[发明专利]一种关于水翼云状空化的数值预报方法

权利要求书

1.一种关于水翼云状空化的数值预报方法，其特征在于它包括以下步骤：

步骤一，流场计算域建立：

查阅所要研究翼型的结构参数，采用三维造型软件Pro/E进行几何建模，绘制流场计算域，并另存为.stp文件；

步骤二，计算域网格划分：

对步骤一建立的流场计算域进行网格划分，在翼型表面划分足够精细的边界层网格，并进行网格无关性验证；

步骤三，数值模型建立：

将最终网格文件导入到FLUENT软件，进行计算模型、工质、边界条件、计算方法及监测点信息设定；

步骤四，计算精度设置：

设置质量守恒方程收敛残差标准为四阶，动量方程、k方程与ω方程的收敛残差为五阶，以单相流的收敛结果作为定常空化计算的初始值，以定常空化的收敛结果作为非定常空化计算的初始值；

步骤五，基于步骤一至步骤四的设置开展水翼云状空化数值计算过程，计算结束后对结果进行处理，将数值计算结果与实验结果进行对比，从而验证一种关于水翼云状空化的数值预报方法的准确性与可行性；

所述步骤三具体实现包括如下步骤：

1)FLUENT软件读入最终计算网格的.msh文件，检查网格质量，并依据实际尺寸确定是否需要比例缩放；

2)基于Navier-Stokes方程和相间质量传输模型的空化流动计算框架，湍流模型为基于SST k-ω的Delayed DES模型，空化模型为一种基于非线性Rayleigh-Plesset方程的改进模型，该模型考虑了相变时间及粘性效应的影响；相变时间依据湍流时间尺度建立，由速度应变率构建模型经验系数体现，粘性效应通过对空化临界压力进行修正体现，该模型采用C语言编写，再利用宏调用DEFINE_CAVITATION_RATE形式嵌入计算程序，模型基本方程组为：

上式中，L_∞为特征长度，U_∞为特征速度，C_c＝1.0，S_max为偏应力张量τ_ij对应矩阵的最大特征值；

3)设置第一相为water-liquid，第二相为water-vapor，计算域进口采用速度进口条件，出口采用压力出口条件，压力值依据空化数获得，设置参考压力为0Pa，其余壁面为无滑移边界；

4)压力-速度耦合方程采用PISO算法；压力插值采用PRESTO格式；动量方程、湍动能、耗散率及空泡体积分数求解均采用QUICK格式。

2.根据权利要求1所述一种关于水翼云状空化的数值预报方法，其特征在于：还包括步骤六，利用步骤一至步骤四所述的一种关于水翼云状空化的数值预报方法，对云状空化非定常流动特征进行数值研究，以揭示叶片式水力机械云状空化流动规律及机理，从而为叶片式水力机械非定常空化流动提供理论基础，并能解决如何设计高抗空化性能叶片式水力机械实际应用工程问题。

3.根据权利要求1所述一种关于水翼云状空化的数值预报方法，其特征在于：所述步骤五具体实现方法包括如下步骤：

1)通过CFD-POST后处理平台，得到升阻力系数、空泡体积分数、速度及压力流场信息；

2)通过对云状空化条件下翼型所受升阻力系数、空泡形态周期性演变的数值结果与相应实验测量值进行对比，验证这种预测水翼云状空化数值预报方法的准确性与可行性。

4.根据权利要求1或2所述一种关于水翼云状空化的数值预报方法，其特征在于：所述步骤二具体实现包括如下步骤：

1)将步骤一中的.stp文件导入到网格划分软件ICEM中，进行计算域边界进行定义；

2)构建拓扑块，并进行节点设置，在翼型表面四周设置足够多的网格节点，且根据y⁺＝1条件设定第一层网格厚度，重复操作划分四种不同数量的网格，分别命名为粗网格、中等网格、细网格及极细网格，输出.msh文件；

3)对四种网格进行网格无关性验证，以无空化条件下不同网格计算的压力系数为验证标准，前后两种网格计算得到的压力系数分布几乎一致时网格达到计算精度要求，从而得到最终的计算网格。