[發(fā)明專利]用于離心泵并基于Tait方程的水的弱可壓縮模型

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911373531.4
• 申請日: 2019-12-27
• 公開（公告）號: CN111046580A
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陽君;鄧瀟睿;胡文立;朱棚;李鵬程
• 申請（專利權(quán)）人: 上海理工大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 王晶

本發(fā)明涉及一種用于離心泵并基于Tait方程的水的弱可壓縮模型，該弱可壓縮模型的建立基于水的Tait方程，在等溫條件下建立密度和壓力之間的非線性關(guān)系，從而將密度由壓力和溫度的函數(shù)簡化為僅為壓力的函數(shù)。本發(fā)明采用的水的弱可壓縮模型是基于Tait方程反映水的密度變化，建立過程簡單易實現(xiàn)并在后期可通過修正方程的方式進(jìn)行改進(jìn)，使離心泵數(shù)值模擬仿真結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠，能更為準(zhǔn)確地揭示其內(nèi)部流動規(guī)律及流動機(jī)理，從而為離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)高效運行提供理論基礎(chǔ)。此外，該弱可壓縮模型也能夠應(yīng)用于其他水力機(jī)械的數(shù)值仿真中并解決相關(guān)的工程實際問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種離心泵的內(nèi)部流動特性研究分析方法，尤其是一種采用水的弱可壓縮模型的分析方法。

背景技術(shù)

離心泵作為一種重要的能量轉(zhuǎn)換和流體輸送設(shè)備，在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。目前對于工質(zhì)為水的離心泵的內(nèi)部流動特性研究主要集中在單相流動并可分為試驗和數(shù)值模擬兩類，而在后者中常將水看作不可壓縮流體來處理。實際上，水為弱可壓縮性流體，其密度在實際運行中存在微弱變化。隨著離心泵向大容量、高揚(yáng)程發(fā)展，水的密度變化在高流速和高壓力狀態(tài)下加劇，此時，仍將水作為不可壓縮流體進(jìn)行數(shù)值模擬得到的部分壓力脈動峰值明顯小于試驗值。因此，原有的不可壓縮模型已經(jīng)無法滿足計算精度要求，建立一個水的弱可壓縮模型以減小數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差十分必要。

申請?zhí)枮镃N201310549686.5,名稱為“一種自吸泵自吸過程流動模擬的計算方法”的專利，該專利以自吸離心泵作為研究對象，運用非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬手段對自吸離心泵起動后氣液兩相流動的瞬態(tài)過程進(jìn)行模擬，估算泵的自吸性能參數(shù)。申請?zhí)枮镃N201810180493.X,名稱為“基于弱可壓流動分析的大功率離心泵水力性能預(yù)測方法”的專利，該專利提供一種基于弱可壓流動分析的大功率離心泵水力性能預(yù)測方法，基于亞格子應(yīng)力模型的大渦模擬方法，計算揚(yáng)程、水力效率和汽蝕余量等數(shù)據(jù)來對泵的水力性能進(jìn)行預(yù)測。

上述分析方法存在的不足之處在于：一、未考慮水的弱可壓縮性即水泵運行過程中水的密度變化對離心泵運行性能的影響。二、建立的弱可壓縮模型計算方法較為復(fù)雜，且只分析了揚(yáng)程、水力效率及汽蝕余量等特性，未分析弱可壓縮性對于離心泵內(nèi)部流動特性(內(nèi)部壓力、速度分布等)的影響。

大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)將水看作不可壓縮流體，建立不可壓縮模型進(jìn)行計算。但由于水為弱可壓縮性流體，其密度在離心泵實際運行過程中存在微弱變化，這種變化在大容量、高揚(yáng)程的離心泵中更為劇烈。此時，基于不可壓縮模型的數(shù)值模擬得到的部分壓力脈動峰值明顯小于試驗值，無法滿足計算精度要求。而部分考慮水的弱可壓縮性的現(xiàn)有技術(shù)使用亞格子應(yīng)力計算等方法建立弱可壓縮模型，其建立過程復(fù)雜且計算量較大，不利于工程利用推廣。

發(fā)明內(nèi)容

為彌補(bǔ)上述不足，本發(fā)明提出一種適用于離心泵并基于Tait方程的水的弱可壓縮模型，該弱可壓縮模型基于水的狀態(tài)方程即Tait方程，在等溫條件下建立密度和壓力之間的非線性關(guān)系，從而將密度由壓力和溫度的函數(shù)簡化為僅為壓力的函數(shù)；通過編譯公式等形式將該函數(shù)加入CFD中已有的不可壓縮計算模型，達(dá)到反映數(shù)值模擬中水的密度變化的目的，即體現(xiàn)了運行過程中水的弱可壓縮性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種用于離心泵并基于Tait方程的水的弱可壓縮模型，該弱可壓縮模型的建立基于Tait方程，在等溫條件下建立水的密度和壓力之間的非線性關(guān)系以反映數(shù)值模擬中水的密度變化，從而體現(xiàn)離心泵運行過程中水的弱可壓縮性，由于流體的密度與溫度及壓強(qiáng)有關(guān)，而離心泵工作環(huán)境溫度變化小，因此在計算中假設(shè)離心泵運行溫度為恒定值，在等溫條件下建立的水的密度ρ和壓力p之間的非線性關(guān)系，其形式為：

p＝a+bρⁿ (1)

其中，通過假定體積模量是壓力的線性函數(shù)即公式(2)，可以確定系數(shù)a和b，該系數(shù)與壓力、密度和體積模量的參考狀態(tài)值有關(guān)，

k＝k₀+n(p-p₀) (2)