[发明专利]基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法及系统

说明书

本发明公开了基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法及系统，包括：获取超临界二氧化碳涡轮机的进出口参数，所述进出口参数，包括：温度、压力和涡轮机的转速；对超临界二氧化碳涡轮机进行全三维建模，对建立的三维模型进行空间上的网格划分；基于获取的进出口参数和网格划分后的三维模型，对超临界二氧化碳涡轮机中的实际气体物性进行计算流体力学仿真，得到涡轮机内部的流场分布及流动情况。该方法耦合了黎曼问题求解器、实际气体物性查表法、适用于实际气体物性的通量格式及降低查表带来的差值误差等技术，能够快速地、可靠地仿真模拟实际气体物性黎曼问题，尤其是针对高功率密度紧凑型的涡轮机械问题。

技术领域

本发明涉及基于实际气体物性的计算流体力学仿真领域，特别是涉及基于计算流体力学的实际气体物性仿真方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

超临界二氧化碳(S-CO₂)动力循环由于其结构紧凑、效率更高和循环布局更简单，近年来引起了广泛关注。S-CO₂被认为是一种极好的工作流体，因为它具有许多优点，例如与H₂O或其他流体相比容易达到临界点、可用性以及与其他气体相比的低全球变暖潜势。对于0.1到25MW范围内的功率循环，使用S-CO₂允许范式转变为使用高效的径流式涡轮机。因为高密度工作流体、相对较低的流速和低比转速度的综合作用，可以使用功率密度更高的涡轮机械。有机朗肯循环(ORC)也得到了类似的关注，它利用热力学特性确保低温热源和高密度工作流体之间的更好匹配。

在这些循环中，非理想气体的热力学现象是必须注意的。特别是对于运行条件接近临界点的S-CO₂压缩机，S-CO₂的非理想气体动力学会显着影响流动特性。类似地，在高压比ORC涡轮机中，当流体通过涡轮机通道时，通常会有激波产生。它们是工质流经喷嘴或叶片尖端突然膨胀的结果。除非可以对这些组件进行适当的模拟和设计，否则由于组件性能不佳，循环效率的所有收益都会丧失。

因此，需要准确预测这些非理想条件下的流体流动，正确捕捉稠密/超临界流体的实际物性，解决热力学行为与理想气体关系不同的可压缩高马赫数流动，从而引出了非理想可压缩流体动力学(NICFD)研究领域。

在设计阶段，精确的NICFD模拟对于在超临界区域或接近临界点运行的S-CO₂循环和ORC组件至关重要。一些作者报告了使用计算流体动力学(CFD)对这些高度可压缩流动的数值解，但是，这些研究中的大多数使用了为理想气体开发的数值方法。对于ORC和S-CO₂研究领域，此类流动的可靠NICFD模拟仍然是一个挑战，因为需要复杂的工具以及高度复杂的实验校准热力学模型。因此，需要能够在设计阶段准确预测非理想流体流动的仿真工具。

在实际应用中，使用具有修正气体常数和等熵系数的理想气体关联式对此类流动进行CFD模拟是很常见的。然而，由于气体特性近似的准确性有限，这些假设可能会引入误差。这在研究具有非理想气体区域特性的可压缩流动时尤为重要，其中非理想气体现象会改变流动关系。对总压力和温度值的不良评估导致对损失、比功、热交换和密度的不良预测，这会影响动量分量的计算，从而影响预测的流动结构。因此，CFD求解器必须使用最准确的真实气体属性来正确求解流动。