fluent中實際氣體性質(zhì)模型(udrgm)在大規(guī)模數(shù)值模擬中的應(yīng)用

1、1前言工程實際中遇到的各類流動問題，當(dāng)工質(zhì)熱物理性質(zhì)偏離理想氣體時，需要應(yīng)用實際氣體性質(zhì)進行求解，才能比較精確地反映流動特性。例如在蒸汽透平低壓部分，低壓水蒸汽的性質(zhì)與理想氣體性質(zhì)偏離較大，如采用理想氣體性質(zhì)進行求解，誤差較大。IAPWSIF97標準中給出了計算水蒸汽氣體性質(zhì)的計算公式，但由于計算量很大，并不適合在大規(guī)模三維計算中直接采用。因此有必要發(fā)展一種高效高精度的實際氣體性質(zhì)計算方法。本文以水蒸汽實際氣體的求解為例，利用FLUEN

2、T軟件所提供的實際氣體模型（UDRGM）實現(xiàn)了大規(guī)模復(fù)雜計算中水蒸汽實際氣體性質(zhì)的應(yīng)用。2FLUENT中的實際氣體模型（UDRGM）及實現(xiàn)FLUENT軟件中提供了實際氣體性質(zhì)計算的接口UDRGM(UserDefinedRealGasModel)。利用該接口，可以將水蒸汽性質(zhì)表導(dǎo)入FLUENT中，實現(xiàn)對水蒸汽實際氣體性質(zhì)的計算。UDRGM要求對實際氣體提供如表1所示的12個函數(shù)。對水蒸汽定義這12個函數(shù)后，即可實現(xiàn)在FLUENT中調(diào)用水蒸

3、汽實際氣體性質(zhì)進行計算。表1UDRGM所定義的函數(shù)2.1實現(xiàn)方法首先由IAPWSIF97計算公式生成表1中12個函數(shù)的數(shù)據(jù)表，在啟動FLUENT時載入該數(shù)據(jù)表，在FLUENT中進行水蒸汽實際氣體性質(zhì)計算時，直接利用該數(shù)據(jù)表進行插值得到所需的函數(shù)值。由于插值輸入變量的數(shù)目為2，因而插值可采用雙線性插值或雙三次插值。如圖1所示，雙線性插值根據(jù)插值點(x0y0)周圍4個節(jié)點上的函數(shù)值進行插值，而雙三次插值根據(jù)插值點(x0y0)周圍16個節(jié)點上

4、的函數(shù)值進行插值。因此雙線性插值的精度低于雙三次插值的精度，但節(jié)省計算時間。按照文獻[3]的估計，采用雙線性插值比采用理想氣體狀態(tài)方程進行計算的時間增加13％左右，采用雙三次插值比采用理想氣體狀態(tài)方程進行計算的時間增加19％左右。這種方法省去了大量計算水蒸汽實際氣體性質(zhì)的時間，因而適用于大規(guī)模的三維CFD計算分析。所生成的水蒸汽性質(zhì)表輸入變量等間距分布，如圖1所示，可以得到插值公式為：為了對比采用水蒸汽實際氣體性質(zhì)和理想氣體性質(zhì)計算的差

5、異，對某Laval噴管中的流動進行了計算。計算采用H型網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為19060。計算中分別采用了理想氣體狀態(tài)方程、FLUENT內(nèi)置的維里型狀態(tài)方程以及本文發(fā)展的基于IAPWSIF97水蒸汽性質(zhì)表插值的方法。對該算例計算50步所用的時間對比結(jié)果列在表2中。可以看到，與采用理想氣體狀態(tài)方程相比較，采用FLUENT內(nèi)置的維里型狀態(tài)方程，計算時間增加了180％，而采用本文發(fā)展的方法，計算時間增加了27％。表2計算50步所用計算時間對比圖4給出了