一种用于叶片泵瞬态自流过程的CFD-6DOF强耦合数值计算方法与流程

一种用于叶片泵瞬态自流过程的cfd-6dof强耦合数值计算方法
技术领域
1.本发明涉及叶片泵瞬态自流过程技术研究领域，尤其涉及一种用于叶片泵瞬态自流过程的cfd(计算流体力学)-6dof(六自由度运动方程)耦合计算方法。


背景技术：

2.自流工况是泵全特性曲线中较为特殊的一种运行工况，即泵在无驱动情况下，叶轮进口受液流冲击发生被动旋转，其运行特点为正转速、正流量和负扬程。自流工况一般在叶片泵启动情况下出现，例如在液体火箭发动机中，涡轮泵开阀启动时在贮箱压力和液注压力作用下会引起自流现象，自流状态下的流阻、扭矩等对涡轮泵启动初期的稳定性有着较为重要的影响。
3.目前，国内外对叶片泵自流工况的数值计算基本通过测量扭矩或试验数据拟合获得其叶轮转速，在计算过程中没有较好的考虑转子结构与流体的相互作用，与实际存在一定的误差。叶片泵自流通常是一个瞬态的过渡过程，其自流转速受流体力作用由零上升至一个稳定值，现有的研究主要针对泵自流稳定转速下流动特性的研究，缺乏对自流瞬态过程的研究。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种用于叶片泵瞬态自流过程的cfd-6dof耦合计算方法，能够准确计算泵瞬态自流过程中转子被动旋转的转速变化，获得泵自流过程中流场的瞬态演化情况。
5.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
6.一种用于叶片泵瞬态自流过程的cfd-6dof强耦合数值计算方法，包括：
7.s1：建立泵自流被动旋转系统的流体动力学几何模型文件；
8.s2：对泵旋转域和静止域进行离散化处理和网格划分；
9.s3：耦合流体动力学控制方程和六自由度运动方程；
10.s4：设定流场的初始边界条件以及转子刚体结构的固有物理性质；
11.s5：基于当前时间步下流场的速度-压力值计算转子结构壁面各网格节点受流体力作用而产生的力矩；
12.s6：根据转子壁面网格节点上的受力情况，基于六自由度运动方程计算所述步骤s5时间步下的转子受流体作用产生的角速度，并获得当前时间步下的角位移；
13.s7：基于所述步骤s6计算的角位移结果更新旋转域各网格节点位置，并根据网格运动对通量场进行修正；
14.s8：根据流体动力学控制方程求解系统下一时间步的流场，采用压力修正算法对流场进行迭代修正，使得速度场满足连续性方程，并回到步骤s5对每个时间步进行循环计算，直到完成所有时间步的计算后，停止循环输出结果；
15.s9：对各个时间步计算得到的角位移进行微分，得到转子角速度的变化情况以及泵瞬态自流过程中的流场演化规律。
16.进一步的，所述步骤s1具体为：基于给定的叶片泵几何参数，在creo中建立泵旋转域和静止域的流场模型，并设置结构材料属性，计算转子刚体结构的物理参数；
17.进一步的，所述步骤s2包括：
18.将所述步骤s1建立的泵系统几何模型文件导入icem cfd软件中，特征识别并定义边界面属性，采用结构化分块方法对泵的各计算域进行六面体网格划分，在蜗壳隔舌、叶片进口和间隙位置进行网格加密。
19.进一步的，所述步骤s3具体为：
20.步骤s3.1：采用纳维-斯托克斯方程求解泵在自流过程中的流场，其控制方程组包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，其中：
21.质量守恒方程如下：
[0022][0023]
其中，ρ为流体质点的密度，t为时间，v为流体速度矢量；
[0024]
动量守恒方程为：
[0025][0026]
其中，p为流体微元控制体上的压力，τ
xx
、τ
xy
、τ
xz
等为x、y、z方向上微元体表面上所受粘性应力τ的分量，f
x
、fy、fz为微元体在x、y、z方向上的质量力的分量；
[0027]
能量守恒方程为：
[0028][0029]
式中，为单位质量的体积加热率，ρ为流体密度，v为流体速度矢量，f为单位质量流体微团上的体积力，u、v、w分别为x、y、z方向上的速度分量，(e v2)/2为内能与动能之和；
[0030]
步骤s3.2：耦合欧拉动力学方程，用于计算叶片泵受自流冲击转子被动旋转的角速度情况，控制方程如下：
[0031][0032]
其中，l为惯性矩张量，为力矩矢量，为角速度矢量，为角加速度。
[0033]
进一步的，所述步骤s4具体为：
[0034]
泵旋转域与静止域交界面采用滑移网格方法，进出口分别采用速度进口和压力出口的边界条件；
[0035]
定义离散格式，对流项采用二阶迎风格式，压力速度耦合采用pimple算法；
[0036]
定义泵转子六自由度运动属性，设置其质量、转动惯量、运动约束、重力和阻力矩，确定旋转中心和转轴坐标，使转子仅能绕轴旋转；
[0037]
根据网格最值尺寸设置动网格重构和光顺参数。
[0038]
进一步的，所述步骤s5具体为：根据转子旋转壁面节点上的压力值，计算转子的受力和力矩情况，并且在六自由度运动中，需要将力矩从惯性坐标系转换为体坐标系，如下：
[0039][0040]
其中r为变换矩阵，如下：
[0041][0042]
其中，c
x
＝cos(x)，s
x
＝sin(x)，角度θ和ψ为欧拉角，分别表示绕z、x和y轴的旋转角度。
[0043]
本发明的有益效果：
[0044]
本发明基于cfd-6dof强耦合数值计算方法计算泵瞬态自流过程，通过将流体动力学方程与六自由度运动方程进行耦合，能有效计算流体域结构体之间地相互作用，获得泵自流过程转子受流体力作用产生的角速度变化，为泵瞬态自流过程流动机理的研究提供更好的理论支持。
附图说明
[0045]
图1为本发明实施例的叶片泵瞬态自流过程的cfd-6dof耦合计算方法的流程图；
[0046]
图2为计算得到的泵瞬态自流过程中转速随时间变化曲线。
[0047]
图3为计算得到的转子扭矩随时间变化曲线。
[0048]
图4为泵瞬态自流过程转速随时间变化曲线。
[0049]
图5为叶片泵瞬态自流过程各个时刻内流场演化情况。
具体实施方式
[0050]
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受于下面公开的具体实施的限制。
[0051]
请参阅图1，为本发明一种用于叶片泵瞬态自流过程的cfd-6dof耦合计算方法，包括以下步骤：
[0052]
步骤s1:建立泵自流被动旋转系统的流体动力学几何模型文件；
[0053]
具体的，根据给定的叶片泵几何参数，在creo中建立泵旋转域和静止域的流场模
型，并设置结构材料属性，计算转子刚体结构的物理参数，如质量、转动惯量等参数。
[0054]
步骤s2:进行泵旋转域和静止域的离散化处理及网格划分；
[0055]
具体的，将泵几何模型导入icem cfd软件中，特征识别并定义边界面属性，采用结构化分块方法对泵的各计算域进行六面体网格划分，在蜗壳隔舌、叶片进口和间隙位置进行网格加密。
[0056]
步骤s3:耦合流体动力学控制方程和六自由度运动方程；
[0057]
步骤s3.1：采用纳维-斯托克斯方程求解泵在自流过程中的流场，其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：
[0058]
质量守恒方程如下：
[0059][0060]
其中，ρ为流体质点的密度，t为时间，v为流体速度矢量；
[0061]
动量守恒方程为：
[0062][0063]
其中，p为流体微元控制体上的压力，τ
xx
、τ
xy
、τ
xz
等为x、y、z方向上微元体表面上所受粘性应力τ的分量，f
x
、fy、fz为微元体在x、y、z方向上的质量力的分量；
[0064]
能量守恒方程为：
[0065][0066]
式中，为单位质量的体积加热率，ρ为流体密度，v为流体速度矢量，f为单位质量流体微团上的体积力，u、v、w分别为x、y、z方向上的速度分量，(e v2)/2为内能与动能之和，即为总能量。
[0067]
步骤s3.2：耦合欧拉动力学方程，用于计算叶片泵受自流冲击转子被动旋转的角速度情况，控制方程如下：
[0068][0069]
其中，l为惯性矩张量，为力矩矢量，为角速度矢量，为角加速度。
[0070]
步骤s4:设定流场的初始边界条件以及转子刚体结构的固有物理性质；
[0071]
具体的，泵旋转域与静止域交界面采用滑移网格方法，进出口分别采用速度进口
和压力出口的边界条件；定义离散格式，对流项采用二阶迎风格式，压力速度耦合采用pimple算法；定义泵转子六自由度运动属性，设置其质量、转动惯量、运动约束、重力和阻力矩等参数，确定旋转中心和转轴坐标，使转子仅能绕轴旋转；根据网格最值尺寸设置动网格重构和光顺参数。
[0072]
步骤s5:基于当前时间步下流场的速度-压力值计算转子结构壁面各网格节点受流体力作用而产生的力矩；
[0073]
具体的，根据转子旋转壁面节点上的压力值，计算转子的受力和力矩情况，且在六自由度运动中，需要将力矩从惯性坐标系转换为体坐标系，如下：
[0074][0075]
其中r为变换矩阵，如下：
[0076][0077]
其中，c
x
＝cos(x)，s
x
＝sin(x)，角度θ和ψ为欧拉角，分别表示绕z、x和y轴的旋转角度。
[0078]
步骤s6:根据转子壁面网格节点上的受力情况，基于六自由度运动方程计算步骤s5时间步下的转子受流体作用产生的角速度，并获得当前时间步下的角位移；
[0079]
具体的，据欧拉动力学方程计算出转子的瞬时角速度，并通过瞬时角速度，计算当前时间步下的角位移，获得转子的瞬时旋转角度。
[0080]
步骤s7:基于步骤s6计算的角位移结果更新旋转域各网格节点位置，并根据网格运动对通量场进行修正；
[0081]
具体的，转子壁面在当前时间步下受流体力作用发生角度旋转，旋转域上的网格节点位置发生变动，通过动网格方法来更新旋转域网格，且旋转域网格变化后对流场产生影响，需要进行通量场的修正，以确保计算的稳定，避免出现发散情况。
[0082]
步骤s8:根据流体动力学控制方程求解系统下一时间步的流场，采用压力修正算法对流场进行迭代修正，使得速度场满足连续性方程，并回到步骤s5对每个时间步进行循环计算；
[0083]
步骤s9:当完成所有时间步的计算后，停止循环输出结果；通过对各个时间步计算得到的角位移进行微分，得到转子角速度的变化情况，并且能够准确的获得泵瞬态自流过程中的流场演化规律。
[0084]
进一步的，用于泵瞬态自流过程的cfd-dof强耦合数值计算方法，能有效计算转子在自流冲击下的转速变化情况，参照图2，并得到转子转矩随时间变化波动曲线，参照图3；通过监测泵进出口压力，参照图4，计算得到叶片泵的自流损失；且能够得到自流过程中不同时刻叶片泵内部流场演化情况，及脉动压力变化特性，参照图5。
[0085]
本发明可应用于泵在无驱动情况下，叶轮进口受液流冲击发生被动旋转，其自流性能及内流场的计算；用于水下航行器冷却系统循环泵在自流工况下的水力性能和内流场的计算；用于航空发动机燃油泵的重力自流供油系统性能和流动状态的计算；用于液体火箭发动机涡轮泵开阀启动时，由于贮箱压力和液柱压力引起的自流流动的计算。为相关特
种流体机械装备的设计和研发提供技术指导。
[0086]
以上所述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本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，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。