【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種耦合多尺度材料模型的空蝕強度預測方法及系統，屬于工程計算流體力學。
技術介紹
1、在水能轉化與利用的過程中，水力機械過流管道的低壓區經常會出現云空化現象。云空化現象在本質上是一種宏觀空穴演變與介觀尺度汽泡行為相互耦合的時空多尺度復雜湍流，往往會導致水力機械過流管道發生磨損破壞，因此成為以水為介質的水力機械領域研究的熱點問題。
2、目前，空蝕的評估大部分都是基于各種假設得到材料表面的空蝕風險區域，無法考慮材料響應的影響，這給深入研究空蝕破壞的微觀機理和提出有效的抗空蝕措施帶來了巨大的挑戰和困難。因此，有必要開發一種考慮材料響應的空蝕強度預報方法，來深入研究不同材料表面的空蝕分布與破壞特點的影響，進一步揭示空蝕破壞的微觀機理。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種耦合多尺度材料模型的空蝕強度預測方法及系統，能夠同時描述大尺度空泡和小尺度空泡的動態演變過程，實現了空蝕強度預報從定性到定量的跨越。
2、為達到上述目的，本專利技術是采用下述技術方案實現的：
3、一方面，本專利技術提供一種耦合多尺度材料模型的空蝕強度預測方法，包括：
4、s1、對待測過流管道進行網格劃分，得到空化發生區域；
5、s2、根據空化發生區域計算得到瞬態無空化流場，并將待測過流管道暴露于空化流動中的時間分為多個時間步；
6、s3、在當前時間步內，基于上一時間步的流場模擬空化流動得到空化流場，其中，第
7、s4、利用空化模型計算空化流場中空泡宏觀演化過程；
8、s5、根據空泡宏觀演化過程，識別空化流場中的所有空泡并計算其宏觀演化信息；
9、s6、根據所有空泡的宏觀演化信息將空化流場中的小空泡全部轉化為單氣泡；
10、s7、計算每個單氣泡的微觀動態過程，得到每個單氣泡的微觀動態信息；
11、s8、根據每個單氣泡的微觀動態信息計算該單氣泡對待測過流管道壁面產生的沖擊載荷，將所有單氣泡對待測過流管道壁面產生的沖擊載荷相加得到當前時間步的沖擊載荷；
12、s9、重復s3~s9，得到所有時間步的沖擊載荷，綜合所有時間步的沖擊載荷計算得到待測過流管道的材料空蝕孕育期，所述材料空蝕孕育期即為空蝕強度。
13、進一步的，所述網格劃分通過開源軟件openfoam中的blockmesh工具實現。
14、進一步的，所述根據空化發生區域計算得到瞬態無空化流場和所述基于上一時間步的流場模擬空化流動得到空化流場均通過開源軟件openfoam實現，其中，所述根據空化發生區域計算得到瞬態無空化流場包括：
15、利用pimplefoam計算瞬態無空化流場，計算參數設置為在每一個時間步中外循環3~5次，內循環3~5次，變量殘差設定為10-5~10-4；
16、所述基于上一時間步的流場模擬空化流動得到空化流場包括：
17、基于上一時間步的流場，利用interphasechangefoam模擬空化流動，模擬參數設置為在每一個時間步中外循環2~3次，內循環3~5次，壓力殘差設定為10-8~10-6，其余變量的殘差設定為10-7~10-5，得到空化流場。
18、進一步的，所述空化流場中空泡宏觀演化過程的計算表達式如下：
19、；
20、；
21、；
22、其中，表示氣液混合流體密度，表示i方向的氣液混合流體流動速度，表示j方向的氣液混合流體流動速度，表示i方向上的分量，表示j方向上的分量，表示氣液混合流體壓力，表示氣液混合流體粘度，表示氣泡對宏觀空泡影響的源項，表示空化流動中水蒸汽體積分數，表示空化流動計算時間，表示人工壓縮速度在j方向上的分量，表示空化流動中的凝結與蒸發速率，其通過空化模型計算得到；
23、所述空化模型包括schnerr-sauer空化模型、zwart-gerbera-belamni空化模型和saito空化模型。
24、進一步的，所述根據空泡宏觀演化過程，識別空化流場中的所有空泡并計算其宏觀演化信息，包括：
25、根據空泡宏觀演化過程，利用三維空間連通分量標記算法識別空化流場中的所有空泡；
26、計算每一個空泡包含的宏觀演化信息，所述宏觀演化信息包括網格單元數量、空泡質心位置、空泡體積、空泡相對球形度。
27、進一步的，所述根據所有空泡的宏觀演化信息將空化流場中的小空泡全部轉化為單氣泡，包括：
28、根據所有空泡的宏觀演化信息判斷每一個空泡是否為小空泡，若網格單元數量大于預設閾值且空泡相對球形度小于2，則該空泡為小空泡；
29、將小空泡全部轉化為單氣泡。
30、進一步的，所述計算每個單氣泡的微觀動態過程，得到每個單氣泡的微觀動態信息，包括：
31、基于牛頓第二定律通過計算單氣泡運動過程得到單氣泡運動速度，其表達式如下：
32、；
33、其中，表示單氣泡質量，表示單氣泡運動速度，表示空化流動計算時間，表示虛擬質量力，表示壓力梯度力，表示浮力，表示阻力，表示升力，表示體積變化力；
34、利用修正rayleigh-plesset方程分別計算單氣泡生長過程和單氣泡潰滅過程得到單氣泡半徑，其中，所述氣泡生長過程的表達式為：
35、；
36、其中，表示單氣泡半徑，表示單氣泡半徑變化的一階導數，表示單氣泡半徑變化的二階導數，表示氣液混合流體密度，表示空化流場中單氣泡內的壓力，表示空化流場中單氣泡中心位置的歐拉空化流場壓力，表示空化流場中單氣泡的表面張力，表示氣液混合流體粘度；
37、所述單氣泡潰滅過程的表達式為：
38、；
39、其中，表示氣體密度與液體密度的相對比，表示聲音在純水中的傳播速度，表示液相飽和蒸汽壓力，表示空化流場中不可凝結氣體的分壓，表示空化流場中單氣泡開始收縮時的半徑，k表示壓縮常數；
40、所述單氣泡運動速度和所述單氣泡半徑組成單氣泡的微觀動態信息。
41、進一步的，所述根據每個單氣泡的微觀動態信息計算該單氣泡對待測過流管道壁面產生的沖擊載荷，將所有單氣泡對待測過流管道壁面產生的沖擊載荷相加得到當前時間步的沖擊載荷，包括：
42、根據單氣泡的微觀動態信息利用理想氣泡對稱坍塌模型計算單氣泡對稱坍塌對待測過流管道壁面產生的沖擊載荷，其表達式如下：
43、；
44、其中，表示空化流場中單氣泡對稱坍塌產生的沖擊載荷，表示空化流動的遠場壓力，r表示空化流場中單氣泡中心到過流管道壁面的距離，，為的一階導數，表示聲音在純水中的傳播速度，表示氣液混合流體密度；
45、引入修正系數，分別考慮單氣泡非對稱坍塌產生的一次和二次沖擊載荷，得到單氣泡非對稱坍塌對待測過流管道壁面產生的沖擊載本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種耦合多尺度材料模型的空蝕強度預測方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的耦合多尺度材料模型的空蝕強度預測方法，其特征在于，所述網格劃分通過開源軟件OpenFOAM中的blockMesh工具實現。
3.根據權利要求1所述的耦合多尺度材料模型的空蝕強度預測方法，其特征在于，
4.根據權利要求1所述的耦合多尺度材料模型的空蝕強度預測方法，其特征在于，?所述空化流場中空泡宏觀演化過程的計算表達式如下：
5.根據權利要求1所述的耦合多尺度材料模型的空蝕強度預測方法，其特征在于，?所述根據空泡宏觀演化過程，識別空化流場中的所有空泡并計算其宏觀演化信息，包括：
6.根據權利要求1所述的耦合多尺度材料模型的空蝕強度預測方法，其特征在于，?所述根據所有空泡的宏觀演化信息將空化流場中的小空泡全部轉化為單氣泡，包括：
7.根據權利要求1所述的耦合多尺度材料模型的空蝕強度預測方法，其特征在于，?所述計算每個單氣泡的微觀動態過程，得到每個單氣泡的微觀動態信息，包括：
8.根據權利要求1所述的耦合多尺度材料
9.根據權利要求1所述的耦合多尺度材料模型的空蝕強度預測方法，其特征在于，?所述根據所有時間步的沖擊載荷計算得到待測過流管道的材料空蝕孕育期，包括：
10.一種耦合多尺度材料模型的空蝕強度預測系統，其特征在于，包括：
...【技術特征摘要】
1.一種耦合多尺度材料模型的空蝕強度預測方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的耦合多尺度材料模型的空蝕強度預測方法，其特征在于，所述網格劃分通過開源軟件openfoam中的blockmesh工具實現。
3.根據權利要求1所述的耦合多尺度材料模型的空蝕強度預測方法，其特征在于，
4.根據權利要求1所述的耦合多尺度材料模型的空蝕強度預測方法，其特征在于，?所述空化流場中空泡宏觀演化過程的計算表達式如下：
5.根據權利要求1所述的耦合多尺度材料模型的空蝕強度預測方法，其特征在于，?所述根據空泡宏觀演化過程，識別空化流場中的所有空泡并計算其宏觀演化信息，包括：
6.根據權利要求1所述的耦合多尺度材料模型的空蝕強度預測方法，其特征在于，?所述根據所...
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