一種離心泵非定常特性的聯(lián)合仿真分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種計(jì)算機(jī)輔助分析離心栗內(nèi)部流場(chǎng)的方法，具體是一種考慮到水機(jī)電共同耦合作用下離心栗轉(zhuǎn)速變化運(yùn)行時(shí)，聯(lián)合兩個(gè)仿真軟件進(jìn)行非定常分析的數(shù)值模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002]離心栗廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)以及航空航天等尖端技術(shù)領(lǐng)域，是一種重要的能量轉(zhuǎn)換和流體輸送裝置。隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，要求對(duì)離心栗進(jìn)行更為準(zhǔn)確的性能預(yù)測(cè)，驗(yàn)證水栗設(shè)計(jì)優(yōu)劣，從而確定下一步的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，最終得到符合設(shè)計(jì)要求的高性能產(chǎn)品。采用有效的方法預(yù)測(cè)離心栗性能，可以獲得精度較高的栗性能預(yù)測(cè)結(jié)果，節(jié)省大量的時(shí)間、人力和財(cái)力，極大地縮短栗的試制周期和減少試制費(fèi)用。
[0003]離心栗內(nèi)部流動(dòng)會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，因此被稱(chēng)為非定常流動(dòng)。本發(fā)明采用的非定常計(jì)算則是對(duì)離心栗內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程瞬時(shí)狀態(tài)的模擬，可較好地還原工程實(shí)際。
[0004]目前預(yù)測(cè)離心栗性能的方法一般采用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，只考慮水力激振力對(duì)栗的影響。但在實(shí)際中，轉(zhuǎn)子軸系力學(xué)特性、電極電磁力矩也是影響栗性能的重要因素。在以上水機(jī)電共同耦合作用下，離心栗運(yùn)行轉(zhuǎn)速是不穩(wěn)定的，而CFD分析中一般將轉(zhuǎn)速設(shè)置為恒定，并且忽略了電機(jī)和轉(zhuǎn)子軸系的重要因素。因此，在分析過(guò)程中應(yīng)當(dāng)全面考慮水機(jī)電耦合作用的影響，以及栗運(yùn)行轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的實(shí)際問(wèn)題。同時(shí)，對(duì)離心栗內(nèi)部流動(dòng)采用非定常模擬方法，可直接反應(yīng)離心栗轉(zhuǎn)速變化的瞬時(shí)過(guò)程。因此本專(zhuān)利基于Fluent/Matlab-Simulink雙向同步交替親合求解模擬轉(zhuǎn)速變化時(shí)離心栗運(yùn)行情況，使模擬的過(guò)程更加符合工程實(shí)際。
[0005]經(jīng)檢索，關(guān)于聯(lián)合仿真方法相關(guān)的申報(bào)專(zhuān)利有:MATLAB自定義模型和PSASP聯(lián)合仿真的勵(lì)磁系統(tǒng)仿真方法及系統(tǒng)，申請(qǐng)?zhí)?CN201410154014.9。一種繼電器用多有限元軟件聯(lián)合仿真分析方法，申請(qǐng)?zhí)?CN200910072311.8。一種離心栗流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲數(shù)值預(yù)測(cè)方法，申請(qǐng)?zhí)?CN201310503029.7。目前這些專(zhuān)利中，還沒(méi)有考慮到離心栗轉(zhuǎn)速變化，以及軸和電機(jī)對(duì)栗運(yùn)行的影響，并且也沒(méi)有關(guān)于栗的聯(lián)合仿真分析方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題:能夠較好地克服傳統(tǒng)計(jì)算方法中未考慮電機(jī)和轉(zhuǎn)軸對(duì)栗內(nèi)部流動(dòng)的影響以及忽視栗運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速變化等缺點(diǎn)。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案:為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種離心栗非定常特性的聯(lián)合仿真分析方法。在離心栗性能試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)流體域建模并設(shè)置計(jì)算邊界條件，采用Pro/E軟件對(duì)流體域進(jìn)行三維造型，且在非定常計(jì)算過(guò)程中，基于TCP/IP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)Matlab和Fluent的數(shù)據(jù)交互從而進(jìn)行聯(lián)合仿真，并采用大渦模擬與有限元相結(jié)合，具體包括以下步驟:
[0008]步驟I)對(duì)模型栗做外特性試驗(yàn)，取得數(shù)值計(jì)算時(shí)所需的邊界條件數(shù)據(jù)；
[0009]步驟2)根據(jù)栗一軸系一電機(jī)模型圖，采用Pro/E軟件對(duì)栗水體進(jìn)行三維造型；
[0010]步驟3)運(yùn)用ICEM軟件對(duì)水體的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)復(fù)雜流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行局部加密；
[0011]步驟4)在Matlab/Simulink中利用軟件自有的豐富的模塊庫(kù)建立軸系——電機(jī)仿真模型，用于Matlab的等步長(zhǎng)計(jì)算。
[0012]步驟5)基于TCP/IP通信協(xié)議，設(shè)計(jì)Fluent用戶(hù)自定義函數(shù)的算法，接收從Matlab發(fā)送而來(lái)的轉(zhuǎn)速并賦值給葉輪上的某點(diǎn)作為該時(shí)間步內(nèi)非定常計(jì)算的初始值，同時(shí)，將計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩發(fā)送給Matlab ；
[0013]步驟6)Fluent用戶(hù)自定義函數(shù)的源程序編寫(xiě)完成后，通過(guò)聯(lián)合Visual Stud1混合編程后生成格式為.dll的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件，即可加載到Fluent用戶(hù)自定義模塊中供計(jì)算前設(shè)置時(shí)使用，F(xiàn)luent設(shè)定為非定常計(jì)算，且每個(gè)時(shí)間步執(zhí)行一次數(shù)據(jù)傳輸和賦值；
[0014]步驟7)基于TCP/IP通信協(xié)議，設(shè)計(jì)Matlab用戶(hù)自定義函數(shù)的算法，接收從FLUENT發(fā)送而來(lái)的轉(zhuǎn)矩并賦值給電機(jī)作為該時(shí)間步內(nèi)非定常計(jì)算的初始值，同時(shí)，將計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速發(fā)送給FLUENT，Matlab設(shè)定為等步長(zhǎng)計(jì)算，且每個(gè)時(shí)間步執(zhí)行一次數(shù)據(jù)傳輸和賦值；
[0015]步驟8)Matlab用戶(hù)自定義函數(shù)的源程序編寫(xiě)完成后，通過(guò)聯(lián)合Visual Stud1混合編程后生成格式為.mexw64的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件，即可加載到Matlab用戶(hù)自定義模塊中供計(jì)算前設(shè)置時(shí)使用；
[0016]步驟9)計(jì)算前先進(jìn)行設(shè)置:湍流模型設(shè)置為大渦模擬，根據(jù)計(jì)算工況邊界條件采用速度進(jìn)口，自由出流，忽略壁面粗糙度，葉輪區(qū)域旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為用戶(hù)自定義函數(shù)，旋轉(zhuǎn)區(qū)域(葉輪水體)和靜止區(qū)域(葉輪與蝸殼間隙水體)的交界面選取滑移網(wǎng)格模型，Matlab與Fluent時(shí)間步長(zhǎng)和迭代次數(shù)均一致，葉輪每旋轉(zhuǎn)2度為一個(gè)時(shí)間步，共旋轉(zhuǎn)60度，仿真開(kāi)始首先啟動(dòng)FLUENT，若仿真結(jié)果與試驗(yàn)值不吻合，則重新執(zhí)行步驟3-5)修改邊界條件并仿真。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
[0018](I)本發(fā)明對(duì)離心栗非定常特性進(jìn)行聯(lián)合仿真分析求解，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可以減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短研發(fā)周期，大大減少設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程中耗費(fèi)的時(shí)間、人力和財(cái)力，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本，有效提高離心栗的設(shè)計(jì)質(zhì)量，得到更加符合設(shè)計(jì)要求的高性能產(chǎn)品。
[0019](2)本發(fā)明考慮到水機(jī)電共同耦合作用的影響，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法未考慮電機(jī)和轉(zhuǎn)軸對(duì)栗內(nèi)部流動(dòng)的影響帶來(lái)的不足，求解得到的栗的非定常特性更符合工程實(shí)際，數(shù)值模擬的結(jié)果更加可靠。
[0020](3)本發(fā)明采用Fluent/Matlab聯(lián)合雙向仿真，Matlab模擬出電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，并傳遞給Fluent計(jì)算出轉(zhuǎn)速變化時(shí)栗的轉(zhuǎn)矩，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)數(shù)值模擬未考慮栗運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，從而精確地計(jì)算出栗的非定常特性。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1栗一軸系一電機(jī)模型圖
[0022]圖2 Fluent用戶(hù)自定義函數(shù)程序流程圖
[0023]圖3 Matlab用戶(hù)自定義函數(shù)程序流程圖
[0024]圖4 FLUENT與Matlab接口實(shí)現(xiàn)示意圖
[0025]圖中，1、水栗基座；2、水栗葉輪；3、水栗進(jìn)口 ；4、水栗蝸殼；5、水栗出口 ；6、軸；7、電機(jī)
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述:
[0027]對(duì)模型栗做外特性試驗(yàn)，取得數(shù)值計(jì)算時(shí)所需的邊界條件數(shù)據(jù)。栗一軸系一電機(jī)模型如圖1所示，其中，圖中I為水栗基座，2為水栗葉輪，3為水栗進(jìn)口，4為水栗蝸殼，5為水栗出口，6為軸，7為電機(jī)，根據(jù)圖1采用Pro/E軟件對(duì)栗水體進(jìn)行三維造型。
[0028]運(yùn)用ICEM軟件對(duì)水體的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)復(fù)雜流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行局部加密。
[0029]基于TCP/IP通信協(xié)議，設(shè)計(jì)Fluent用戶(hù)自定義函數(shù)的算法，其內(nèi)容是C++源程序，編寫(xiě)具有規(guī)定的格式。程序前要包含udf.h頭文件，通過(guò)用戶(hù)自定義函數(shù)規(guī)定的宏命令讀寫(xiě)模型參數(shù)。WinSock通信函數(shù)嵌入在用戶(hù)自定義函數(shù)中，需包含stdafx.h、winsock.h、