一种基于SPH流固耦合的冲击式水轮机动力学分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于SPH流固耦合的冲击式水轮机动力学分析方法，方法通过水轮机的网格模型确定SPH颗粒离散；确定水轮机的计算域，并根据实际水流入口确定SPH流体速度入口；确定流体与水轮机的若干耦合参数，耦合参数包括：时间积分、SPH核函数、密度积分以及流固耦合；根据SPH颗粒离散确定初始条件，根据SPH流体速度入口确定入口边界条件，根据各耦合参数确定求解参数；通过显式中心差分时间推进的方法进行流体与水轮机的耦合作用仿真求解。本发明专利技术中SPH颗粒可直接表征自由液面，无需重新划分网格，并且适合采用GPU并行加速技术，因此本发明专利技术可以更好地模拟水轮机与流体之间的耦合运动，并大大提升计算效率。并大大提升计算效率。并大大提升计算效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SPH流固耦合的冲击式水轮机动力学分析方法


[0001]本专利技术涉及水利水电领域，尤其涉及的是一种基于SPH流固耦合的冲击式水轮机动力学分析方法。

技术介绍

[0002]水轮发电机是以水轮机为原动机将水能转化为电能的发电机，冲击式水轮机为水轮机中重要机型，其特点是使用水头高，结构简单。目前国产冲击式水轮机转轮型号少且效率偏低，特别是1000米以上水头段的冲击式水轮机设计制造仍是空白。因此，对高效率冲击式水轮机的研究迫在眉睫。
[0003]在过去的研究中，试验研究为主要手段，然而由于射流对水轮机的高速冲击过程伴随着强烈的雾化现象，因此通常难以观测到水轮机的内部流态。近年来，随着计算机技术的发展，使得对于冲击式水轮机的整机数值模拟成为可能，并日益受到众多研究者的重视。冲击式水轮机运动属于三维瞬态流固耦合问题，水和水斗之间的相互作用错综复杂，其内部流态及自由液面也非常复杂。采用传统的网格方法分析水轮机与流体之间的耦合运动时，面临着自由液面捕捉困难、不断的网格重构造成计算效率低等难题，难以对冲击式水轮机的全工作历程进行直接模拟。
[0004]因此，现有技术还有待改进和发展。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于SPH流固耦合的冲击式水轮机动力学分析方法，旨在解决现有技术中采用传统的网格方法分析水轮机与流体之间的耦合运动时，自由液面捕捉困难，并且不断的网格重构会造成计算效率低，因此难以对水轮机的全工作历程进行直接模拟的问题。r/>[0006]本专利技术解决问题所采用的技术方案如下：第一方面，本专利技术实施例提供一种基于SPH流固耦合的冲击式水轮机动力学分析方法，其中，所述方法包括：通过水轮机的网格模型确定所述水轮机的SPH颗粒离散；确定所述水轮机对应的计算域，并根据实际水流入口确定SPH流体速度入口；确定流体与所述水轮机的若干耦合参数，其中，所述耦合参数包括：时间积分、SPH核函数、密度积分以及流固耦合；所述时间积分中流体SPH颗粒的密度、速度、内能与流体SPH颗粒的位置分别采用不同的推进方式；所述SPH核函数采用预设样条函数；所述密度积分中包括密度耗散计算；所述流固耦合采用粒子间排斥力的计算方法；根据所述SPH颗粒离散确定初始条件，根据所述SPH流体速度入口确定入口边界条件，根据各所述耦合参数确定求解参数；通过显式中心差分时间推进的方法进行流体与所述水轮机的耦合作用仿真求解。
[0007]在一种实施方式中，所述通过水轮机的网格模型确定所述水轮机的SPH颗粒离散，
包括：从所述网格模型的表面由外向内生成预设层数的SPH颗粒，得到所述水轮机对应的SPH颗粒离散，其中，所述预设层数大于或者等于三层。
[0008]在一种实施方式中，所述水轮机对应的SPH颗粒与流体SPH颗粒的SPH粒径相同，SPH粒径基于所述水轮机的最小特征尺寸确定。
[0009]在一种实施方式中，所述确定所述水轮机对应的计算域，包括：获取所述水轮机的外形数据和预设的射流扩散范围；根据所述外形数据和所述射流扩散范围，确定所述计算域。
[0010]在一种实施方式中，所述时间积分的计算方式包括：针对首个时间步长，该时间步长结束时，流体SPH颗粒的密度、速度以及内能由初始状态向前推进半个时间步长，流体SPH颗粒的位置向前推进一个时间步长；针对非首个的每一时间步长，该时间步长开始时，密度、速度和内能向前再推进半个时间步长，获得整数时间步上的值；当一个时间步长结束时，粒子的密度、速度、内能和位置向前推进一个时间步长。
[0011]在一种实施方式中，所述SPH核函数为：；其中，q为粒子距离与光滑长度比值，σ为归一化系数。
[0012]在一种实施方式中，所述密度积分的计算方法包括：；其中，h为光滑长度，c0为人工声速，r
i
为粒子i坐标，r
j
为粒子j坐标，m为粒子质量，ρ为粒子密度，v
ij
为粒子相对速度，δ为耗散系数，Ψ
ij
为粒子密度差，为密度耗散项。
[0013]在一种实施方式中，所述粒子间排斥力的计算方法包括：；其中，为粒子i、j之间的排斥力，n为粒子法向量，v为粒子速度，W
ij
为核函数，c为人工声速，r
ij
为粒子i、j的距离，h为光滑长度。
[0014]第二方面，本专利技术实施例还提供一种基于SPH流固耦合的冲击式水轮机动力学分析装置，所述装置包括：固体分析模块，用于通过水轮机的网格模型确定所述水轮机的SPH颗粒离散；流体分析模块，用于确定所述水轮机对应的计算域，并根据实际水流入口确定SPH流体速度入口；参数确定模块，用于确定流体与所述水轮机的若干耦合参数，其中，所述耦合参数
包括：时间积分、SPH核函数、密度积分以及流固耦合；所述时间积分中流体SPH颗粒的密度、速度、内能与流体SPH颗粒的位置分别采用不同的推进方式；所述SPH核函数采用预设样条函数；所述密度积分中包括密度耗散计算；所述流固耦合采用粒子间排斥力的计算方法；仿真求解模块，用于根据所述SPH颗粒离散确定初始条件，根据所述SPH流体速度入口确定入口边界条件，根据各所述耦合参数确定求解参数；通过显式中心差分时间推进的方法进行流体与所述水轮机的耦合作用仿真求解。
[0015]第三方面，本专利技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有多条指令，其中，所述指令适用于由处理器加载并执行，以实现上述任一所述的基于SPH流固耦合的冲击式水轮机动力学分析方法的步骤。
[0016]本专利技术的有益效果：本专利技术实施例通过水轮机的网格模型确定水轮机的SPH颗粒离散；确定水轮机的计算域，并根据实际水流入口确定SPH流体速度入口；确定流体与水轮机的若干耦合参数，耦合参数包括：时间积分、SPH核函数、密度积分以及流固耦合；根据SPH颗粒离散确定初始条件，根据SPH流体速度入口确定入口边界条件，根据各耦合参数确定求解参数；通过显式中心差分时间推进的方法进行流体与水轮机的耦合作用仿真求解。本专利技术中SPH颗粒可直接表征自由液面，不需要对网格进行重新划分，并且SPH显示计算方法适合采用GPU并行加速技术，因此通过SPH颗粒可以更好地模拟水轮机与流体之间的耦合运动，并大大提升计算效率。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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专利技术中记载的一些实施例，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。
[0018]图1是本专利技术实施例提供的基于SPH流固耦合的冲击式水轮机动力学分析方法的流程示意图。
[0019]图2是本专利技术实施例提供的水轮机网格示意图及射流入口位置示意图。
[0020]图3是本专利技术实施例提供的水轮机SPH颗粒离散示意图。
[0021]图4是本专利技术实施例提供的射流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SPH流固耦合的冲击式水轮机动力学分析方法，其特征在于，所述方法包括：通过水轮机的网格模型确定所述水轮机的SPH颗粒离散；确定所述水轮机对应的计算域，并根据实际水流入口确定SPH流体速度入口；确定流体与所述水轮机的若干耦合参数，其中，所述耦合参数包括：时间积分、SPH核函数、密度积分以及流固耦合；所述时间积分中流体SPH颗粒的密度、速度、内能与流体SPH颗粒的位置分别采用不同的推进方式；所述SPH核函数采用预设样条函数；所述密度积分中包括密度耗散计算；所述流固耦合采用粒子间排斥力的计算方法；根据所述SPH颗粒离散确定初始条件，根据所述SPH流体速度入口确定入口边界条件，根据各所述耦合参数确定求解参数；通过显式中心差分时间推进的方法进行流体与所述水轮机的耦合作用仿真求解。2.根据权利要求1所述的基于SPH流固耦合的冲击式水轮机动力学分析方法，其特征在于，所述通过水轮机的网格模型确定所述水轮机的SPH颗粒离散，包括：从所述网格模型的表面由外向内生成预设层数的SPH颗粒，得到所述水轮机对应的SPH颗粒离散，其中，所述预设层数大于或者等于三层。3.根据权利要求2所述的基于SPH流固耦合的冲击式水轮机动力学分析方法，其特征在于，所述水轮机对应的SPH颗粒与流体SPH颗粒的SPH粒径相同，SPH粒径基于所述水轮机的最小特征尺寸确定。4.根据权利要求1所述的基于SPH流固耦合的冲击式水轮机动力学分析方法，其特征在于，所述确定所述水轮机对应的计算域，包括：获取所述水轮机的外形数据和预设的射流扩散范围；根据所述外形数据和所述射流扩散范围，确定所述计算域。5.根据权利要求1所述的基于SPH流固耦合的冲击式水轮机动力学分析方法，其特征在于，所述时间积分的计算方式包括：针对首个时间步长，该时间步长结束时，流体SPH颗粒的密度、速度以及内能由初始状态向前推进半个时间步长，流体SPH颗粒的位置向前推进一个时间步长；针对非首个的每一时间步长，该时间步长开始时，密度、速度和内能向前再推进半个时间步长，获得整数时间步上的值；当一个时间步长结束时，粒子的密度、速度、内能和位置向前推进一个时间步长。6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯科玮，张显鹏，何毅，郭思良，丁可琦，张日葵，丁桦，
申请(专利权)人：深圳十沣科技有限公司，
类型：发明
国别省市：