[发明专利]多级降压调节阀内部流动特性数值模拟方法

权利要求书

1.一种多级降压调节阀内部流动特性数值模拟方法，其特征在于，包括：

步骤1，基于IDDES湍流模型、Mixture两相流模型及Schnerr-Sauer空化模型的数值计算方法，建立多级降压调节阀内部流场的耦合计算模型，包括：

各级套筒及阀座由左侧入口到右侧出口级数依次定义为i＝1,2,3,4；使用CAD软件提取出降压调节阀的三维流体域模型，三维流体域计算模型；左侧截面为阀门入口，边界条件设置为pressure inlet；右侧截面为阀门出口，边界条件设置为pressure outlet；中间区域为阀体壁面，边界条件设置为wall，内部流体计算域边界条件设置为fluid多级降压调节阀的进出口压力及压差；

其中：

所述IDDES湍流模型的数值计算方法为DDES与壁面模型LES方法WMLES的耦合算法，当来流条件湍流较强并且网格尺度能够分辨边界层主导的旋涡结构时，模型将切换到RANS和LES混合模式，具体实现方法如下：

I_WMLES＝f_B(1+f_e)I_RANS+(1-f_B)I_LES     (1)

式中:I_WMLES为壁面模型长度尺度，I_RANS和I_LES分别为RANS和LES的长度尺度，f_B和f_e分别为经验混合函数和提升函数；

经验混合函数f_B通过下式得到：

f_B＝min[2exp(-9α²),1]    (2)

其中，经验系数α＝0.25-d_w/h_max，d_w为当地网格到壁面的距离，h_max为当地网格在三个空间方向上的最大尺寸；

经验函数f_e用于避免RANS与LES交界区域Reynolds应力的过分衰减；当RANS和LES交界面非常接近壁面时，Reynolds应力忽略；

f_e＝f_e2·max[(f_e1-1),0]Ψ        (3)

f_e2＝1-max[f_t,f_l]    (5)

式中，f_e1和f_e2均为控制函数，参数f_t和f_l控制模型中RANS模型部分的强度，其大小也由经验参数控制；当在附面层内时，通过选择合适的参数保证f_t或f_l中的一个值接近于1，从而f_e2和f_e接近于0，使得RANS和LES可以在附面层附近相互平滑切换；

对DDES模型的长度尺度进行修改，如下式所示：

式中：为DDES模型的长度尺度，为混合函数；来流包含湍流成分时，与I_WMLES接近，数值模拟分辨边界层主导的湍流流动；

所述Mixture两相流模型通过求解混合物的动量、连续性和能量方程、第二相的体积分数方程和相对速度的代数表达式来模拟流体或颗粒相；

Mixture两相流模型中的连续方程为：

式中，为质量平均速度，ρ_m为混合密度；

Mixture两相流模型的动量方程通过对所有相各自的动量方程求和得到，表达为：

式中，n为相序号，为体积力，μ_m为混合物粘性，为重力加速度，p为压力，α_k为第k相的体积分数，ρ_k为第k相的密度，为第相k的漂移速度；

所述Schnerr-Sauer空化模型采用类似Singhal模型中的方法推导从液体到蒸汽净质量输运的精确表达式；

蒸汽体积分数的方程式为：

式中，α为蒸汽相的体积分数，ρ_v为蒸汽密度，为蒸汽的速度，净质量源项R的计算如下所示：

式中：ρ为混合物密度，ρ_l为液相密度，以下表达式将蒸汽体积分数与每单位体积液体的气泡数关联：

类比于Singhal方法，推导如下方程：

式中，R为质量输运率，R_B为气泡半径，P_v为饱和蒸汽压，P为气泡的压力，n为气泡数密度；

步骤2，基于所述耦合计算模型，针对多级套筒式降压阀在不同开度、不同压差工况下套筒内工质的多组流动参数进行数值仿真模拟计算，获得调节阀内部的流动特性，以及不同压差和不同阀门开度下各降压级压降特性；所述不同开度包括20％，50％，75％，100％。