[发明专利]一种关于水翼云状空化的数值预报方法

说明书

本发明涉及一种关于水翼云状空化的数值预报方法，属于流体机械工程领域。本发明包括如下步骤：步骤一：流场计算域建立；步骤二：对步骤一建立的流场计算域进行网格划分，并进行网格无关性分析；步骤三：数值模型建立；步骤四：计算精度设置；步骤五：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，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。本发能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。

技术领域

本发明涉及水翼空化特性预报方法，尤其涉及基于ANSYS FLUENT平台二次开发的一种考虑三种组分的水翼云状空化精确数值预报方法，属于流体机械工程领域。

背景技术

空化是气核生长、失稳及溃灭的水动力过程。空化现象已经引起了许多工程领域研究开发人员的关注，空化在螺旋桨、鱼雷、水翼、泵以及透平的设计和运行过程中越来越受到重视。空泡的产生和溃灭过程通常会伴随着一些负面的效果，如振动噪声、性能下降、材料表面的破坏，以及影响流动的非定常特性或者动态响应特性。对于水力机械而言，即使在正常的工作条件下，空化现象也是难以避免的。水力机械如果长期运行在空化条件下，会造成其过流部件表面材料破坏，严重时会造成水力机械过流部件的损坏，甚至造成巨大的安全事故。

空化问题的研究手段主要有实验方法和数值模拟技术，但采用实验的方法研究空化的某些非定常特征有时会比较困难(如两相间界面的运动)，在这种趋势下，数值计算无疑是一种理想的研究方法。数值求解粘性流体力学控制方程，不但可以考虑到流动过程的粘性影响，更重要的是不必包含势流方法中的非物理空泡封闭假设。这一方法的发展过程中，湍流模型和空化模型的研究一直是其重点。当前在工程问题中广泛使用的双方程湍流模型(如k-ε和k-ω模型)在空化流数值计算中无法准确地预测大尺度空泡脱落并向下游移动的现象，从而造成模拟结果与实验结果偏差较大；另一方面，当前在诸多商业软件中广泛使用的基于输运方程和单一球形空泡动力学方程的空化模型对空化流动的数值计算也存在一定的局限性。

由于常见空化模型中的空泡动力学模型的过度限制，使得数值计算结果中的空穴发展不充分。由此可见，空化模型和湍流模型的发展与改善是利用空泡流动数值模拟技术改善水力机械性能的一个极具挑战的突破点和关键点，对缩短新产品开发与实验周期及不必要的资源浪费具有重要意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提出一种高效的云状空化数值预测方法，该方法能够实现对云状空化非定常流动特性进行准确预估，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。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：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；