雲空化演變過程模擬方法及裝置
2024-04-15 13:40:05
1.本發明屬於工程計算流體力學計算模擬技術領域，具體涉及雲空化演變過程模擬方法及裝置。
背景技術：
2.空化是一種重要且複雜的水動力學現象，在水力機械、船舶推進器、水利工程中廣泛存在，一直是水動力學領域研究的重點與難點。在複雜的空化流動中，根據空化形態可將其分為片空化和雲空化，片空化一般是無害的，而雲空化則會造成劇烈的噪音和振動，長時間的作用還會導致水力機械錶面發生空蝕，降低設備壽命。與此同時，雲空化潰滅時局部的高溫高壓及微射流作用是可以利用的，例如通過空化對水生藻類、細菌等進行滅殺，以及超聲清洗等。不論是降低空化的破壞還是研究空化的應用，都需要對雲空化的生成、發展、潰滅過程進行深入分析。然而，傳統的空化模型高度依賴網格尺寸，不同網格尺寸得到的結果不同；並且，轉化機制存在缺陷，無法研究或者只能研究一部分大尺度氣泡轉化為雲空化的過程；從而無法對雲空化的生成、發展、潰滅過程進行有效模擬。
技術實現要素：
3.本發明是為了解決上述問題而進行的，目的在於提供雲空化演變過程模擬方法及裝置，能夠有效模擬空化流動中片空化向雲空化轉變及雲空化生長、潰滅過程。
4.為了實現以上目的，本發明採用了以下方案：
5.《方法》
6.如圖1所示，本發明提供雲空化演變過程模擬方法，其特徵在於，包括以下步驟：
7.步驟1，將用氣相體積分數表示的空化區域作為計算初場；
8.步驟2，通過用戶自定義函數udf計算空化過程中的相間傳質速率採用區域表示片空化潰滅成雲空化的區域，並導出區域的網格節點位置坐標；
9.步驟3，通過udf計算片空化轉換成雲空化時氣泡內的不可凝結氣體質量和氣泡直徑；汽泡質量和直徑的計算公式如下：
[0010][0011][0012][0013]
式中，v為所在網格的體積，ρg為不可凝結氣體的密度，pg、pv分別為泡內不可凝結氣體和蒸汽的分壓強；p
l
為氣泡顆粒所在網格處壓強；τ為液體表面張力係數；r0為氣泡初始直徑；rg為氣體常數；t為溫度；
[0014]
步驟4，通過udf生成cfd-dpm耦合模型的氣泡注入文件並設置相關參數；
[0015]
步驟5，時間步長加1，計算cfd-dpm耦合下的雲空化流動，同時通過udf求解r-p方程，控制氣泡直徑變化；
[0016]
步驟6，重複步驟2～步驟5直到達到計算時長要求。
[0017]
優選地，本發明提供的雲空化演變過程模擬方法，還可以具有這樣的特徵，在步驟2中，計算公式如下：
[0018][0019]
當p≤pv時：
[0020][0021]
當p≥pv時：
[0022][0023]
式中，m
+
、m-分別為蒸汽氣泡生長和潰滅的質量傳遞速率；pv為液體的飽和蒸氣壓；p為遠場壓強；αv是網格節點處的氣相體積分數；rb是氣泡的初始粒徑；f
vap
為蒸發係數；f
cond
為冷凝係數；α
nuc
為成核點體積分數；ρv、ρ
l
分別為氣相和液相的密度。
[0024]
優選地，本發明提供的雲空化演變過程模擬方法，還可以具有這樣的特徵：在步驟4中，將顆粒視為氣泡，cfd與dpm之間採用單向耦合進行計算，不考慮氣泡與氣泡之間的碰撞；氣泡注入採用file注入方式，通過後綴為.inj的文件定義氣泡的注入位置坐標以及各項參數；採用fluent中的define_on_demand宏計算並生成注入文件，採用步驟2和3所描述的方法確定位置坐標和計算氣泡參數。
[0025]
優選地，本發明提供的雲空化演變過程模擬方法，還可以具有這樣的特徵：在步驟5中，進行耦合計算，在計算過程中，通過udf宏define_dpm_law求解r-p方程控制氣泡直徑變化。
[0026]
優選地，本發明提供的雲空化演變過程模擬方法，還可以具有這樣的特徵：在步驟5中，通過求解以下方程得到氣泡在生長和潰滅過程中的泡壁速度：
[0027][0028]
式中，r為汽泡半徑，ρ
l
是液相密度，p
￥
(t)為t時刻的環境壓力，μ為液相的動力粘度，在本模型中，pv為飽和蒸汽壓。
[0029]
《裝置》
[0030]
進一步，本發明還提供了雲空化演變過程模擬裝置，能夠自動實現上述《方法》，其特徵在於，包括：
[0031]
初場設置部，將用氣相體積分數表示的空化區域作為計算初場；
[0032]
傳質及位置設置部，通過用戶自定義函數udf計算空化過程中的相間傳質速率採用區域表示片空化潰滅成雲空化的區域，並導出區域的網格節點位置坐標；
[0033]
汽泡參數計算部，通過udf計算片空化轉換成雲空化時氣泡內的不可凝結氣體質量和氣泡直徑；汽泡質量和直徑的計算公式如下：
[0034][0035][0036][0037]
式中，v為所在網格的體積，ρg為不可凝結氣體的密度，pg、pv分別為泡內不可凝結氣體和蒸汽的分壓強；p
l
為氣泡顆粒所在網格處壓強；τ為液體表面張力係數；r0為氣泡初始直徑；rg為氣體常數；t為溫度；
[0038]
氣泡生成設置部，通過udf生成cfd-dpm耦合模型的氣泡注入文件並設置相關參數；
[0039]
耦合計算部，時間步長加1，計算cfd-dpm耦合下的雲空化流動，同時通過udf求解r-p方程，控制氣泡直徑變化；
[0040]
迭代部，使傳質及位置設置部、汽泡參數計算部、氣泡生成設置部、耦合計算部繼續循環處理(計算後續時間步長的參數)，直到達到計算時長要求；
[0041]
控制部，與初場設置部、傳質及位置設置部、汽泡參數計算部、氣泡生成設置部、耦合計算部、迭代部均通信相連，控制它們的運行。
[0042]
優選地，本發明提供的雲空化演變過程模擬裝置，還可以包括：動態演示部，與控制部通信相連，根據初場設置部、傳質及位置設置部、汽泡參數計算部、氣泡生成設置部、耦合計算部、迭代部得到的雲空化演變過程數據生成雲空化演變過程二維或者三維動態視圖。
[0043]
優選地，本發明提供的雲空化演變過程模擬裝置，還可以包括：輸入顯示部，與控制部通信相連，用於讓用戶輸入操作指令，並進行相應顯示。
[0044]
優選地，本發明提供的雲空化演變過程模擬裝置，還可以具有這樣的特徵：在傳質及位置設置部中，計算公式如下：
[0045][0046]
當p≤pv時：
[0047][0048]
當p≥pv時：
[0049][0050]
式中，m
+
、m-分別為蒸汽氣泡生長和潰滅的質量傳遞速率；pv為液體的飽和蒸氣壓；p為遠場壓強；αv是網格節點處的氣相體積分數；rb是氣泡的初始粒徑；f
vap
為蒸發係數；f
cond
為冷凝係數；α
nuc
為成核點體積分數；ρv、ρ
l
分別為氣相和液相的密度。
[0051]
優選地，本發明提供的雲空化演變過程模擬裝置，還可以具有這樣的特徵：在汽泡參數計算部中，cfd與dpm之間採用單向耦合進行計算，不考慮氣泡與氣泡之間的碰撞；氣泡注入採用file注入方式，通過後綴為.inj的文件定義氣泡的注入位置坐標以及各項參數；採用fluent中的define_on_demand宏計算並生成注入文件，採用步驟2和3所描述的方法確定位置坐標和計算氣泡參數。
[0052]
優選地，本發明提供的雲空化演變過程模擬裝置，還可以具有這樣的特徵：在氣泡生成設置部中，通過求解以下方程得到氣泡在生長和潰滅過程中的泡壁速度：
[0053][0054]
式中，r為汽泡半徑，ρ
l
是液相密度，p
￥
(t)為t時刻的環境壓力，μ為液相的動力粘度，在本模型中，pv為飽和蒸汽壓。
[0055]
發明的作用與效果
[0056]
本發明所提供的雲空化演變過程模擬方法及裝置，充分考慮了空化流動中片空化向雲空化的轉變過程以及雲空化的發展潰滅過程，確定氣泡釋放位置和氣泡初始粒徑及質量，並實現氣泡自身粒徑隨環境壓力改變和氣泡潰滅對周圍壁面的破壞作用，計算結果與網格尺寸無關，不受網格尺寸影響，且能夠模擬所有尺度下氣泡轉化為雲空化的過程，彌補了現有空化模型無法模擬計算雲空化的不足，可以獲得更符合物理實際的空化流場，能夠精確模擬空化流動中雲空化生成、發展及潰滅過程，以及雲空化的微觀機理和發展過程，並且可以用來定量預測雲空化潰滅對周圍物體的破壞效應，為預測流體機械中的空蝕破壞、研究空化空蝕的微觀機理和在在實際中的應用提供了新思路和科學依據。
附圖說明
[0057]
圖1為本發明涉及的雲空化演變過程模擬方法的流程圖；
[0058]
圖2為本發明實施例涉及的射流泵式空化發生器算例的計算域及相關邊界條件示意圖；
[0059]
圖3為本發明實施例涉及的射流泵式空化發生器雲空化氣泡直徑分布示意圖；
[0060]
圖4為本發明實施例涉及的射流泵式空化發生器雲空化實驗與數值模擬效果對比圖。
具體實施方式
[0061]
以下結合附圖對本發明涉及的雲空化演變過程模擬方法及裝置的具體實施方案
進行詳細地說明。
[0062]
《實施例》
[0063]
如圖2所示，在本實施例中算例為：射流泵噴嘴直徑d0為8mm，喉管直徑d
th
為16mm，喉管長度l
th
為96mm，擴散管角度β為12
°
，工作流體流量1.74l/s，被吸流體流量1.45l/s，出口壓力129.33kpa。對於該算例，採用的本發明的雲空化演變過程模擬方法來模擬雲空化演變過程，具體為：
[0064]
步驟一：用氣相體積分數表示的空化區域作為計算初場。
[0065]
基於歐拉觀點的空化模型相間傳質方程如下：
[0066][0067]
式中，下標v代表氣相；m
+
、m-分別為蒸汽氣泡生長和潰滅的質量傳遞速率；αv是氣相體積分數；ρv為氣相的密度；vv代表氣相速度。
[0068]
採用zgb空化模型進行相關計算，該模型中m
+
、m-通過下列公式計算：
[0069]
當p≤pv時：
[0070][0071]
當p≥pv時：
[0072][0073]
式中，pv是液體的飽和蒸氣壓；p是網格當地的遠場壓強；rb是氣泡的初始粒徑，取10-6
m；f
vap
為蒸發係數，取50，f
cond
為冷凝係數，取0.01；α
nuc
為成核點體積分數，取5
×
10-4
；ρv、ρ
l
分別為氣相和液相的密度。
[0074]
步驟二：通過udf計算空化過程中的相間傳質速率並導出區域的網格節點坐標。
[0075]
zgb空化模型中，採用相間傳質速率來表示氣相與液相之間的轉換，表達式如下：
[0076][0077]
式中，m
+
、m-分別為蒸汽氣泡生長和潰滅的質量傳遞速率，計算公式如公式(2)(3)所示。
[0078]
的位置代表空化區域中蒸汽相淨減少的區域，即片空化潰滅成雲空化的區域，後續將在這些區域中釋放氣體顆粒表示雲空化。
[0079]
步驟三：通過udf計算片空化轉換成雲空化時氣泡內的不可凝結氣體質量和氣泡直徑。
[0080]
採用不可凝結氣體構成的氣泡代表雲空化顆粒，計算出片空化潰滅時釋放出的不可凝結氣體含量。
[0081]
在zgb空化模型中採用成核點體積分數α
nuc
來表示空化核的存在，根據相間傳質速
率的定義以及所在網格體積，計算出時間t中單個網格內的釋放出的不可凝結氣體質量，如下所示：
[0082][0083][0084][0085]
式中，v代表所在網格的體積，ρg代表不可凝結氣體的密度，pg、pv分別是泡內不可凝結氣體和蒸汽的分壓強；p
l
是泡外液體壓強，本發明中為氣泡顆粒所在網格處壓強；τ為液體表面張力係數；r0為氣泡初始直徑；rg為氣體常數，只與氣體種類有關，本算例中不可凝結氣體選擇氮氣，氣體常數為296.8j/(kg
·
k)；t為溫度，單位k。
[0086]
聯立方程(6)和(7)即可計算出氣泡初始直徑。
[0087]
步驟四：通過udf生成cfd-dpm耦合模型的顆粒注入文件並設置相關參數。
[0088]
採用cfd與dpm(離散相模型)之間採用單向耦合進行計算，不考慮顆粒(將氣泡視為顆粒)與顆粒之間的碰撞。顆粒注入採用file注入方式，通過後綴為.inj的文件定義顆粒的注入位置坐標以及各項參數。採用fluent中的define_on_demand宏計算並生成注入文件，注入坐標和顆粒參數計算方法參見步驟二和步驟三。
[0089]
步驟五：時間步長加1，計算cfd-dpm耦合下的雲空化流動，同時通過udf求解r-p方程(rayleigh-plesset方程)，控制氣泡直徑變化。
[0090]
以上步驟均為計算前的設置工作，步驟五將開始進行耦合計算。在計算過程中，通過udf宏define_dpm_law求解r-p方程控制氣泡直徑變化。
[0091][0092]
式中，r為汽泡半徑，ρ
l
是液相密度，p
￥
(t)為t時刻的環境壓力，μ是液相的動力粘度；在本模型中，pv等於飽和蒸汽壓。
[0093]
求解以上方程組的算法形式如下：
[0094]
[0095]
式中，hr為步長，i代表微分方程組中方程的個數，本發明中i取1,2。hr設置為10-8
s，求解結果精度最好。
[0096]
步驟六：重複步驟二到步驟五直到達到計算時長要求。
[0097]
本發明中所有計算步驟均可在軟體fluent中完成，由於計算過程中每一步都有顆粒(氣泡)注入，可通過fluent文本命令控制計算的流程與參數設置。
[0098]
本實施例中，dpm模型與cfd計算之間採用單向耦合，顆粒受到的拖曳力、加速度力以及流體不均勻力均被考慮，計算並導出片空化潰滅位置的網格節點坐標及不可凝結氣體質量，在所得坐標處釋放氣體顆粒並根據環境壓力改變顆粒大小。從圖3可以看出，本發明中提出的方法能夠很好地模擬片空化向雲空化的轉變及雲空化氣泡直徑隨流體壓強的變化過程，氣泡在初生時直徑較大，隨著氣泡向下遊逐漸運動，在擴散管內氣泡直徑隨著壓強的增大不斷變小。圖4是數值模擬效果與實驗實測情況對比圖，從圖中可以看到，本發明提出的數值方法能夠有效捕捉雲空化的形態，完善了現有空化模型的不足。
[0099]
綜上，本發明提出的雲空化演變過程模擬方法，能夠較好的模擬空化流動中雲空化生成、發展及潰滅過程，充分考慮不可凝結氣體對空化形態的影響，彌補了傳統空化模型不能模擬雲空化的缺點，使得計算得到的空化流場更符合物理實際。本發明為研究雲空化微觀機理以及預測雲空化對周圍物體的破壞作用提供了新思路。
[0100]
進一步，本實施例中，還提供能夠自動實現以上本發明方法的雲空化演變過程模擬裝置，該裝置包括初場設置部、傳質及位置設置部、汽泡參數計算部、氣泡生成設置部、耦合計算部、迭代部、動態演示部、輸入顯示部、控制部。
[0101]
初場設置部執行上文步驟一所描述的內容，將用氣相體積分數表示的空化區域作為計算初場。
[0102]
傳質及位置設置部執行上文步驟二所描述的內容，通過用戶自定義函數udf計算空化過程中的相間傳質速率採用區域表示片空化潰滅成雲空化的區域，並導出區域的網格節點位置坐標。
[0103]
汽泡參數計算部執行上文步驟三所描述的內容，通過udf計算片空化轉換成雲空化時氣泡內的不可凝結氣體質量和氣泡直徑。
[0104]
氣泡生成設置部執行上文步驟四所描述的內容，通過udf生成cfd-dpm耦合模型的氣泡注入文件並設置相關參數。
[0105]
耦合計算部執行上文步驟五所描述的內容，時間步長加1，計算cfd-dpm耦合下的雲空化流動，同時通過udf求解r-p方程，控制氣泡直徑變化。
[0106]
迭代部執行上文步驟六所描述的內容，重複(循環執行)步驟二至步驟五直到達到計算時長要求。
[0107]
動態演示部與控制部通信相連，根據初場設置部、傳質及位置設置部、汽泡參數計算部、氣泡生成設置部、耦合計算部、迭代部得到的雲空化演變過程數據生成雲空化演變過程二維或者三維動態視圖。
[0108]
輸入顯示部與控制部通信相連，用於讓用戶輸入操作指令，並進行相應顯示，例如，對各個部的輸入、輸出數據和處理過程以文字、表或者圖的方式進行顯示。
[0109]
控制部與初場設置部、傳質及位置設置部、汽泡參數計算部、氣泡生成設置部、耦
合計算部、迭代部、動態演示部、輸入顯示部均通信相連，控制它們的運行。
[0110]
以上實施例僅僅是對本發明技術方案所做的舉例說明。本發明所涉及的雲空化演變過程模擬方法及裝置並不僅僅限定於在以上實施例中所描述的內容，而是以權利要求所限定的範圍為準。本發明所屬領域技術人員在該實施例的基礎上所做的任何修改或補充或等效替換，都在本發明的權利要求所要求保護的範圍內。