[发明专利]一种轴对称射流稳压腔参数设计的数值模拟方法

摘要

本发明涉及一种轴对称射流稳压腔参数设计的数值模拟方法，该方法通过建立轴承、稳压腔的一体化几何模型和二维流域，对二维流域进行网格划分，建立相应的计算流体力学模型，进行定常数值模拟。先根据稳压腔轴线速度分布对内径参数D的敏感性，确定长度L的取值范围，再根据出口截面上速度分布的均匀性指标确定长度L，最后根据横截面速度分布平滑与否确定内径D。本发明方法提高了数值模拟在轴对称射流稳压腔参数设计过程中的实际应用性。

主权项

1.轴对称射流稳压腔参数设计的数值模拟方法，包括如下步骤：步骤一，建立物理模型；轴对称射流稳压腔需要确定四个具体参数：稳压腔内径D、稳压腔长度L、稳压腔入口直径D1和稳压腔出口直径d；轴对称射流稳压腔是与采用双对称收缩段的高压圆盘气体轴承配套使用，稳压腔入口直径D1在供气管道直径Dt与稳压腔出口直径d确定的范围内选择；根据自由圆射流的特性，射流在核心区的速度维持恒定；取轴对称射流稳压腔长度L的初始值L0约等于自由射流的核心区长度；其中D1为稳压腔入口直径，a为湍流系数，对于圆柱形喷管a＝0.076‑0.08，湍流强度和分布不均匀度小者取小值，大者取大值；取轴对称射流稳压腔内径D的初始值大于稳压腔入口直径D1；步骤二，建立二维流域；将高压圆盘气体轴承与内环向射流稳压腔装配在一起，形成一体化几何模型，该模型关于圆盘轴线轴对称以及轴承间隙中心截面平面对称，二维流域缩简为一体化几何模型的四分之一；二维流域包含气体进入内环向射流稳压腔后的整个流道，分为稳压腔腔体、过渡段、收缩段、轴承间隙和径向射流段五部分；径向射流段的长度等于圆盘的厚度与半气膜间隙之和，宽度大于100倍的气膜间隙高度；步骤三，二维流域网格划分；对步骤二建立的二维流域进行网格划分，除了收缩段处的网格为三角形非结构网格，稳压腔腔体、过渡段、轴承间隙和径向射流段均为四边形结构网格；步骤四：建立计算流体力学模型；二维流域的计算流体力学模型建立如下：将流体视为满足理想气体状态方程的气体；控制方程组包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、状态方程和湍流模型；其中动量方程采用可压缩Navier‑Stokes方程；湍流模型为标准k‑ε模型、RNG k‑ε模型、Realizable k‑ε模型、标准k‑ω模型和SST k‑ω模型其中的一种；估算稳压腔入口截面的湍流强度I；步骤五：分析流体动力学计算软件的计算结果，确定稳压腔内径D、稳压腔长度L的设计值；(5.1)对初始计算结果进行处理，分析稳压腔流场的特点及初始值的可行性；(5.2)重复步骤二至步骤四的工作，按稳压腔长度L进行分组计算，确定稳压腔长度L的取值范围；(5.2.1)固定轴对称射流稳压腔长度L，改变稳压腔内径D，获得对应同一轴对称射流稳压腔长度L、不同稳压腔内径D时稳压腔轴线上的速度分布曲线，分析该稳压腔长度L下，稳压腔内径D值的变化对轴线上速度分布的影响程度；(5.2.2)依次改变稳压腔长度L的值，重复步骤一至步骤(5.2.1)的工作，获得轴线上速度分布受稳压腔内径D影响小的稳压腔长度L的取值范围；(5.3)在前述步骤(5.2)获得的稳压腔长度L取值范围内，得到使稳压腔出口截面速度均匀性较好的D、L组合；(5.3.1)按稳压腔内径D进行分组计算；固定轴对称射流稳压腔内径D，在稳压腔长度L取值范围内改变L的取值，计算对应同一轴对称射流稳压腔内径D、不同稳压腔长度L时稳压腔出口截面的速度分布曲线，并从曲线数据中整理出速度均匀性能指标的具体值；(5.3.2)依次改变稳压腔内径D，得到每一组稳压腔内径D对应的速度均匀性指标较好的D、L参数组合；(5.4)判断前述步骤(2.3)得到的D、L参数组合的可行性；对步骤(5.3)获得的D、L参数组合，分析每组参数组合对应的轴承收缩段出口截面速度分布曲线及速度矢量图；若轴承收缩段出口截面上的主流区马赫数能够达到1(即临界截面)，且该截面上的速度矢量平行度较好，则此射流稳压腔的D、L参数组合是可行的；(5.5)在前述步骤(5.4)得到的D、L参数组合中确定稳压腔内径D和稳压腔长度L的设计值；(5.5.1)比较前述步骤(5.4)获得的D、L参数组合对应的出口截面速度均匀性指标，首先确定稳压腔长度L的设计值；(5.5.2)根据稳压腔出口区域横截面上速度分布是否平滑，确定稳压腔内径D的设计值；步骤六：按步骤五获得的稳压腔内径D和稳压腔长度L的设计值，比较稳压腔入口直径D1的变化，对稳压腔出口截面速度均匀性的影响，确定稳压腔入口直径D1的设计值；步骤七：获得最终的轴对称射流稳压腔的尺寸参数；进一步分析在步骤六获得的稳压腔入口直径D1、稳压腔内径D和稳压腔长度L取值下，稳压腔内流场的流线状态及旋涡分布情况，判断该取值的合理性；若不合理，则转到步骤(5.5)选择其它的参数组合D、L，重复步骤二至步骤七的工作，直至得到稳压腔内径D、稳压腔长度L的最终取值。