本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種RP?3航空煤油空化的數(shù)值模擬方法，并涉及用于減少RP?3航空煤油在工業(yè)領(lǐng)域使用過程中空化所帶來的問題，屬于流體機械工程、多相流和計算流體力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明專利技術(shù)公開的方法，利用空化的數(shù)值模擬結(jié)果指導(dǎo)RP?3航空煤油實際應(yīng)用工況設(shè)計，減少工業(yè)應(yīng)用中空化現(xiàn)象的出現(xiàn)，進而降低RP?3航空煤油在存儲和輸運過程中空化引起的振動、噪聲和材料表面破壞等問題出現(xiàn)。本發(fā)明專利技術(shù)所生成的RP?3航空煤油物理替代模型與真實RP?3航空煤油的已知屬性之間誤差小，可彌補真實RP?3航空煤油的未知物質(zhì)屬性，對認(rèn)識和分析RP?3航空煤油的空化特性具有重要的現(xiàn)實意義。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種RP-3航空煤油空化的數(shù)值模擬方法
本專利技術(shù)涉及一種RP-3航空煤油空化的數(shù)值模擬方法，并涉及用于減少RP-3航空煤油在工業(yè)領(lǐng)域使用過程中空化所帶來的問題，屬于流體機械工程、多相流和計算流體力學(xué)
技術(shù)介紹
當(dāng)一定溫度的液體內(nèi)部局部壓力降低到液體飽和蒸汽壓時，會產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，同時溶解于液體中的氣體也會析出，形成汽泡(又稱空泡、空穴)，當(dāng)汽泡隨液流運動到壓力較高的地方后，泡內(nèi)的蒸汽重新凝結(jié)，汽泡潰滅。這種液流內(nèi)的空泡產(chǎn)生、發(fā)展、潰滅的過程，以及由此產(chǎn)生的一系列物理和化學(xué)變化過程稱為空化。空化的發(fā)生往往會導(dǎo)致機器效率下降并引起振動、噪聲和材料表面破壞等問題，造成水力機械運行的非穩(wěn)定性和葉片的疲勞破壞，嚴(yán)重時會使機器不能正常工作。空化問題一直是流體機械工程和多相流領(lǐng)域的關(guān)鍵核心問題，由于空化現(xiàn)象的復(fù)雜性，數(shù)值模擬方法一直是空化研究的主要手段之一。目前，許多計算流體力學(xué)(CFD)軟件都可以實現(xiàn)常規(guī)流體的空化數(shù)值模擬，應(yīng)用較為廣泛。然而，煤油是一種成分十分復(fù)雜的混合物，煤油的組成成分諸多且多為碳氫類化合物，其物質(zhì)屬性因生產(chǎn)產(chǎn)地、生產(chǎn)時間和生產(chǎn)工藝而異。空化數(shù)值模擬需要流體介質(zhì)液相和汽相的諸多物質(zhì)屬性，對于RP-3航空煤油，其液相和汽相的物質(zhì)屬性只有部分是已知的，則無法直接通過計算流體力學(xué)軟件進行煤油空化的數(shù)值模擬。因此，建立一種能夠?qū)崿F(xiàn)RP-3航空煤油空化的數(shù)值模擬方法，以實現(xiàn)RP-3航空煤油在整個溫度范圍內(nèi)的空化數(shù)值模擬，具有重要的現(xiàn)實意義。現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)手段包括：美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的Supertrapp物性分析軟件可獲取常規(guī)碳氫化合物的各類物質(zhì)屬性(ElyJF,HuberML.NISTstandardreferencedatebase4-NISTthermophysicalpropertiesofhydrocarbonmixtures[M].NationalInst.Ofstandards,Gaithersburg,MD,1990.)；在“GroupeEuropéendeRecherchesGazières”支持下Kunz等在2007年提出GERG-2004方程，該方程基于多流體近似理論以無量綱Helmholtz自由能方程形式表示，可實現(xiàn)混合物的構(gòu)建(KunzO,KlimeckR,WagnerW,etal.TheGERG-2004Wide-RangeEquationofStateforNaturalGasesandOtherMixtures.Fortschr.-Ber.VDI,Reihe6,Nr.557,VDIVerlag:Düsseldorf,2007.)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題是在以給定溫度下流體介質(zhì)液相和汽相的物質(zhì)屬性作為數(shù)據(jù)支撐的條件下實現(xiàn)RP-3航空煤油空化的數(shù)值模擬，并利用空化的數(shù)值模擬結(jié)果減少工業(yè)應(yīng)用中空化現(xiàn)象的出現(xiàn)，進而降低RP-3航空煤油在存儲和輸運過程中空化引起的振動、噪聲和材料表面破壞等問題。本專利技術(shù)公開的一種RP-3航空煤油空化的數(shù)值模擬方法可提高空化模擬精度，實現(xiàn)實際工業(yè)應(yīng)用RP-3航空煤油空化過程的精細化模擬。所述的流體介質(zhì)液相和汽相的物質(zhì)屬性包括：摩爾質(zhì)量、密度、比熱容、飽和蒸汽壓、比焓、粘度、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)。本專利技術(shù)的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。本專利技術(shù)公開的一種RP-3航空煤油空化的數(shù)值模擬方法，具體步驟包括：步驟一：提供RP-3航空煤油物理替代模型的配方，各成分的摩爾百分比為：正十二烷：52～58％癸烷：28～32％辛烷：1～3％甲基環(huán)己烷：1～5％甲苯：8～12％步驟二：采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的Supertrapp物性分析軟件獲取RP-3航空煤油物理替代模型配方的各成分(純物質(zhì))的各類物質(zhì)屬性。步驟三：采用GERG-2004方程將各成分(純物質(zhì))混合為一種新的虛擬物質(zhì)，實現(xiàn)所述虛擬物質(zhì)的屬性盡可能逼近真實RP-3航空煤油的屬性，用來代表RP-3航空煤油混合物，所述虛擬物質(zhì)具有完整的物質(zhì)屬性數(shù)據(jù)，所述虛擬物質(zhì)即為RP-3航空煤油物理替代模型。GERG-2004方程的基本結(jié)構(gòu)形式為：α(δ,τ,x)＝α0(ρ,T,x)+αr(δ,τ,x)(1)其中下標(biāo)a,b分別表示兩組分，多組分時則依次類推，下標(biāo)0和r分別初始量和相對量，上標(biāo)0和r分別表示理想項和余項，α0為Helmholtz自由能方程的理想項，αr為余項，δ為對比密度，τ為對比溫度，F(xiàn)ab為調(diào)節(jié)因子，ρr(x)和Tr(x)分別為混合物的密度和溫度函數(shù)，x為各組分所占混合物的摩爾分?jǐn)?shù)。利用上述方程組可以通過由無量綱Helmholtz自由能方程偏微分求解得到混合物的物質(zhì)屬性。如壓力p的求解可由公式(6)和公式(7)得到：步驟四：將RP-3航空煤油物理替代模型的物質(zhì)屬性導(dǎo)入商用CFD軟件材料庫或自編CFD程序，定義為一種新的流體介質(zhì)，分別設(shè)置液相和汽相數(shù)據(jù)。步驟五：根據(jù)實際應(yīng)用情況采用三維造型軟件進行流場區(qū)域的建模，采用網(wǎng)格劃分軟件進行網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入商用CFD軟件或自編CFD程序。步驟六：根據(jù)實際應(yīng)用情況對計算流域的邊界條件和初始化條件進行設(shè)置。步驟七：采用基于有限元的有限體積法對方程組進行離散，其中對流項采用高精度差分格式，其他項采用中心差分格式，對方程組的求解采用全隱式耦合技術(shù)。求解方程組包括：連續(xù)性方程：動量方程：能量方程：質(zhì)量守恒方程：蒸發(fā)源項：凝結(jié)源項：湍流動能k方程：湍流動能耗散率ε方程：湍流粘性：其中，ρm＝ρlαl+ρv(1-αl)，u和p分別為混合相的密度、速度和壓強，μ和μt分別為混合介質(zhì)的層流和湍流動力粘度,fv為氮蒸汽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，L為汽化潛熱，PrL和Prt分別為層流和湍流的普朗特數(shù)，h為焓，αl液相體積分?jǐn)?shù)，能量方程中最后一項為能量源項。分別為凝結(jié)和蒸發(fā)源項，下標(biāo)i和j分別代表坐標(biāo)方向，下標(biāo)m,l和v分別代表混合相，液相和汽相。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型實現(xiàn)了方程組的封閉。求解器計算達到給定的精度要求后求解停止，通過相應(yīng)的后處理即可獲得RP-3航空煤油在給定的幾何和邊界條件下的空化流動情況。以給定溫度下流體介質(zhì)液相和汽相的物質(zhì)屬性作為數(shù)據(jù)支撐的條件下實現(xiàn)RP-3航空煤油空化的數(shù)值模擬。步驟八：利用步驟一至七所述的一種RP-3航空煤油空化的數(shù)值模擬方法的模擬結(jié)果指導(dǎo)RP-3航空煤油實際應(yīng)用工況設(shè)計，改變RP-3航空煤油實際運行工況，減少工業(yè)應(yīng)用中空化現(xiàn)象的出現(xiàn)，進而降低RP-3航空煤油在存儲和輸運過程中空化引起的振動、噪聲和材料表面破壞等問題出現(xiàn)。所述的改變RP-3航空煤油實際運行工況主要指改變運輸和存儲的結(jié)構(gòu)，以及實際運行的溫度、速度和壓力。有益效果：1、本專利技術(shù)的一種RP-3航空煤油空化的數(shù)值模擬方法，所生成的RP-3航空煤油物理替代模型與真實RP-3航空煤油的已知屬性之間誤差小，可彌補真實RP-3航空煤油的未知物質(zhì)屬性。2、本專利技術(shù)的一種RP-3航空煤油空化的數(shù)值模擬方法，能夠?qū)崿F(xiàn)RP-3航空煤油在整個溫度范圍內(nèi)的空化數(shù)值模擬，對認(rèn)識和分析RP-3航空煤油的空化特性具有重要的現(xiàn)實意義。3、本專利技術(shù)的一種RP-3航空煤油空化的數(shù)值模擬方法，能夠用于煤油存儲、煤油運輸、煤油泵供油、煤油噴射過程中RP-3航空煤油無空化本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
一種RP?3航空煤油空化的數(shù)值模擬方法，其特征在于：具體步驟包括：步驟一：提供RP?3航空煤油物理替代模型的配方，各成分的摩爾百分比為：正十二烷：52～58％癸烷：28～32％辛烷：1～3％甲基環(huán)己烷：1～5％甲苯：8～12％步驟二：采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的Supertrapp物性分析軟件獲取RP?3航空煤油物理替代模型配方的各成分(純物質(zhì))的各類物質(zhì)屬性；步驟三：采用GERG?2004方程將各成分(純物質(zhì))混合為一種新的虛擬物質(zhì)，實現(xiàn)所述虛擬物質(zhì)的屬性盡可能逼近真實RP?3航空煤油的屬性，用來代表RP?3航空煤油混合物，所述虛擬物質(zhì)具有完整的物質(zhì)屬性數(shù)據(jù)，所述虛擬物質(zhì)即為RP?3航空煤油物理替代模型，其基本結(jié)構(gòu)形式可以表示為：α(δ,τ,x)＝α0(ρ,T,x)+αr(δ,τ,x)???????????????????????(1)α0(ρ,T,x)=Σa=1Nxa(α0a0(ρ,T)+lnxa)---(2)]]>αr(δ,τ,x)=Σa=1Nxaα0ar(δ,τ)+Σa=1N-1Σb=a+1NxaxbFabαabr(δ,τ)]]>δ=ρρr(x)---(4)]]>τ=Tr(x)T---(5)]]>其中下標(biāo)a,b分別表示兩組分，多組分時則依次類推，下標(biāo)0和r分別初始量和相對量，上標(biāo)0和r分別表示理想項和余項，α0為Helmholtz自由能方程的理想項，αr為余項，δ為對比密度，τ為對比溫度，F(xiàn)ab為調(diào)節(jié)因子，ρr(x)和Tr(x)分別為混合物的密度和溫度函數(shù)，x為各組分所占混合物的摩爾分?jǐn)?shù)；利用上述方程組可以通過由無量綱Helmholtz自由能方程偏微分求解得到混合物的物質(zhì)屬性；如壓力p的求解可由公式(6)和公式(7)得到：p(δ,τ,x)ρRT=1+δαδr---(6)]]>αδr=(∂αr∂δ)τ,x---(7)]]>步驟四：將RP?3航空煤油物理替代模型的物質(zhì)屬性導(dǎo)入商用CFD軟件材料庫或自編CFD程序，定義為一種新的流體介質(zhì)，分別設(shè)置液相和汽相數(shù)據(jù)；步驟五：根據(jù)實際應(yīng)用情況采用三維造型軟件進行流場區(qū)域的建模，采用網(wǎng)格劃分軟件進行網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入商用CFD軟件或自編CFD程序；步驟六：根據(jù)實際應(yīng)用情況對計算流域的邊界條件和初始化條件進行設(shè)置；步驟七：采用基于有限元的有限體積法對方程組進行離散，其中對流項采用高精度差分格式，其他項采用中心差分格式，對方程組的求解采用全隱式耦合技術(shù)；求解方程組包括：連續(xù)性方程：∂ρm∂t+∂(ρmuj)∂xj=0---(8)]]>動量方程：∂(ρmui)∂t+∂(ρmuiuj)∂xj=-∂p∂xi+∂∂xj[(μ+μt)(∂ui∂xj+∂uj∂xi-23∂ui∂xjδij)---(9)]]>能量方程：∂∂t(ρmCpT)+∂∂xj(ρmujCpT)=∂∂xj[(μPrL+μtPrt)∂h∂xj]-{∂∂t[ρm(fvL)]+∂∂xj[ρmuj(fvL)]}---(10)]]>質(zhì)量守恒方程：∂ρ1α1∂t+∂(ρ1α1uj)∂xj=m.++m.----(11)]]>蒸發(fā)源項：m.+=Fe3αnuc(1-αv)ρvRB23|Pv-Pρl---(12)]]>凝結(jié)源項：m.-=Fc3αvρvRB23|Pv-P|ρl---(13)]]>湍流動能k方程：d(ρk)dt=Pt-ρ&ep...
【技術(shù)特征摘要】
1.一種RP-3航空煤油空化的數(shù)值模擬方法，其特征在于：具體步驟包括：步驟一：提供RP-3航空煤油物理替代模型的配方，各成分的摩爾百分比為：正十二烷：52～58％癸烷：28～32％辛烷：1～3％甲基環(huán)己烷：1～5％甲苯：8～12％步驟二：采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的Supertrapp物性分析軟件獲取RP-3航空煤油物理替代模型配方的各成分的各類物質(zhì)屬性；步驟三：采用GERG-2004方程將各成分混合為一種新的虛擬物質(zhì)，實現(xiàn)所述虛擬物質(zhì)的屬性盡可能逼近真實RP-3航空煤油的屬性，用來代表RP-3航空煤油混合物，所述虛擬物質(zhì)具有完整的物質(zhì)屬性數(shù)據(jù)，所述虛擬物質(zhì)即為RP-3航空煤油物理替代模型，其基本結(jié)構(gòu)形式可以表示為：α(δ,τ,x)＝α0(ρ,T,x)+αr(δ,τ,x)(1)其中下標(biāo)a,b分別表示兩組分，多組分時則依次類推，下標(biāo)0和r分別表示初始量和相對量，上標(biāo)0和r分別表示理想項和余項，α0為Helmholtz自由能方程的理想項，αr為余項，δ為對比密度，τ為對比溫度，F(xiàn)ab為調(diào)節(jié)因子，ρ和T分別為各組分所對應(yīng)的密度和溫度，N為組分的種類個數(shù)，ρr(x)和Tr(x)分別為混合物的密度和溫度函數(shù)，x為各組分所占混合物的摩爾分?jǐn)?shù)；利用上述方程組可以通過由無量綱Helmholtz自由能方程偏微分求解得到混合物的物質(zhì)屬性；如壓強p的求解可由公式(6)和公式(7)得到：上式中，R為各組分所對應(yīng)的氣體常數(shù)；步驟四：將RP-3航空煤油物理替代模型的物質(zhì)屬性導(dǎo)入商用CFD軟件材料庫或自編CFD程序，定義為一種新的流體介質(zhì)，分別設(shè)置液相和汽相數(shù)據(jù)；步驟五：采用三維造型軟件進行流場區(qū)域的建模，采用網(wǎng)格劃分軟件進行網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入商用CFD軟件或自編CFD程序；步驟六：對計算流域的邊界條件和初始化條件進行設(shè)置；步驟七：采用基于有限元的有限體積法對方程組進行離散，其中對流項采用高精度差分格式，其他項采用中心差分格式，對方程組的求解采用全隱式耦合技術(shù)；求解方程組包括：連續(xù)性方程：
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王國玉，陳泰然，黃彪，李達欽，顧玲燕，孫華偉，李述林，
申請(專利權(quán))人：北京理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11
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