[發明專利]基于物質平均大渦模擬的離心泵水力性能測量方法

在審

• 申請號: 202011245971.4
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112412829A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 林培鋒;李永正;朱祖超
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: F04D15/00
• 分類號: F04D15/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種基于物質平均大渦模擬的離心泵水力性能測量方法。建立三項亞格子應力模型；利用三項亞格子應力模型，通過數值模擬得出離心泵內流場全流量工況下預測的性能參數；根據預測的性能參數處理獲得離心泵的揚程和水力效率。本發明建立了新的動態亞格子應力模型應用于離心泵內部流動計算中，實現了更準確的離心泵水力性能預測和測量。

技術領域

本發明涉及一種離心泵水力性能預測的方法，具體地說是一種基于物質平 均大渦模擬的預測離心泵水力性能的方法。

背景技術

泵是一種能將原動機的機械能或外部能量轉化為輸送液體的壓力能和動能 的流體機械，是機械工業中的一類主要產品，廣泛應用于各種工農業生產中。 在泵的所有種類里最常用的是離心泵。離心泵的結構復雜，葉輪內介質的流動 狀態為三維非定常紊流流動，且隨著流動狀態的變化，還會出現二次流、分離 流和氣蝕等現象。隨著計算機技術和計算流體力學的不斷發展，數值模擬被越 來越多的研究人員使用來計算流體機械的流動性能。

因此，準確的預測其水力性能并進行優化可以有效地避免這些影響。

目前，在離心泵內部流動計算的數值模擬方面已經進行了許多的研究，但 對于離心泵具體計算過程的深入分析還很少，大部分研究直接使用Ansys fluent 流體仿真軟件設置一些參數和流動模型進行近似計算，研究結果缺乏普遍性。 現有的湍流數值模擬方法有三種：直接數值模擬(DNS)、雷諾平均方法(RANS) 和大渦模擬(LES)。雷諾平均方法可以計算高雷諾數的復雜流動，但由于湍流 脈動包含許多尺度的運動，而大尺度脈動場與平均速度與溫度場的邊界密切關 聯，因此不能建立普適的平均湍流輸運量的封閉方程。

隨著計算機性能不斷提高與計算方法的不斷改進，求解湍流平均方程的思 路開始被放棄，而選擇用直接數值求解樣本流動方程(ns方程)，然后對樣本 流場進行統計來獲得湍流的平均特性，稱為湍流直接數值模擬。直接數值模擬 可以獲得湍流場的精確信息，是研究湍流機理最有效的方法，但由于高雷諾數 湍流包含很寬的湍流脈動，若對高雷諾數流動進行直接數值模擬需要巨大的網 格數，這樣一來相應計算機的內存需求也是無法想象的，無法準確快速有效獲 得離心泵的性能情況

湍流大渦數值模擬方法(簡稱大渦模擬方法)作為當前流體機械內部瞬態 流動數值計算的主要方法而被廣泛發展和應用，但由于其建立的亞格子應力模 型假設亞格子應力僅與應變率張量成正比，對于如離心泵這樣的旋轉機械并不 能很好的適用。因此，現有技術缺少有效的方法和方式進行完善和改進，來解 決亞格子應力模型和大渦模擬之間的矛盾問題。

發明內容

為了解決背景技術中存在的技術問題，本發明提供了一種基于物質平均大 渦模擬的離心泵水力性能測量方法。

本發明包括以下方案：

(1)建立新的三項亞格子應力模型，作為改進后的亞格子應力模型；

(1)利用三項亞格子應力模型，通過數值模擬得出離心泵內流場全流量工 況下預測的性能參數；性能參數包括了離心泵的進口壓力和出口壓力；

(2)根據預測的性能參數處理獲得離心泵的揚程和水力效率，具體實施中 繼續在流體仿真軟件FLUENT后處理中得出參數云圖進行對比。

所述的步驟(1)包括：

(1.1)建立xyz笛卡爾三維坐標系，在Smagorinsky模型模型的基礎上加 入螺旋度修正項與速度梯度非線性項，螺旋度表示流體元螺旋式前進的性質， 采用聯合約束應力模式，從而建立獲得帶有螺旋度與速度影響的三項亞格子應 力模型，形式如下：