[发明专利]一种基于熵产理论与Omega法的有机朗肯循环向心透平流动损失诊断方法

权利要求书

1.一种基于熵产理论与Omega法的有机朗肯循环向心透平流动损失诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据有机朗肯循环的运行条件，输入初始参数：透平入口压力、入口温度、出口压力、循环工质；

(2)建立向心透平一维气动设计的数学模型，利用Matlab编写透平设计的计算程序，根据输入的初始参数对透平进行设计，确定透平的主要结构参数；

(3)根据计算的透平结构参数，利用BladeGen软件建立透平叶轮、叶栅及扩压管的三维模型，通过CF-turbo软件建立透平蜗壳部分的三维模型，并提取三维模型的流动区域。

(4)利用Ansys软件中的网格划分模块对向心透平的叶轮、叶栅、扩压管及蜗壳等部分的流动区域进行网格绘制，其中蜗壳与扩压管流道采用四面体网格，叶轮与叶栅流道采用六面体网格。

(5)改变网格的疏密程度，得到4-5套网格数量的仿真模型；根据初始条件与透平设计转速，对不同网格数量下的透平性能进行仿真分析，并将透平输出功率变化幅度作为判定仿真模型合适网格数量的依据。

(6)根据向心透平的实际运行参数，设定透平仿真模型的边界条件，并选用k-ωSST湍流模型，然后利用Ansys软件的CFX模块对透平内部流场进行数值模拟；当监视的残差低于10^-5时结束迭代过程，获得透平内部的流场特性。

(7)根据流动熵产的数学模型编写熵产计算程序并导入CFX中，利用速度场的仿真结果计算得到透平内部的局部熵产分布特性，确定流场中的高损失位置；将透平内部的流动空间划分为不同的流动区域，对不同区域的当地熵产进行积分，获得各个区域总的体积熵产，诊断流动损失较为集中的区域。

(8)根据Omega涡识别方法编写涡量计算程序，结合速度仿真结果计算得到透平内部涡量的空间分布特性，并与当地熵产分布进行对比，确定产生局部高熵产的涡结构；对比高积分熵产区域的内部涡量分布，确定导致透平流动损失的主要涡结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于熵产理论与Omega法的有机朗肯循环向心透平流动损失诊断方法，其特征在于：在步骤(2)中，采用筛选法对向心透平进行一维设计，工质物性参数通过Matlab调用Refprop软件获取；为确定合理的气动参数，设计过程中主要气动参数的取值范围为：速比0.6～0.75，反动度0.4～0.55，轮径比0.70～0.88，叶轮入口气流角15°～25°，叶轮出口气流角25°～45°，叶栅速度系数0.95-0.97；叶轮速度系数0.75-0.85。所述步骤(2)中，向心透平采用入口角度可调型叶栅，叶栅顶部与轮毂之间存在间隙。

3.根据权利要求1所述的一种基于熵产理论与Omega法的有机朗肯循环向心透平流动损失诊断方法，其特征在于：在步骤(4)中，对近壁面区域与叶尖间隙区域进行网格加密，使壁面附近网格的y+值小于100，以提高模拟结果的精度。

4.根据权利要求1所述的一种基于熵产理论与Omega法的有机朗肯循环向心透平流动损失诊断方法，其特征在于：在步骤(5)、(6)中，模型的静止域与静止域之间的交界面采用Stage模式连接，静止域与旋转域交界面采用Frozen Rotor模式连接，其余固体边界处设为无滑移绝热壁面；向心透平数值模拟过程中，采用PR(Peng-Robinson)方程计算有机工质的物性参数；

b＝0.077796RT_c²/P_c (3)

α＝(1+k(1-T_r^0.5))² (4)

k＝0.37464+1.54226ω-0.26992ω² (5)

T_r＝T/T_c (6)

此外，通过零压力理想气体比热容C_P⁰关系式来计算工质的焓和熵：

式中：ω为工质的偏心因子，P_C、T_C分别为工质的临界压力和临界温度，V_m为摩尔体积，R为气体常数。