[发明专利]基于MOC-CFD耦合的循环泵系统能量变化预测方法

说明书

本发明公开了基于MOC‑CFD耦合的循环泵系统能量变化预测方法，构建由管道、阀门、水箱、离心泵组成的循环泵系统，进行离心泵和阀门的三维计算流体动力学与管道的一维特征线法耦合分析，根据水箱进、出口水头计算结果，以及离心泵和阀门的三维计算流体动力学分析与管道的一维特征线法耦合分析模拟计算得到的结果，建立无量纲场的能量函数，对循环泵系统的能量变化进行预测。本发明避免了全系统三维计算带来的计算资源浪费，同时也避免全系统采用纯一维计算带来的关键部件内部流动详细情况难确定的缺点，且在模拟过程中，三维和一维边界互相传递数据，可模拟时间更长或水箱没那么大的系统，解决了关键部件单独分析动态边界难确定的问题。

技术领域

本发明涉及循环泵阀管道系统能量变化预测，具体涉及循环泵阀管道系统在恒工况或变工况的基于一维-三维耦合和能量梯度的模拟方法，以及后续能耗评价的预测方法。

背景技术

循环泵阀管道系统是流程工业的重要组成部分，被广泛应用于电力、冶金、石化、航空航天等领域，而由泵传递到工作流体的能量远大于系统所需要的能量。目前对于循环泵系统缺少理论性模拟和分析方法，因此需要建立一套较为完善的机理性模拟方法，并对模拟结果进行较为有效的能量变化分析。

目前对于循环泵系统模拟和节能预测存在以下问题：

1、对于循环泵系统的模拟主要采用纯一维数值模拟，但纯一维数值模拟方法难以对某些重要部件的内部详细流动进行分析。

2、纯三维数值模拟方法，是一种获得水力机械内部流动的有效方法，可以对系统中关键部件的内部流动情况进行详细分析，但对全系统进行纯三维计算，也会占用大量的计算资源和计算时间，另外，若采用纯三维数值模拟方法模拟系统的不同结构，则会消耗大量建模时间。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于一维特征线法(Method OfCharacteristic,MOC)和三维计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)耦合的循环泵系统能量变化预测方法，将循环泵系统中的管道部分简化为一维流动，通过MOC理论进行计算，将系统中的泵和阀门使用三维CFD进行模拟，实现瞬态模拟结果输出、边界条件自动更新和数据交互的自动控制，最终建立能量变化公式，对系统的不同结构带来的能量变化进行预测。

本发明基于MOC-CFD耦合的循环泵系统能量变化预测方法，具体如下：

首先，构建由管道、阀门、水箱、离心泵组成的循环泵系统；然后，进行离心泵和阀门的三维计算流体动力学与管道的一维特征线法耦合分析，具体过程如下：离心泵和阀门的三维计算流体动力学分析中每次迭代后将进、出口的压力传到管道的一维特征线法分析中，一维特征线法分析得到的体积流量与离心泵和阀门的三维计算流体动力学分析中速度交界面的体积流量进行比较，达到收敛标准则进行下一个时间步长的计算，否则根据一维特征线法分析得到的体积流量计算结果，在离心泵和阀门的三维计算流体动力学分析中重新拟合新的边界条件进行迭代计算。最后，根据水箱进、出口水头计算结果，以及离心泵和阀门的三维计算流体动力学分析与管道的一维特征线法耦合分析模拟计算得到的结果，建立无量纲场的能量函数，对循环泵系统的能量变化进行预测。所述的能量函数计算公式如下：

优选地，建立能量梯度的对数LGK表达式如下：

LGK＝log₁₀ K

优选地，管道的一维特征线法分析过程如下：

有压引水管道内的水流均满足运动方程和连续性方程。

运动方程：

连续性方程：