[发明专利]一种预测水轮机泥沙磨损特性的冲蚀动网格耦合方法

权利要求书

1.一种预测水轮机泥沙磨损特性的冲蚀动网格耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、首先统计出对应混流式水轮机的转速以及叶片数量，从混流式水轮机蜗壳进口到尾水管出口的整个全流道计算网格采用多面体混合非结构网格划分，并进行了网格光顺和单元面交换来提高最后数值网格的质量；

步骤二、对混流式水轮机数值模拟连续相采用SSTk-ω湍流模型进行稳态N-S方程计算，泥沙颗粒离散相在拉格朗日框架下采用稳态颗粒追踪，连续相与离散相在欧拉-拉格朗日框架下采用双向耦合方式共同求解，并得出边界条件与离散相颗粒离散相DPM模型方程；

步骤三、根据边界条件与离散相模型方程引入颗粒的曳力系数的概念；

步骤四、离散相泥沙颗粒入射类型采用与流体相同速度从蜗壳进口以面源方式注入，泥沙颗粒考虑主要重力与曳力影响，壁面处的颗粒速度回弹采用了广泛应用的Grant模型；

步骤五、根据对90度弯管磨损验证方法可靠，然后采用Oka模型测算壁面磨损；

步骤六、利用准稳态方法实现颗粒冲蚀与动网格模型耦合计算混流式水轮机壁面磨损的演化过程，在求解过程的每一步中，流体流动和颗粒冲蚀模拟都以稳态进行，而网格位置则由动态网格模型使用物理时间步长进行更新；当冲蚀与动网格耦合计算时，求得单个面的网格变形公式，并最终确认预测结果。

2.根据权利要求1所述的一种预测水轮机泥沙磨损特性的冲蚀动网格耦合方法，其特征在于，所述步骤二中，流体相采用速度进口和自由出流边界条件，在壁面处采用无滑移边界条件，颗粒离散相DPM模型在拉格朗日坐标系中进行描述，控制方程为广义牛顿第二定律：

其中式中，m_p为颗粒质量，u_p为颗粒速度，F_D为曳力，F_B为重力造成的浮力，F为颗粒受到的除曳力和重力造成的浮力之外的其他力。

3.根据权利要求1所述的一种预测水轮机泥沙磨损特性的冲蚀动网格耦合方法，其特征在于，所述步骤三中，曳力系数的概念，定义为：

同时颗粒在流体中的曳力可表示为：

其中式中，F_D为颗粒的曳力，r_p为球形颗粒的半径，ρ_C为连续相的密度，u为流体速度，u_p为颗粒速度。

4.根据权利要求3所述的一种预测水轮机泥沙磨损特性的冲蚀动网格耦合方法，其特征在于，为表示泥沙颗粒细观几何形状特征本次模拟采用球形颗粒及与实际情况更为接近的非球形颗粒曳力系数，非球形颗粒曳力系数为

式中的b₁、b₂、b₃、b₄为与颗粒形状因子φ相关的一些系数，具体表达式见文献[23]。颗粒形状因子定义为φ＝s/S，s为等体积球形颗粒的表面积，S为颗粒的真实表面积。

5.根据权利要求1所述的一种预测水轮机泥沙磨损特性的冲蚀动网格耦合方法，其特征在于，所述步骤四中，Grant颗粒壁面碰撞模型表示如下：

式中，ε_N为壁面法向反弹系数，ε_T为壁面切向反弹系数，γ为颗粒撞击角。

6.根据权利要求1所述的一种预测水轮机泥沙磨损特性的冲蚀动网格耦合方法，其特征在于，所述Oka模型磨损率的公式定义如下：

式中R_erosion为磨损率，表示单位时间单位面积上的壁面材料损失质量，kg/m2s；为计算过程中颗粒P所代表的质量流量，kg/s；E为无量纲磨损率；A_face为壁面上计算网格单元的表面积；N_P为在单元面积A_face上发生碰撞的颗粒总数。