例中，dpm模型与cfd计算之间采用单向耦合，颗粒受到的拖曳力、加速度力以及流体不均匀力均被考虑，计算并导出片空化溃灭位置的网格节点坐标及不可凝结气体质量，在所得坐标处释放气体颗粒并根据环境压力改变颗粒大小。从图3可以看出，本发明中提出的方法能够很好地模拟片空化向云空化的转变及云空化气泡直径随流体压强的变化过程，气泡在初生时直径较大，随着气泡向下游逐渐运动，在扩散管内气泡直径随着压强的增大不断变小。图4是数值模拟效果与实验实测情况对比图，从图中可以看到，本发明提出的数值方法能够有效捕捉云空化的形态，完善了现有空化模型的不足。
[0099]
综上，本发明提出的云空化演变过程模拟方法，能够较好的模拟空化流动中云空化生成、发展及溃灭过程，充分考虑不可凝结气体对空化形态的影响，弥补了传统空化模型不能模拟云空化的缺点，使得计算得到的空化流场更符合物理实际。本发明为研究云空化微观机理以及预测云空化对周围物体的破坏作用提供了新思路。
[0100]
进一步，本实施例中，还提供能够自动实现以上本发明方法的云空化演变过程模拟装置，该装置包括初场设置部、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、动态演示部、输入显示部、控制部。
[0101]
初场设置部执行上文步骤一所描述的内容，将用气相体积分数表示的空化区域作为计算初场。
[0102]
传质及位置设置部执行上文步骤二所描述的内容，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。
[0103]
汽泡参数计算部执行上文步骤三所描述的内容，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。
[0104]
气泡生成设置部执行上文步骤四所描述的内容，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。
[0105]
耦合计算部执行上文步骤五所描述的内容，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。
[0106]
迭代部执行上文步骤六所描述的内容，重复(循环执行)步骤二至步骤五直到达到计算时长要求。
[0107]
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。
[0108]
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，例如，对各个部的输入、输出数据和处理过程以文字、表或者图的方式进行显示。
[0109]
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、动态演示部、输入显示部均通信相连，控制它们的运行。
[0110]
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的云空化演变过程模拟方法及装置并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。