一種rp-3航空煤油空化的數值模擬方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種RP-3航空煤油空化的數值模擬方法，并涉及用于減少RP-3航空 煤油在工業領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 學技術領域。
【背景技術】
[0002] 當一定溫度的液體內部局部壓力降低到液體飽和蒸汽壓時，會產生汽化現象，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），當汽泡隨液流運動到壓力 較高的地方后，泡內的蒸汽重新凝結，汽泡潰滅。這種液流內的空泡產生、發展、潰滅的過 程，以及由此產生的一系列物理和化學變化過程稱為空化。空化的發生往往會導致機器效 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定性和葉片的 疲勞破壞，嚴重時會使機器不能正常工作。
[0003] 空化問題一直是流體機械工程和多相流領域的關鍵核心問題，由于空化現象的復 雜性，數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（CFD)軟件 都可以實現常規流體的空化數值模擬，應用較為廣泛。然而，煤油是一種成分十分復雜的混 合物，煤油的組成成分諸多且多為碳氫類化合物，其物質屬性因生產產地、生產時間和生產 工藝而異。空化數值模擬需要流體介質液相和汽相的諸多物質屬性，對于RP-3航空煤油， 其液相和汽相的物質屬性只有部分是已知的，則無法直接通過計算流體力學軟件進行煤 油空化的數值模擬。因此，建立一種能夠實現RP-3航空煤油空化的數值模擬方法，以實現 RP-3航空煤油在整個溫度范圍內的空化數值模擬，具有重要的現實意義。
[0004] 現有的相關技術手段包括：美國國家標準與技術研究院（NIST)開發的 Supertrapp物性分析軟件可獲取常規碳氫化合物的各類物質屬性（ElyJF,Huber ML.NISTstandardreferencedatebase4-NISTthermophysicalpropertiesof hydrocarbonmixtures[M].NationalInst.Ofstandards,Gaithersburg,MD, 1990.);在 "GroupeEurop6endeRecherchesGaziSres" 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，可實現混 合物的構建（Kunz0，KlimeckR,WagnerW，etal.TheGERG_2〇04Wide-RangeEquation ofStateforNaturalGasesandOtherMixtures.Fortschr.-Ber.VDI,Reihe 6,Nr. 557,VDIVerlag:Diisseldorf, 2007.) 〇
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的技術問題是在以給定溫度下流體介質液相和汽相的物質屬性作 為數據支撐的條件下實現RP-3航空煤油空化的數值模擬，并利用空化的數值模擬結果減 少工業應用中空化現象的出現，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。本發明公開的一種RP-3航空煤油空化的數值模擬方法 可提高空化模擬精度，實現實際工業應用RP-3航空煤油空化過程的精細化模擬。所述的流 體介質液相和汽相的物質屬性包括：摩爾質量、密度、比熱容、飽和蒸汽壓、比焓、粘度、熱導 率、熱膨脹系數。
[0006] 本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
[0007] 本發明公開的一種RP-3航空煤油空化的數值模擬方法，具體步驟包括：
[0008] 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：
[0009] 正十二烷：52 ?58%
[0010] 癸烷：28 ?32%
[0011] 辛烷：1 ?3%
[0012] 甲基環己烷：1?5%
[0013] 甲苯：8 ?12%
[0014] 步驟二：采用美國國家標準與技術研究院（NIST)開發的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）的各類物質屬性。
[0015] 步驟三：采用GERG-2004方程將各成分（純物質）混合為一種新的虛擬物質，實現 所述虛擬物質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，所述虛擬物質具有完整的物質屬性數據，所述虛擬物質即為RP-3航空煤油物理替代模 型。GERG-2004方程的基本結構形式為：
[0016] a( 6 ,X,x) =a0 (p, T, x) +ar ( 6 ,x,x) (1)
【主權項】
1. 一種RP-3航空煤油空化的數值模擬方法，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% 甲基環己燒：1?5% 甲苯：8?12% 步驟二：采用美國國家標準與技術研究院（NIST)開發的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）的各類物質屬性； 步驟三：采用GERG-2004方程將各成分（純物質）混合為一種新的虛擬物質，實現所述 虛擬物質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 述虛擬物質具有完整的物質屬性數據，所述虛擬物質即為RP-3航空煤油物理替代模型，其 基本結構形式可以表示為： a ( 6 , X , x) = a 0 ( p ,T,x) + a r ( 6 , x , x) (1)
其中下標a，b分別表示兩組分，多組分時則依次類推，下標0和r分別初始量和相對 量，上標0和r分別表示理想項和余項，a°為Helmholtz自由能方程的理想項，a1為余項， S為對比密度，t為對比溫度，Fab為調節因子，P,(x)和T,(x)分別為混合物的密度和溫 度函數，x為各組分所占混合物的摩爾分數；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屬性導入商用CFD軟件材料庫或自編CFD程序，定義為一種新的流體介質，分別設置液相和汽相數據； 步驟五：根據實際應用情況采用三維造型軟件進行流場區域的建模，采用網格劃分軟 件進行網格劃分，將網格文件導入商用CFD軟件或自編CFD程序； 步驟六：根據實際應用情況對計算流域的邊界條件和初始化條件進行設置； 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；求解方程組包 括： 連續性方程：
其中，PfPJi+PvQ-ai)，!!和p分別為混合相的密度、速度和壓強，ii和iit分 別為混合介質的層流和湍流動力粘度，fv為氮蒸汽的質量分數，L為汽化潛熱，Pi^和Pr,分 別為層流和湍流的普朗特數，h為焓，ai液相體積分數，能量方程中最后一項為能量源項； A、分別為凝結和蒸發源項，下標i和j分別代表坐標方向，下標m，l和v分別代表混 合相，液相和汽相；采用標準k-e兩方程湍流模型實現了方程組的封閉； 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液相和汽相的物 質屬性作為數據支撐的條件下實現RP-3航空煤油空化的數值模擬。
2.如權利要求1所述的一種RP-3航空煤油空化的數值模擬方法，其特征在于：還包括 步驟八：利用步驟一至七所述的一種RP-3航空煤油空化的數值模擬方法的模擬結果指導 RP-3航空煤油實際應用工況設計，改變RP-3航空煤油實際運行工況，減少工業應用中空化 現象的出現，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；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 構，以及實際運行的溫度、速度和壓力。
【專利摘要】本發明涉及一種RP-3航空煤油空化的數值模擬方法，并涉及用于減少RP-3航空煤油在工業領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技術領域。本發明公開的方法，利用空化的數值模擬結果指導RP-3航空煤油實際應用工況設計，減少工業應用中空化現象的出現，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。本發明所生成的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屬性，對認識和分析RP-3航空煤油的空化特性具有重要的現實意義。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104573241
【申請號】CN201510017157
【發明人】王國玉, 陳泰然, 黃彪, 李達欽, 顧玲燕, 孫華偉, 李述林
【申請人】北京理工大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月14日