一种基于被动旋转的流固耦合数值计算方法及系统与流程

1.本发明涉及流固耦合，尤其是涉及一种基于被动旋转的流固耦合数值计算方法。


背景技术：

2.叶轮机械的结构布局在流量计量领域中普遍存在，例如涡轮流量计、风力发电机等。在额定工作来流条件下，旋转部件容易发生偏心旋转、叶片受力变形、旋转轴窜动振荡等现象，导致流动介质运动状态受转子状态变化而影响，形成典型的叶轮机械与流场相互作用的流固耦合问题，导致流场问题的复杂程度显著增加。尤其在研究的旋转机械主体处于非水平旋转状态时，旋转轴与轴承间的摩擦力作用将显著影响转子的被动旋转状态，降低能量利用效率。如若不考虑流固耦合的双向传递分析，将不能正确计算出非水平旋转状态下的转子旋转状态。同时，由于受到流场作用，转子也极易发生受力应变，单纯的流场分析并不能满足真实应用中的需求，即使是微小的转子旋转状态改变也会对流量计量领域带来诸多不准确因素。因此在被动旋转基础上进行固液应力双向传递分析能为提升速度式叶轮机械的效率带来很高的技术价值。在这个问题中，流体流动与结构振动方程成为研究被动旋转问题的流固耦合问题的重要理论基础。
3.目前，国内外对主动旋转条件下的叶轮机械学研究较多，主要通过指定转子转速作为初始条件，研究在给定转速情况下的转子受力及其周边流场变化问题。而被动旋转问题中转子的状态主要由其周边流场对其施加的作用力决定，往往在转子壁面所受流场作用力相对平衡后研究其旋转状态。因此主动旋转条件下的叶轮机械学研究的流固耦合数值不适用被动旋转问题中的流固耦合数值，导致数值分析结果不接近实际工程需要，生产的产品性能低。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种基于被动旋转的流固耦合数值计算方法，使流固耦合数值接近实际工程需要，生产的产品性能高。
5.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之二在于提供一种基于被动旋转的流固耦合数值计算系统，能够计算出被动旋转时流固耦合数值，使流固耦合数值接近实际工程需要，生产的产品性能高。
6.本发明的目的之一采用以下技术方案实现：
7.一种基于被动旋转的流固耦合数值计算方法，包括以下步骤：
8.s1：建立被研究被动旋转系统的几何描述文件；
9.s2：转子旋转域与外部流体域分别进行离散化处理；
10.s3：装配转子流域与静止流域；
11.s4：建立流场计算控制方程和边界条件；
12.s5：设定流场求解系统中的特征参数，并将流场计算结果输入到结构力学求解系统；
13.s6：将流场计算结果的各节点应力建立为结构力学求解系统的边界初始条件；
14.s8：通过结构力学场求解结果更新转子旋转轴及其叶片旋转状态；
15.s9：通过流固耦合计算后的转子流域与静止流域的重叠部分插值分配，将结构场求解数据传递至转子外部流域；如转子域形变过大，与静止流域与不存在重叠部分，则回到步骤s2；
16.s10：将插值分配后的各节点应力做为流体场求解系统的新的边界初始条件；
17.s12：当转子旋转状态稳定在某一个状态小幅循环波动时，初步认定被动旋转系统已达到稳定状态，停止循环输出最终计算结果。
18.进一步地，在s6和s8之间还包括s7：建立结构力学场求解的控制方程及特征参数，控制方程为：
[0019][0020]
其中[m]，[c]，[k]为结构质量矩阵、结构阻尼矩阵和刚度矩阵，{
ü
(t)}，{u(t)}为节点加速度向量，速度和位移，{f(t)}为载荷向量。
[0021]
进一步地，建立结构力学场的前提是：假设转子结构的变化处于线弹性变化范围。
[0022]
进一步地，在s10和s12之间还包括s11：重复s5至s10，建立双向基于被动旋转问题的流固耦合数值计算系统。
[0023]
进一步地，双向流固耦合数值计算系统采用瞬态格式求解，并给显式求解方法。
[0024]
进一步地，s2具体为：对s1建立的系统几何描述文件进行特征识别，分割转子旋转域和外部静止流体域，识别转子与外壳的流动间隙区域，定义交界区域，定义离散化策略及其参数属性。
[0025]
进一步地，s3具体为：将网格文件共享交界区域拓扑，合并完全嵌在一个实体内的曲面。
[0026]
进一步地，s4中流场计算控制方程为质量及动量守恒方程，质量守恒方程为：
[0027][0028]
其中ρ为质点的密度，t为经过的时间，为质点速度的向量，项s
m
指来自分散的其他连续相的质量；
[0029]
对于二维轴对称几何体，连续性方程为：
[0030][0031]
其中x是轴向坐标，r是径向坐标，v
x
是轴向速度，v
r
是径向速度，惯性(非加速)参考系中的动量守恒为：
[0032][0033]
其中p是静压，是应力张量，和是重力体积力和外部体积力，包含其他依赖于流体场的源项，
[0034]
应力张量为：
[0035][0036]
其中是μ分子粘度，i是单位张量，用于描述体积膨胀；
[0037]
对于二维轴对称几何，轴向动量守恒方程为：
[0038][0039]
径向动量守恒方程为：
[0040][0041]
其中v
z
为涡轮速度，f
x
为轴向外部体积力，f
r
为径向外部体积力，x是轴向坐标，r是径向坐标，v
x
是轴向速度，v
r
是径向速度，μ分子粘度，用于描述体积膨胀，p是静压。
[0042]
进一步地，s10具体为：该线弹性问题的行为主要由边界值决定，因此，采用有限元法求解固体中的应力和变形，在有限元环境中，所分析的结构被离散为n个离散区域的集合，这些区域在有限个点或节点处连接，对于二维情况，这些元素是三角形或四边形，而四面体、六面体和楔形或金字塔形，位移未知数在节点处定义，并在每个单元的层次上与适当的插值函数相连接，这些插值函数在每个元素以及一阶导数的水平上是连续的；它们的选择方式应确保相邻元件之间的接口处的连续性。
[0043]
本发明的目的之二采用以下技术方案实现：
[0044]
一种基于被动旋转的流固耦合数值计算系统，所述基于被动旋转的流固耦合数值计算系统用于执行上述的基于被动旋转的流固耦合数值计算方法。
[0045]
相比现有技术，本发明基于被动旋转的流固耦合数值计算方法通过对大型三维被动旋转问题的研究，连接叶轮机械内部流场分析数据与转子受力分析应变数据，使数值分析结果更接近实际工程需要，从而为提升具体工程应用产品的性能提供更好的理论支持。
附图说明
[0046]
图1为本发明基于被动旋转的流固耦合数值计算方法的流程图。
具体实施方式
[0047]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0049]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0050]
请参阅图1，为本发明一种基于被动旋转的流固耦合数值计算方法，包括以下步骤：
[0051]
步骤s1：建立被研究被动旋转系统的几何描述文件；
[0052]
具体的，建立被研究系统完整的几何文件，定义所研究对象系统的边界。
[0053]
步骤s2：转子旋转域与外部流体域分别进行离散化处理；
[0054]
具体的，对步骤s1出入的系统几何描述文件进行特征识别，分割转子旋转域和外部静止流体域，识别转子与外壳的流动间隙区域，定义交界区域。定义离散化策略及其参数属性。
[0055]
步骤s3：装配转子流域与静止流域；
[0056]
具体的，将网格文件共享交界区域拓扑，合并完全嵌在一个实体内的曲面。
[0057]
步骤s4：建立流场计算控制方程和边界条件；
[0058]
进一步的，不可压缩非粘性流体流动的控制方程为质量及动量守恒方程：
[0059]
质量守恒方程可被写为：
[0060][0061]
其中ρ为质点的密度，t为经过的时间，为质点速度的向量，项s
m
指来自分散的其他连续相的质量。对于二维轴对称几何体，连续性方程可被写为：
[0062][0063]
其中x是轴向坐标，r是径向坐标，v
x
是轴向速度，v
r
是径向速度。惯性(非加速)参考系中的动量守恒可被写为：
[0064][0065]
其中p是静压，是应力张量，和是重力体积力和外部体积力，包含其他依赖于流体场的源项。应力张量可被写为：
[0066][0067]
其中是μ分子粘度，i是单位张量，用于描述体积膨胀。
[0068]
对于二维轴对称几何，轴向动量守恒方程可被写为：
[0069][0070]
径向动量守恒方程可被写为：
[0071][0072]
其中v
z
为涡轮速度，f
x
为轴向外部体积力，f
r
为径向外部体积力。其他变量同前文注释。
[0073]
步骤s5：设定流场求解系统中的特征参数，并将流场计算结果(如转子壁面应力分布等信息)输入到结构力学求解系统；
[0074]
进一步的，对每个控制体的输运方程进行积分，得到一个离散方程，该方程以单个控制体为基础遵循守恒定律。通过考虑标量输运的非定常守恒方程，可以很容易地说明控制方程的离散化。对于任意控制体积可以通过以下积分形式的方程来表示：
[0075][0076]
其中
[0077]
p为密度，为速度向量，为面积向量，γ
φ
为φ的扩散因子，为的变化率(在3d问题中即3d问题中即为单位体积的源项。
[0078]
方程离散化于给定的单元格上可被写为：
[0079][0080]
其中
[0081]
n
面
为在封闭单元格内面的总数，为通过面f的控制体积值，为通过面的重量通量，为面f上面积向量，为控制体积在面f上的变化率，v为单元格体积。
[0082]
步骤s6：将流场计算结果的各节点应力建立为结构力学求解系统的边界初始条件；
[0083]
具体的，输出每个控制单元节点的受力数据，加载至结构力学求解系统，作为下一步计算的边界条件。
[0084]
步骤s7：建立结构力学场求解的控制方程及特征参数；
[0085]
进一步的，假设转子结构的变化处于线弹性变化范围。在线性结构动力学系统中，内荷载与节点位移成线性比例，结构刚度矩阵保持不变。然而，惯性项应考虑到动量方程中，以及结构阻尼的可能项。动量方程可被写为：
[0086][0087]
其中[m]，[c]，[k]为结构质量矩阵、结构阻尼矩阵和刚度矩阵，{
ü
(t)}，{u(t)}为节点加速度向量，速度和位移，{f(t)}为载荷向量。
[0088]
步骤s8：通过结构力学场求解结果更新转子旋转轴及其叶片旋转状态；
[0089]
具体的，流场会对与固体的界面边界施加力，使其变形；由此产生的固体域的位移将反过来导致流体域的变形。线性或非线性弹性问题属于椭圆型问题，即行为主要由边界值(而不是初始值)决定。因此，用有限元法求解固体中的应力和变形是很自然的。在fsi边界的流体侧，物理通常由输运决定(至少在雷诺数足够大的情况下)，因此有限体积法是合适的。
[0090]
步骤s9：通过流固耦合计算后的转子流域与静止流域的重叠部分插值分配，将结构场求解数据传递至转子外部流域。如转子域形变过大，与静止流域与不存在重叠部分，则回到步骤s2，重新开始；
[0091]
步骤s10：将插值分配后的各节点应力建立为流体场求解系统的新的边界初始条件；
[0092]
具体的，该线弹性问题的行为主要由边界值(而不是初始值)决定。因此，用有限元法求解固体中的应力和变形是很自然的。在有限元环境中，所分析的结构被离散(近似)为n个离散区域(单元)的集合，这些区域(单元)在有限个(m)点或节点处连接。对于二维情况，这些元素是三角形或四边形，而四面体、六面体和楔形或金字塔形。位移未知数在节点处定义，并在每个单元的层次上与适当的插值函数相连接。这些插值函数在每个元素以及一阶导数的水平上是连续的；它们的选择方式应确保相邻元件之间的接口处的连续性。
[0093]
步骤s11：重复步骤s5至步骤s10，建立双向基于被动旋转问题的流固耦合数值计算系统；
[0094]
具体的，在一个双向的流固耦合数值计算系统中，物理和数字都涉及到流体
‑
固体的两场接口；但是，必须确保位移和速度的连续性，以及应力平衡。采用瞬态格式求解双向流固耦合数值计算系统，并给显式求解方法。但对于具有强双向流固耦合的情况下，应该启用隐式更新方案，以便在一个时间步长内进行更新。
[0095]
步骤s12：当转子旋转状态稳定在某一个状态小幅循环波动时，初步认定该双向流固耦合数值计算系统已达到稳定状态，停止循环输出最终计算结果。
[0096]
进一步的，转子在某种受力情况下的状态很有可能表现为稳定在某一个状态小幅循环波动位非定值。当某些物理量，例如转子上的动量趋于稳定范围波动，则可初步认为该基于被动旋转问题的流固耦合数值计算方法及系统已经达到稳定状态，可将最终波动区间结果输出。
[0097]
本发明还涉及一种基于被动旋转的流固耦合数值计算系统，基于被动旋转的流固耦合数值计算系统用于执行上述基于被动旋转的流固耦合数值计算方法。
[0098]
下面，结合实例对本发明作进一步地详细说明：
[0099]
一种旋翼式水表的流固耦合数值计算方法，具体包括以下步骤：
[0100]
步骤s1：建立被动旋转系统的几何描述文件；
[0101]
步骤s2：叶轮旋转域与基表流体域分别进行离散化处理；
[0102]
步骤s3：合并上述两域网格文件；
[0103]
步骤s4：建立流体计算控制方程，设定进出水口边界条件；
[0104]
步骤s5：设定流场求解方法参数，并将流场计算结果迁移至结构力学场；
[0105]
步骤s6：提取流场计算结果中的叶轮壁面各节点的应力向量矩阵，将其加载到结构力学模型中的边界初始条件上；
[0106]
步骤s7：建立结构力学场的控制方程，设置求解器参数，求解；
[0107]
步骤s8：通过结构力学场求解结果更新叶轮旋转轴及其叶片旋转状态；
[0108]
步骤s9：通过流固耦合计算后的叶轮流域与静止流域的重叠网格部分插值分配，将结构场求解数据传递至基表外部流域；
[0109]
步骤s10：以流固耦合计算后的各节点应力建立为流体场求解系统的新的边界初始条件；
[0110]
步骤s11：重复步骤s5至步骤s10，建立双向水力推动叶轮被动旋转问题的流固耦合数值计算系统；
[0111]
步骤s12：当叶轮旋转状态稳定在某一个状态小幅循环波动时，初步认定该双向流固耦合计算系统已达到稳定状态，停止循环输出最终计算结果。
[0112]
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。