一种低温介质直接接触冷凝数值仿真方法

技术领域

本发明涉及直接接触冷凝数值仿真方法，具体涉及一种考虑低温介质热力学属性的直接接触冷凝数值仿真方法。

背景技术

在液氧煤油液体火箭发动机中，为了提升氧主泵汽蚀性能，通常在主泵上游管路中安装预压泵，引入部分高压富氧燃气通过涡轮驱动预压泵，对来流进行增压。这部分经过涡轮做功后的富氧燃气进入预压泵液氧管路外侧气体腔，通过壁面上的气孔注入至管路中。过热的高温燃气(400K)在管路中与低温液氧(90K)发生剧烈的质量交换和能量交换，即发生复杂的低温介质直接接触冷凝过程。发动机设计时要求过热气体到达主泵入口前实现完全冷凝，否则入口含气会大幅降低涡轮泵汽蚀性能。同时掺混冷凝过程诱发的压力脉动特征频率可能与发动机结构固有频率耦合，降低发动机的可靠性。因此预压泵下游高温气体在低温介质中掺混冷凝问题一直是液体火箭推进技术领域的关键问题。

低温介质的直接接触冷凝试验存在成本高、难度大、危险性高等技术难度，快速发展的计算流体力学仿真技术是研究低温直接接触冷凝问题的一种有效技术手段，但数值仿真的可靠性依赖于网格、边界条件、数值模型和算法等众多因素。同时现有针对直接接触冷凝问题的数值仿真方法以常温介质为主，忽略了介质物性参数敏感性对实际物理过程的影响。低温介质相变过程存在较剧烈的能量交换，引起的温度场变化会显著影响介质的物性，进一步影响相变过程，因此相较于常温流体，低温介质直接接触冷凝过程要复杂得多。由于缺乏可靠的数值仿真方法，目前针对低温介质的冷凝过程仿真研究比较少见，发展高效、可靠的低温介质冷凝数值仿真方法对于提升冷凝过程的物理认识、进一步优化结构设计加速富氧燃气的冷凝，提升发动机的可靠性具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有直接接触冷凝数值仿真方法无法准确预测低温介质直接接触冷凝过程，不能满足低温液体火箭发动机涡轮预压泵研制需求的不足之处，而提供一种低温介质直接接触冷凝数值仿真方法。

为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：

一种低温介质直接接触冷凝数值仿真方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

步骤1、建立计算域模型；

利用建模软件建立拟研究对象的三维模型，再利用建模软件的布尔运算功能画出拟研究对象三维模型的几何域，得到计算域模型；

步骤2、确定边界、划分网格；

将所述计算域模型导入网格划分软件，确定计算域模型的边界，再划分结构化网格和非结构网格，得到网格文件；

步骤3、建立数值计算模型；

步骤3.1、将所述网格文件导入流体力学计算软件，建立考虑能量方程的多相流体力学控制方程；所述考虑能量方程的多相流体力学控制方程包括控制流体运动的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程；

步骤3.2、确定所述考虑能量方程的多相流体力学控制方程的离散格式和求解格式；

步骤3.3、确定所述考虑能量方程的多相流体力学控制方程的边界条件，得到数值计算模型；所述边界条件包括计算域模型的进出口压力、流量、温度、湍流度、相体积分数；

步骤4、在流体力学计算软件中建立考虑局部汽液可压缩性的SST湍流模型，并基于当地液相体积分数对标准SST湍流模型中的涡粘系数进行修正，得到修正后的考虑局部汽液可压缩性的SST湍流模型；

步骤5、建立质量交换模型；

在流体力学计算软件中采用Lee模型来描述汽液相变过程的质量交换，将质量交换表达式嵌入至步骤3所得的考虑能量方程的多相流体力学控制方程，建立质量交换模型，同时基于该质量交换模型实现汽液两相之间的动量交换和能量交换；

步骤6、嵌入真实物性参数随温度变化关系；

在流体力学计算软件中，将步骤5所得的质量交换模型中汽液两相的物性参数设置为随温度变化的函数关系，实现在数值计算过程中根据温度场对介质的物性参数进行实时更新；所述物性参数包括密度、比热容、导热系数、粘度；

步骤7、定常数值仿真计算；

在流体力学计算软件中进行单相流场计算，获得收敛的单相流场后，将收敛的单相流场作为初始条件，基于步骤3、4、5、6建立的数值计算模型，进行掺混冷凝过程定常数值仿真计算，获得汽液两相流定常计算结果；

步骤8、非定常数值仿真计算；

将所述汽液两相流定常计算结果作为初始条件，基于步骤3、4、5、6建立的数值计算模型，进行非定常数值仿真计算，获得汽液两相流非定常计算结果；

步骤9、对计算结果的后处理；

基于所述汽液两相流定常计算结果获得压力、速度、温度等稳态流场特性分布和汽液两相分布特征，基于所述汽液两相流非定常计算结果获得汽液两相动态演变过程及其它参数演变过程。

进一步地，步骤3.1中，所述考虑能量方程的多相流体力学控制方程具体为：

上式中r

公式1、公式2、公式3分别为控制流体运动的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。

进一步地，所述步骤4具体为：

步骤4.1、在流体力学计算软件中建立考虑局部汽液可压缩性的SST湍流模型，其主要输运方程为：

其中k为流体湍动能，μ

ρ

步骤4.2、基于当地液相体积分数r

其中n为调节系数；

将公式7嵌入至公式4、公式5中得到修正后的考虑汽液局部可压缩性的SST湍流模型。

进一步地，所述步骤5具体为：

在流体力学计算软件中采用Lee模型来描述汽液相变过程的质量交换，表达式如下：

蒸发过程：T≥T

凝结过程：T

其中T

进一步地，步骤4.2中，所述调节系数n取值为3-10；步骤5中，所述经验系数c

进一步地，步骤8中，所述非定常数值仿真计算的非定常时间步不大于1×10

进一步地，步骤3.2中，所述离散格式采用基于有限元的有限体积法确定，所述求解格式采用全隐式多重网格耦合算法确定。

进一步地，步骤7中，所述定常数值仿真计算的收敛条件为：当数值计算残差降至预设残差标准以下，或者监控变量的水平波动幅值低于5％，则认为定常数值仿真计算已经收敛。

进一步地，步骤8中，所述非定常数值仿真计算的收敛条件为：当监控的变量呈现规律的周期性波动时，则认为非定常计算已经收敛。

进一步地，步骤1中，所述建模软件优先采用UG和Proe；步骤2中，划分结构化网格时，所述网格划分软件采用ANSYS ICEM，划分非结构网格时，所述网格划分软件采用ANSYSMesh；步骤3至步骤6中，所述流体力学计算软件采用ANSYS CFX；所述步骤8采用CFD-Post或Tecplot或Origin。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种低温介质直接接触冷凝数值仿真方法，其基于商业软件对拟研究对象进行建模，结合考虑能量方程的多相流体力学控制方程、考虑局部汽液可压缩性的SST湍流模型、模拟两相之间质量交换的Lee模型以及真实物性参数随温度变化关系对低温介质直接接触冷凝过程进行仿真模拟，本发明实现了非定常直接接触冷凝过程的准确预测，能够满足低温液体火箭发动机涡轮预压泵研制需求，同时在包含强热交换直接接触冷凝过程的机械领域都有较好的应用前景，并且成本较低，具有较好的工程可实现性和推广价值。

附图说明

图1为本发明一种低温介质直接接触冷凝数值仿真方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。

参照图1，一种低温介质直接接触冷凝数值仿真方法，包括如下步骤：

步骤1、建立计算域模型；

本实施例中，拟研究对象为低温液体火箭发动机涡轮预压泵下游管路；

利用建模软件建立拟研究对象的三维模型，再利用建模软件的布尔运算功能画出拟研究对象三维模型的几何域，得到计算域模型；所述建模软件优先采用UG；

步骤2、确定边界、划分网格；

将步骤1所得的计算域模型导入网格划分软件，确定计算域模型的边界，即管路的进出口和管壁，再划分结构化网格和非结构网格，得到网格文件；

划分结构化网格时，所述网格划分软件采用ANSYS ICEM，划分非结构网格时，所述网格划分软件采用ANSYS Mesh；

步骤3、建立数值计算模型；

步骤3.1、将步骤2所得的网格文件导入流体力学计算软件，建立考虑能量方程的多相流体力学控制方程，具体如下：

上式中r

公式1、公式2、公式3分别为控制流体运动的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程；

步骤3.2、确定考虑能量方程的多相流体力学控制方程的离散格式采用基于有限元的有限体积法，既保证了守恒特性，又确保了计算的精确性；确定考虑能量方程的多相流体力学控制方程的求解格式采用全隐式多重网格耦合算法，具有稳健的收敛性能和优异的运算速度；

步骤3.3、确定经过步骤3.2处理的考虑能量方程的多相流体力学控制方程的边界条件，所述边界条件包括管路进出口压力、流量、温度、湍流度、相体积分数；

步骤4、建立考虑局部汽液可压缩性的SST湍流模型；

步骤4.1、在流体力学计算软件中建立考虑局部汽液可压缩性的SST(ShearStress Transport)湍流模型，其主要输运方程为：

其中k为流体湍动能，μ

其中涡粘系数μ

ρ

步骤4.2、基于当地液相体积分数r

其中n为调节系数，取n＝10；

将公式7嵌入至步骤4.1的公式4、公式5中得到修正后的考虑汽液局部可压缩性的SST湍流模型；

步骤5、建立质量交换模型；

在流体力学计算软件中采用Lee模型来描述汽液相变过程的质量交换，表达式如下：

蒸发过程：T≥T

凝结过程：T

其中T

步骤6、嵌入真实物性参数随温度变化关系；

在流体力学计算软件中，将步骤5所得的质量交换模型中汽液两相的物性参数设置为随温度变化的函数关系，实现在数值计算过程中根据温度场对介质的物性参数进行实时更新；所述物性参数包括密度、比热容、导热系数、粘度；

具体为：将真实物性参数随温度变化关系以表格的形式嵌入步骤5所得的质量交换模型中，定义汽相入口初始液相体积分数为0，汽相体积分数为1；液相入口初始液相体积分数为1，汽相体积分数为0；

步骤7、定常数值仿真计算；

在流体力学计算软件中进行单相流场计算，获得收敛的单相流场后，将收敛的单相流场作为初始条件，基于步骤3所得的数值计算模型、步骤4所得的考虑汽液局部可压缩性的SST湍流模型、经过步骤6处理的质量交换模型，进行掺混冷凝过程定常数值仿真计算，获得汽液两相流定常计算结果；

当数值计算残差降至预设残差标准以下，或者监控变量的水平波动幅值低于5％，则认为定常数值仿真计算已经收敛；

步骤8、非定常数值仿真计算；

将步骤7所得的汽液两相流定常计算结果作为初始条件，基于步骤3所得的数值计算模型、步骤4所得的考虑汽液局部可压缩性的SST湍流模型、经过步骤6处理的质量交换模型，进行非定常数值仿真计算，获得汽液两相流非定常计算结果；针对非定常计算，时间步长越小，能够捕捉更精细的非定常流场结构，但消耗的计算资源相应增加，考虑到直接接触冷凝过程的复杂性，非定常时间步不大于1×10

当监控变量呈现规律的周期性波动时，则认为非定常数值仿真计算已经收敛；

步骤9、对计算结果的后处理；

对步骤7所得的汽液两相流定常计算结果和步骤8所得的汽液两相流非定常计算结果进行处理，基于汽液两相流定常计算结果获得压力、速度、温度等稳态流场特性分布和汽液两相分布特征，基于汽液两相流非定常计算结果获得汽液两相动态演变过程及其它参数演变过程；处理过程中，针对等值线云图和相应的动画采用CFD-Post，针对折线图、散点图、柱状图等采用Origin。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。