CN116522740B - 一种发动机喷嘴的油气界面捕捉方法、装置、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发动机喷嘴的油气界面捕捉方法、装置、设备及介质,应用于两相流计算技术领域,包括针对与发动机喷嘴对应的非结构四面体网格中的每个格点,将格点作为中心构建对应的控制体,计算控制体的参数信息;针对每个格点,基于格点对应的控制体的参数信息、格点在当前时刻的速度、压力及体积分数计算出格点在下一时刻的速度、压力和体积分数;判断累积时间是否达到预设计算时间,若否则将下一时刻作为当前时刻,并返回上一步,直至累积时间达到预设计算时间;若是则基于每个格点在每个时刻的速度、压力和体积分数得到油气界面。基于同位网格将喷嘴雾化模拟中的流场变量速度和压力贮存在格点上,节省存储资源,降低内存消耗和计算复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及两相流计算技术领域,特别是涉及一种发动机喷嘴的油气界面捕捉方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。
背景技术
航空发动机燃烧室的燃烧效率是决定发动机推力大小的关键因素,喷嘴的雾化效果对燃烧具有重要的影响,因而喷嘴的雾化研究对航空发动机的设计有重要的参考价值。数值模拟手段可以很好的呈现喷嘴的雾化界面演变过程,为实验研究提供基础,节约研究成本,缩短研发周期。
喷嘴的雾化过程是一个典型的两相流问题,当前的两相流数值模拟研究存在以下几个问题:一、学者们为了保证算法的精度,基于结构网格开展研究,但在工程实际中喷嘴几何结构复杂,划分结构网格工作量大且其质量难以得到保证,而非结构网格以其更容易生成且能很好的贴合工程模型,具有更广阔的应用前景;二、学者们的研究更多基于低密度比的两相流展开,少有将其和工程实际相结合,这导致很多学者研究的方法,仅适用于两相密度比比较低的计算,在计算高密度比的时候会产生虚假流动甚至出现发散的情况,难于将其用于航空发动机的喷嘴雾化模拟;三、少量基于非结构网格的算法采用的是交错网格,即将压力和速度分别贮存在网格中心和网格面上,以规避同位网格带来的压力速度失偶问题,同时也带来较大计算内存消耗以及大量的插值带来的编程复杂度。因此开展基于非结构同位网格的喷嘴内流数值模拟,对于航空发动机设计工作具有重要的意义。
鉴于此,如何提供一种解决上述技术问题的发动机喷嘴的油气界面捕捉方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质成为本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种发动机喷嘴的油气界面捕捉方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质,在使用过程中节省存储资源,降低内存消耗和计算复杂度。
为解决上述技术问题,本发明实施例提供了一种发动机喷嘴的油气界面捕捉方法,包括:
针对与发动机喷嘴对应的非结构四面体网格中的每个格点,将所述格点作为中心构建对应的控制体,并计算所述控制体的参数信息;
针对每个所述格点,基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在当前时刻的速度、压力及体积分数计算出所述格点在下一时刻的速度、压力和体积分数;
判断累积时间是否达到预设计算时间,若否,则将所述下一时刻作为当前时刻,并返回上一步,直至所述累积时间达到所述预设计算时间;若是,则基于每个所述格点在每个时刻的速度、压力和体积分数得到油气界面。
可选的,在所述针对与发动机喷嘴对应的非结构四面体网格中的每个格点,将所述格点作为中心构建对应的控制体之前,还包括:
针对发动机喷嘴,建立发动机喷嘴几何模型;
对所述发动机喷嘴几何模型进行网格离散,得到非结构四面体网格。
可选的,所述针对每个所述格点,基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在当前时刻的速度、压力及体积分数计算出所述格点在下一时刻的速度、压力和体积分数,包括:
针对每个所述格点,基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在当前时刻的速度及体积分数计算下一时刻的体积分数;
基于所述格点在下一时刻的体积分数计算出所述格点在下一时刻的流场物性参数;
基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在下一时刻的体积分数计算出动量方程源项;
基于所有格点各自在当前时刻的速度、压力和物性参数以及下一时刻的物性参数、动量方程源项,计算得到下一时刻每个所述格点各自对应的速度和压力。
可选的,所述基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在当前时刻的速度及体积分数计算下一时刻的体积分数,包括:
基于所述格点对应的控制体的体积、当前时刻各控制面面积、各控制面速度、各控制面体积分数及所述格点在当前时刻的体积分数,采用四阶龙格库塔推进方式对体积分数计算关系式进行推进,得到所述格点在下一时刻的体积分数;所述体积分数计算关系式为:
,其中,/>表示第i个格点在第n+1时刻的体积分数,/>表示第i个格点在第n时刻的体积分数,/>表示时间步长,/>表示第i个格点对应的控制体的体积,/>表示格点周围的第e个控制面在第n时刻的体积分数,/>表示格点周围的第e个控制面在第n时刻的速度矢量,/>表示格点周围的第e个控制面的面积矢量,m为第i个格点周围的控制面的数量。
可选的,所述物性参数包括格点密度、格点动力粘度、各控制面的密度和动力粘度。
可选的,所述基于所述格点在下一时刻的体积分数计算出所述格点在下一时刻的流场物性参数,包括:
根据所述格点在下一时刻的体积分数结合格点密度计算关系式得到所述格点在下一时刻的格点密度;所述格点密度计算关系式为:
,其中,/>表示第i个格点在第n+1时刻的格点密度,/>表示燃油密度,/>表示空气密度;
根据所述格点在下一时刻的体积分数结合格点动力粘度计算关系式得到所述格点在下一时刻的格点动力粘度;所述格点动力粘度计算关系式为:
,其中,/>表示第i个格点在第n+1时刻的格点动力粘度,/>表示燃油的动力粘度,/>表示汽油的动力粘度;
根据所述格点在下一时刻的体积分数结合控制面密度计算关系式得到所述格点在下一时刻的控制面密度;所述控制面密度计算关系式为:
,其中,/>表示格点周围第e个控制面的控制面密度,/>表示第j个格点在第n+1时刻的格点密度,所述第i个格点和所述第j个格点连接的边经过所述第e个控制面;
根据所述格点在下一时刻的体积分数结合控制面动力粘度计算关系式得到所述格点在下一时刻的控制面动力粘度;所述控制面动力粘度计算关系式为:
,其中,/>表示格点周围第e个控制面的控制面密度,表示第j个格点在第n+1时刻的格点动力粘度。
可选的,所述基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在下一时刻的体积分数计算出动量方程源项,包括:
基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在下一时刻的体积分数结合动量方程源项计算关系式,得出格点在下一时刻的体积分数计算出动量方程源项,其中,所述动量方程源项计算关系式为:
,其中,/>表示动量方程源项,表示重力加速度矢量,/>表示表面张力系数,/>表示第i个格点在第n+1时刻的体积分数梯度。
可选的,所述基于所有格点各自在当前时刻的速度、压力和物性参数以及下一时刻的物性参数、动量方程源项,计算得到下一时刻每个所述格点各自对应的速度和压力,包括:
针对每个所述格点,基于所述格点对应的控制体参数、在当前时刻的速度、压力、物性参数以及下一时刻的物性参数、动量方程源项结合半离散格式的两相流动量控制方程,得到下一时刻的预估速度场;
基于所述格点在下一时刻的预估速度场及相关格点在下一时刻的预估速度场,计算与所述格点和所述相关格点对应的控制面的体积通量;
基于所述体积通量对所述预估速度场和压力进行校正,得到校正后的速度和压力;
判断校正后的速度和压力是否收敛,在收敛的情况下,将所述校准后的速度和压力作为所述格点在下一时刻的速度和压力。
本发明实施例还提供了一种发动机喷嘴的油气界面捕捉装置,包括:
构建模块,用于针对与发动机喷嘴对应的非结构四面体网格中的每个格点,将所述格点作为中心构建对应的控制体;并计算所述控制体的参数信息;
计算模块,用于针对每个所述格点,基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在当前时刻的速度、压力及体积分数计算出所述格点在下一时刻的速度、压力和体积分数;
判断模块,用于判断累积时间是否达到预设计算时间,若否,则触发所述计算模块进入下一个时间步的计算;若是,则触发生成模块;
所述生成模块,用于基于每个所述格点在每个时刻的速度、压力和体积分数得到油气界面。
本发明实施例还提供了一种电子设备,包括:
存储器,用于存储计算机程序;
处理器,用于执行所述计算机程序时实现如上述所述发动机喷嘴的油气界面捕捉方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述发动机喷嘴的油气界面捕捉方法的步骤。
本发明实施例中提供了一种发动机喷嘴的油气界面捕捉方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质,包括:针对与发动机喷嘴对应的非结构四面体网格中的每个格点,将格点作为中心构建对应的控制体,并计算控制体的参数信息;针对每个格点,基于格点对应的控制体的参数信息、格点在当前时刻的速度、压力及体积分数计算出格点在下一时刻的速度、压力和体积分数;判断累积时间是否达到预设计算时间,若否,则将下一时刻作为当前时刻,并返回上一步,直至累积时间达到预设计算时间;若是,则基于每个格点在每个时刻的速度、压力和体积分数得到油气界面。
可见,本发明实施例中针对发动机喷嘴的非结构四面体网格中的每个格点,构建以格点为中心的控制体并计算出控制体的参数信息,然后再针对每个格点,根据相应控制体的参数信息、格点在当前时刻的速度、压力和体积分数计算出下一时刻的速度、压力和体积分数,直至累积时间达到预设计算时间,从而得到每个时刻每个格点的速度、压力和体积分数,然后再基于得到的所有数据确定出油气界面,实现对油气界面的捕捉;本发明基于同位网格,将喷嘴雾化模拟中的流场变量速度和压力贮存在格点上,节省存储资源,降低内存消耗和计算复杂度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种发动机喷嘴的油气界面捕捉方法的流程示意图;
图2为本发明实施例提供的一种发动机喷嘴几何模型示意图;
图3为本发明实施例提供的一种非结构四面体网格示意图;
图4为本发明实施例提供的一种以格点为中心的控制体示意图;
图5为本发明实施例提供的一种初始给定的体积分数分布图;
图6为本发明实施例提供的一种可视化的喷嘴体积分数分布示意图;
图7为本发明实施例提供的另一种发动机喷嘴的油气界面捕捉方法的流程示意图;
图8为本发明实施例提供的一种发动机喷嘴的油气界面捕捉装置的结构示意图;
图9为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种发动机喷嘴的油气界面捕捉方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质,在使用过程中节省存储资源,降低内存消耗和计算复杂度。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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。
请参照图1,图1为本发明实施例提供的一种发动机喷嘴的油气界面捕捉方法的流程示意图。该方法包括:
S110:针对与发动机喷嘴对应的非结构四面体网格中的每个格点,将格点作为中心构建对应的控制体,并计算控制体的参数信息;
需要说明的是,在实际应用中可以先针对发动机喷嘴(例如航空发动机喷嘴),建立发动机喷嘴几何模型(如图2所示),并对发动机喷嘴几何模型进行网格离散,得到非结构四面体网格(如图3所示),该非结构四面体网格包括多个格点,针对每个格点,以该格点为中心构建对应的控制体(如图4所示),然后计算出控制体的参数信息。
具体的,如图4所示的网格为非结构四面体网格,非结构四面体网格的四个格点分别为i,j,l,k,基于格点法的控制体是通过以格点为中心构造出的虚拟网格得到,即通过连接原始网格边的中点,原始网格面的面心,原始网格单元的体心,形成一个三角形,有限个三角形形成图4中左上角的控制面,格点周围的控制面闭合形成控制体。控制体的参数信息包括控制面的面积矢量,体积,边矢量等,其中,控制面的面积矢量通过所有的三角形面积矢量加和得到。控制体的体积/>通过控制面面积矢量/>和边矢量/>叉乘得到。
S120:针对每个格点,基于格点对应的控制体的参数信息、格点在当前时刻的速度、压力及体积分数计算出格点在下一时刻的速度、压力和体积分数;
具体的,在实际应用中针对每个格点,在初始时刻给定对应的初始速度、初始压力、初始体积分数。例如针对初始时刻可以给定如图5所示的体积分数初始分布,即在入口计算域附近给定部分区域体积分数为1.0,其余计算域上体积分数为0,并且可以将全局的速度设定为0,即,其中,/>,/>,/>分别为x,y,z三个坐标方向的速度分量,初始压力可以设定/>。如图3所示的入口边界条件为速度入口,即给定入口上的/>,压力默认为/>,出口的边界为压力出口,即给定出口上的压力/>,速度不指定。然后在随着时间步的推进计算出格点在下一时刻的速度、压力和体积分数。
S130:判断累积时间是否达到预设计算时间,若否,则进入S140;若是,则进入S150;
具体的,在针对每个格点均计算出下一时刻的速度、压力和体积分数后,进一步判断至下一时刻的整体累积时间是否达到了预设计算时间,若达到了直接进入S150;若未达到,则进入S140。
S140:将下一时刻作为当前时刻,并返回执行S110,直至累积时间达到预设计算时间;
具体的,在累积时间未达到了预设的计算时间的情况下,则返回执行S110并进行下一个时间步的计算,直至累积时间达到预设计算时间,得到每个格点在每个时刻的速度、压力和体积分数。
S150:基于每个格点在每个时刻的速度、压力和体积分数得到油气界面。
具体的,在得到每个格点在每个时刻的速度、压力和体积分数后,可以将所有的数据进行显示处理,以通过显示压力,速度分布和体积分数的等值面的方式,可视化喷嘴内部的流场参数以及界面演变,从而确定出油气界面,以用于分析喷嘴的雾化性能。其中,可视化的喷嘴体积分数分布图如图6所示。
由上述可知,本发明实施例中针对发动机喷嘴的非结构四面体网格中的每个格点,构建以格点为中心的控制体并计算出控制体的参数信息,然后再针对每个格点,根据相应控制体的参数信息、格点在当前时刻的速度、压力和体积分数计算出下一时刻的速度、压力和体积分数,直至累积时间达到预设计算时间,从而得到每个时刻每个格点的速度、压力和体积分数,然后再基于得到的所有数据确定出油气界面,实现对油气界面的捕捉;本发明基于同位网格,将喷嘴雾化模拟中的流场变量速度和压力贮存在格点上,节省存储资源,降低内存消耗和计算复杂度。
进一步的,请参照图7,上述S120中针对每个格点,基于格点对应的控制体的参数信息、格点在当前时刻的速度、压力及体积分数计算出格点在下一时刻的速度、压力和体积分数的过程,具体可以包括:
S210:针对每个格点,基于格点对应的控制体的参数信息、格点在当前时刻的速度及体积分数计算下一时刻的体积分数;
具体的,基于格点对应的控制体的体积、当前时刻各控制面面积、各控制面速度、各控制面体积分数及格点在当前时刻的体积分数,采用四阶龙格库塔推进方式对体积分数计算关系式进行推进,得到格点在下一时刻的体积分数;体积分数计算关系式为:
,其中,/>表示第i个格点在第n+1时刻的体积分数,/>表示第i个格点在第n时刻的体积分数,/>表示时间步长,/>表示第i个格点对应的控制体的体积,/>表示格点周围的第e个控制面在第n时刻的体积分数,/>表示格点周围的第e个控制面在第n时刻的速度矢量,/>表示格点周围的第e个控制面的面积矢量,m为第i个格点周围的控制面的数量。
需要说明的是,控制面上的体积分数具体的采用基于NVD(归一化变量表)格式的CICSAM(Compressiv Interface Capturing Scheme Arbitrary Mesh)方法构造。本发明实施例中采用四阶龙格库塔推进方式对体积分数计算关系式进行推进,得到格点在下一时刻的体积分数的过程可以包括:
根据上式进行四阶推进得到格点在下一时刻的体积分数,上式中的表示计算过程中的中间变量,其中,可以基于/>采用NVD格式的CICSAM方法得到/>,基于/>采用NVD格式的CICSAM方法得到/>,基于/>采用NVD格式的CICSAM方法得到/>,基于/>采用NVD格式的CICSAM方法得到/>。
S220:基于格点在下一时刻的体积分数计算出格点在下一时刻的流场物性参数;
具体的,本发明实施例中的物性参数包括格点密度、格点动力粘度、各控制面的密度和动力粘度。
上述基于格点在下一时刻的体积分数计算出格点在下一时刻的流场物性参数的过程,具体可以包括:
根据格点在下一时刻的体积分数结合格点密度计算关系式得到格点在下一时刻的格点密度;格点密度计算关系式为:
,其中,/>表示第i个格点在第n+1时刻的格点密度,/>表示燃油密度,/>表示空气密度;
根据格点在下一时刻的体积分数结合格点动力粘度计算关系式得到格点在下一时刻的格点动力粘度;格点动力粘度计算关系式为:
,其中,/>表示第i个格点在第n+1时刻的格点动力粘度,/>表示燃油的动力粘度,/>表示汽油的动力粘度;
根据格点在下一时刻的体积分数结合控制面密度计算关系式得到格点在下一时刻的控制面密度;控制面密度计算关系式为:
,其中,/>表示格点周围第e个控制面的控制面密度,/>表示第j个格点在第n+1时刻的格点密度,所述第i个格点和所述第j个格点连接的边经过所述第e个控制面;
根据格点在下一时刻的体积分数结合控制面动力粘度计算关系式得到格点在下一时刻的控制面动力粘度;控制面动力粘度计算关系式为:
,其中,/>表示格点周围第e个控制面的控制面密度,/>表示第j个格点在第n+1时刻的格点动力粘度。
另外,控制面的压力可以采用密度加权法处理法得到,具体如下:
其中,,/>,/>表示连接第/>个格点和第/>个格点的边(也可以称为控制面)上的密度和动力粘度和压力,其中格点和控制面的关系如图4所示。
S230:基于格点对应的控制体的参数信息、格点在下一时刻的体积分数计算出动量方程源项;
具体的,基于格点对应的控制体的参数信息、格点在下一时刻的体积分数结合动量方程源项计算关系式,得出格点在下一时刻的体积分数计算出动量方程源项,其中,动量方程源项计算关系式为:
,其中,/>表示动量方程源项,/>表示重力加速度矢量,/>表示表面张力系数,/>表示第i个格点在第n+1时刻的体积分数梯度。
S240:基于所有格点各自在当前时刻的速度、压力和物性参数以及下一时刻的物性参数、动量方程源项,计算得到下一时刻每个格点各自对应的速度和压力。
具体的,可以先针对每个格点,基于格点对应的控制体参数、在当前时刻的速度、压力、物性参数以及下一时刻的物性参数、动量方程源项结合半离散格式的两相流动量控制方程,得到下一时刻的预估速度场;
具体的,可以通过下式半离散格式的两相流动量控制方程,获得预估的速度场;
其中,为通用速度变量,表示笛卡尔坐标系下/>方向的速度分量/>,速度变量/>和压力p组合得到流场通用变量/>,第n时刻的流场通用变量为/>,第n+1时刻的流场通用变量为/>,当前迭代步记为/>,/>表示对格点上的控制体体积进行积分,表示被积分变量,/>表示积分控制体密度,/>表示积分控制体速度矢量,/>表示求变量的散度,/>表示扩散系数,/>表示控制体的压力梯度,/>为动量方程源项。
基于格点在下一时刻的预估速度场及相关格点在下一时刻的预估速度场,计算与格点和相关格点对应的控制面的体积通量;
具体的,通过求解得到的预估的速度,带入到由动量方程导出的动量插值方法DDFME(Derived Directly From The momentum Equation动量方程直导式),求解获得控制面上的体积通量,具体可以采用下述体积通量计算关系式计算体积通量,其中,体积通量计算关系式为:
其中,表示控制面e在n+1时刻的体积通量,/>表示控制面n+1时刻的速度矢量,/>表示第i个格点的预测速度,/>表示第j个格点的预测速度,/>表示第i个格点和第j个格点连接矢量/>和控制面矢量/>夹角的余弦值,/>表示与动量方程矩阵系数有关的量,/>表示第j个格点上的压力,/>表示第i个格点上的压力,/>表示第i个格点与第j个格点的连接矢量,/>表示第i个格点上的压力,/>表示第j个格点上的压力,/>表示第i个格点与第j个格点连接线的单位向量,/>表示控制面e的曲率,/>表示第i个格点的曲率,/>表示第j个格点的曲率, />表示控制面e在n时刻的速度矢量,/>表示第i个格点在n时刻的速度矢量,/>表示第j个格点在n时刻的速度矢量,/>表示第i个格点的重力源项,/>表示第j个格点的重力源项。
,其中,/>表示控制面两侧格点的/>平均值,/>,表示控制面密度,/>表示动量方程离散的矩阵系数。
格点及控制面的曲率可以采用下式计算得出:
其中,格点的重力源项和/>可以通过下式计算:
,/>,/>表示第i个格点到边中点e的矢量,/>表示第j个格点到边中点e的矢量,所述边为第i个格点与第j个格点连接形成的边。
基于体积通量对预估速度场和压力进行校正,得到校正后的速度和压力;
具体的,可以根据体积通量和压力校正方程得到压力矫正量,进而通过和/>更新格点上的速度和压力,得到校正后的速度和压力,从而得到下一个迭代步的流场通用变量/>。
其中,由于上述体积通量计算关系式中给出的控制面上的体积通量计算方法当中的速度矢量由动量方程直接导出,因此能够保证控制面速度天然的满足动量方程,进而将控制面上的体积通量(也就是速度矢量和面积矢量的点乘积)带入到压力矫正方程(也即连续性方程),使得控制面上的速度也满足连续性方程且保证速度和压力的耦合,其中,压力矫正方程为:
,/>表示由上述得到的预测速度场中的/>带入上述体积通量计算关系式中得到的体积通量,/>表示控制面体积通量校正量,其中,
,/>表示松弛因子,通常取0-1之间的数,/>表示第j个格点的压力校正量,/>表示第i个格点的压力校正量, />表示第i个格点和第j个格点之间的连接矢量,/>表示控制面面积矢量的模。
判断校正后的速度和压力是否收敛,在收敛的情况下,将校准后的速度和压力作为格点在下一时刻的速度和压力。
具体的,在判断校正后的速度和压力是否收敛时,可以计算相应的残差值,通过对比计算得到的残差和1e-4的大小,判断速度场以及压力场是否收敛,如果收敛,则更新上述半离散格式的两相流动量控制方程中的时间项(也即将赋值给/>),以循环上述过程进入下一时间步的迭代,否则不更新时间项继续循环执行上述过程在本时间步迭代。
其中,残差计算方式为,N表示网格总格点数,max表示分别计算得到速度的三个分量/>以及p所有格点迭代的变化量求和的最大值,通常认为时单个时间步内流场计算收敛,/>表示总的迭代推进时间,/>表示时间推进的次数,当/>,即迭代推进时间达到设定的物理时间,可使计算结束。
由上述可知,本发明基于非结构网格开展,采用格点型有限体积法,格点型有限体积法在计算过程中能够调用更广泛的模板,且在边界处理时候更准确,因而保证了算法的精度。另外,本发明采用调和平均的插值方法对控制面上的压力和物性参数(密度及动力粘度)进行插值,同时采用密度加权的方法对控制面的压力梯度进行处理,从而避免了喷嘴内油气密度比接近1000时的虚假流动问题。针对交错网格占用太多存储资源的问题,本发明采用同位网格,即将喷嘴雾化模拟中的流场变量(速度和压力,密度,动力粘度)贮存在格点上以节省存储资源,采用DDFME动量插值方法构造控制面上的体积通量,同样解决了压力速度失耦的问题。此外本发明还给出了界面推进和流场求解步骤以及二者耦合的方法。界面推进采用VOF(Volume Of Fluid)方法进行,为了减少数值求解的耗散,时间上采用采用四阶龙格库塔推进,空间上采用基于NVD(normalized variable diagram)格式的非结构网格界面体积分数构造方法CICSAM(Compressive Interface Capturing Scheme forArbitrary Meshes)重构高精度的控制面体积分数;流场求解采用SIMPLE-LIKE(类似于Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations)方法,时间上采用二阶后向隐式欧拉格式,空间耗散项采用了超松弛矫正处理提升计算非正交网格的鲁棒性;二者耦合方式采用内外双迭代步处理,单个时间步内,多次迭代求解流场,待流场求解收敛后,更新当前时层物理量,同时推进一次界面,外迭代在求解时间达到流场计算给定时间时结束。
在上述实施例的基础上,本发明实施例还提供了一种发动机喷嘴的油气界面捕捉装置,具体请参照图8。该装置包括:
构建模块11,用于针对与发动机喷嘴对应的非结构四面体网格中的每个格点,将格点作为中心构建对应的控制体;并计算控制体的参数信息;
计算模块12,用于针对每个格点,基于格点对应的控制体的参数信息、格点在当前时刻的速度、压力及体积分数计算出格点在下一时刻的速度、压力和体积分数;
判断模块13,用于判断累积时间是否达到预设计算时间,若否,则触发计算模块12进入下一个时间步的计算;若是,则触发生成模块14;
生成模块14,用于基于每个格点在每个时刻的速度、压力和体积分数得到油气界面。
需要说明的是,本发明实施例中提供的发动机喷嘴的油气界面捕捉装置具有与上述实施例中所提供的发动机喷嘴的油气界面捕捉方法相同的有益效果,对于本发明实施例中所涉及到的发动机喷嘴的油气界面捕捉方法的具体介绍请参照上述实施例,本发明实施例在此不再赘述。
如图9所示,在上述实施例的基础上,本发明实施例还提供了一种电子设备,包括:
存储器20,用于存储计算机程序;
处理器21,用于执行计算机程序时实现如上述发动机喷嘴的油气界面捕捉方法的步骤。
本实施例提供的电子设备可以包括但不限于智能手机、平板电脑、笔记本电脑或台式电脑等。
其中,处理器21可以包括一个或多个处理核心,比如4核心处理器、8核心处理器等。处理器21可以采用DSP(Digital Signal Processing,数字信号处理)、FPGA(Field-Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)、PLA(Programmable Logic Array,可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现。处理器21也可以包括主处理器和协处理器,主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器,也称CPU(Central ProcessingUnit,中央处理器);协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中,处理器21可以在集成有GPU(Graphics Processing Unit,图像处理器),GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中,处理器21还可以包括AI(Artificial Intelligence,人工智能)处理器,该AI处理器用于处理有关机器学习的计算操作。
存储器20可以包括一个或多个计算机可读存储介质,该计算机可读存储介质可以是非暂态的。存储器20还可包括高速随机存取存储器,以及非易失性存储器,比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。本实施例中,存储器20至少用于存储以下计算机程序201,其中,该计算机程序被处理器21加载并执行之后,能够实现前述任一实施例公开的发动机喷嘴的油气界面捕捉方法的相关步骤。另外,存储器20所存储的资源还可以包括操作***202和数据203等,存储方式可以是短暂存储或者永久存储。其中,操作***202可以包括Windows、Unix、Linux等。数据203可以包括但不限于设定的偏移量等。
在一些实施例中,电子设备还可包括有显示屏22、输入输出接口23、通信接口24、电源25以及通信总线26。
本领域技术人员可以理解,图6中示出的结构并不构成对电子设备的限定,可以包括比图示更多或更少的组件。
可以理解的是,如果上述实施例中的发动机喷嘴的油气界面捕捉方法以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory,RAM)、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、磁盘或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
基于此,本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质,计算机可读存储介质上存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时实现如上述发动机喷嘴的油气界面捕捉方法的步骤。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是,在本说明书中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
专业人员还可以进一步意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块,或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其他形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其他实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种发动机喷嘴的油气界面捕捉方法,其特征在于,包括:
针对与发动机喷嘴对应的非结构四面体网格中的每个格点,将所述格点作为中心构建对应的控制体,并计算所述控制体的参数信息;
针对每个所述格点,基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在当前时刻的速度、压力及体积分数计算出所述格点在下一时刻的速度、压力和体积分数;
判断累积时间是否达到预设计算时间,若否,则将所述下一时刻作为当前时刻,并返回上一步,直至所述累积时间达到所述预设计算时间;若是,则基于每个所述格点在每个时刻的速度、压力和体积分数得到油气界面;其中:
所述针对每个所述格点,基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在当前时刻的速度、压力及体积分数计算出所述格点在下一时刻的速度、压力和体积分数,包括:
针对每个所述格点,基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在当前时刻的速度及体积分数计算下一时刻的体积分数;
基于所述格点在下一时刻的体积分数计算出所述格点在下一时刻的流场物性参数;
基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在下一时刻的体积分数计算出动量方程源项;
基于所有格点各自在当前时刻的速度、压力和物性参数以及下一时刻的物性参数、动量方程源项,计算得到下一时刻每个所述格点各自对应的速度和压力。
2.根据权利要求1所述的发动机喷嘴的油气界面捕捉方法,其特征在于,在所述针对与发动机喷嘴对应的非结构四面体网格中的每个格点,将所述格点作为中心构建对应的控制体之前,还包括:
针对发动机喷嘴,建立发动机喷嘴几何模型;
对所述发动机喷嘴几何模型进行网格离散,得到非结构四面体网格。
3.根据权利要求1所述的发动机喷嘴的油气界面捕捉方法,其特征在于,所述基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在当前时刻的速度及体积分数计算下一时刻的体积分数,包括:
基于所述格点对应的控制体的体积、当前时刻各控制面面积、各控制面速度、各控制面体积分数及所述格点在当前时刻的体积分数,采用四阶龙格库塔推进方式对体积分数计算关系式进行推进,得到所述格点在下一时刻的体积分数;所述体积分数计算关系式为:
,其中,/>表示第i个格点在第n+1时刻的体积分数,/>表示第i个格点在第n时刻的体积分数,/>表示时间步长,/>表示第i个格点对应的控制体的体积,/>表示格点周围的第e个控制面在第n时刻的体积分数,/>表示格点周围的第e个控制面在第n时刻的速度矢量,/>表示格点周围的第e个控制面的面积矢量,m为第i个格点周围的控制面的数量。
4.根据权利要求3所述的发动机喷嘴的油气界面捕捉方法,其特征在于,所述物性参数包括格点密度、格点动力粘度、各控制面的密度和动力粘度。
5.根据权利要求4所述的发动机喷嘴的油气界面捕捉方法,其特征在于,所述基于所述格点在下一时刻的体积分数计算出所述格点在下一时刻的流场物性参数,包括:
根据所述格点在下一时刻的体积分数结合格点密度计算关系式得到所述格点在下一时刻的格点密度;所述格点密度计算关系式为:
,其中,/>表示第i个格点在第n+1时刻的格点密度,/>表示燃油密度,/>表示空气密度;
根据所述格点在下一时刻的体积分数结合格点动力粘度计算关系式得到所述格点在下一时刻的格点动力粘度;所述格点动力粘度计算关系式为:
,其中,/>表示第i个格点在第n+1时刻的格点动力粘度,/>表示燃油的动力粘度,/>表示汽油的动力粘度;
根据所述格点在下一时刻的体积分数结合控制面密度计算关系式得到所述格点在下一时刻的控制面密度;所述控制面密度计算关系式为:
,其中,/>表示格点周围第e个控制面的控制面密度,/>表示第j个格点在第n+1时刻的格点密度,所述第i个格点和所述第j个格点连接的边经过所述第e个控制面;
根据所述格点在下一时刻的体积分数结合控制面动力粘度计算关系式得到所述格点在下一时刻的控制面动力粘度;所述控制面动力粘度计算关系式为:
,其中,/>表示格点周围第e个控制面的控制面密度,/>表示第j个格点在第n+1时刻的格点动力粘度。
6.根据权利要求5所述的发动机喷嘴的油气界面捕捉方法,其特征在于,所述基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在下一时刻的体积分数计算出动量方程源项,包括:
基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在下一时刻的体积分数结合动量方程源项计算关系式,得出格点在下一时刻的体积分数计算出动量方程源项,其中,所述动量方程源项计算关系式为:
,其中,/>表示动量方程源项,/>表示重力加速度矢量,/>表示表面张力系数,/>表示第i个格点在第n+1时刻的体积分数梯度。
7.根据权利要求6所述的发动机喷嘴的油气界面捕捉方法,其特征在于,所述基于所有格点各自在当前时刻的速度、压力和物性参数以及下一时刻的物性参数、动量方程源项,计算得到下一时刻每个所述格点各自对应的速度和压力,包括:
针对每个所述格点,基于所述格点对应的控制体参数、在当前时刻的速度、压力、物性参数以及下一时刻的物性参数、动量方程源项结合半离散格式的两相流动量控制方程,得到下一时刻的预估速度场;
基于所述格点在下一时刻的预估速度场及相关格点在下一时刻的预估速度场,计算与所述格点和所述相关格点对应的控制面的体积通量;
基于所述体积通量对所述预估速度场和压力进行校正,得到校正后的速度和压力;
判断校正后的速度和压力是否收敛,在收敛的情况下,将所述校正后的速度和压力作为所述格点在下一时刻的速度和压力。
8.一种发动机喷嘴的油气界面捕捉装置,其特征在于,包括:
构建模块,用于针对与发动机喷嘴对应的非结构四面体网格中的每个格点,将所述格点作为中心构建对应的控制体;并计算所述控制体的参数信息;
计算模块,用于针对每个所述格点,基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在当前时刻的速度、压力及体积分数计算出所述格点在下一时刻的速度、压力和体积分数;
判断模块,用于判断累积时间是否达到预设计算时间,若否,则触发所述计算模块进入下一个时间步的计算;若是,则触发生成模块;
所述生成模块,用于基于每个所述格点在每个时刻的速度、压力和体积分数得到油气界面;其中:
所述针对每个所述格点,基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在当前时刻的速度、压力及体积分数计算出所述格点在下一时刻的速度、压力和体积分数,包括:
针对每个所述格点,基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在当前时刻的速度及体积分数计算下一时刻的体积分数;
基于所述格点在下一时刻的体积分数计算出所述格点在下一时刻的流场物性参数;
基于所述格点对应的控制体的参数信息、所述格点在下一时刻的体积分数计算出动量方程源项;
基于所有格点各自在当前时刻的速度、压力和物性参数以及下一时刻的物性参数、动量方程源项,计算得到下一时刻每个所述格点各自对应的速度和压力。
9.一种电子设备,其特征在于,包括:
存储器,用于存储计算机程序;
处理器,用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述发动机喷嘴的油气界面捕捉方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述发动机喷嘴的油气界面捕捉方法的步骤。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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