(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111352433.X (22)申请日 2021.11.15 (71)申请人 湘潭大学 地址 411105 湖南省湘潭市雨湖区湘潭大 学 (72)发明人 王志奇　赵亚斌　谢宝琦　 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06T 17/00(2006.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于熵产理论与Omega法的有机朗肯循 环向心透平流动损失诊断方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于熵产理论与Omega法 的有机朗肯 循环向心透平流动损失诊断方法。 该 方法首先根据循环的运行参数与工质， 对向心透 平的基本参数进行一维设计； 其次， 建立透平的 三维模型并完成 网格划分， 再通过网格无关性验 证确定合理的网格数量； 然后， 根据设计条件对 向心透平的内部流场进行数值模拟； 在此基础 上， 通过熵产理论得到局部熵产与积分熵产的分 布， 确定透平的高损失区域。 最后， 利用Omega法 识别透平内部的涡结构并与熵产分布进行对比， 确定产生流动损失的主要涡结构。 本发明通过熵 产理论与Omega法分析透平内部的流动损失及其 与涡结构的关联， 实现向心 透平流动损失的准确 诊断， 为透平结构改进与效率提升提供理论指 导。 权利要求书3页 说明书8页 附图4页 CN 114065582 A 2022.02.18 CN 114065582 A 1.一种基于熵产理论与Omega法的有机朗肯循环向心透平流动损失诊断方法， 其特征 在于， 包括如下步骤： (1)根据有机朗肯循环的运行条件， 输入初始参数： 透平入口压力、 入口温度、 出口压 力、 循环工质； (2)建立向心透平一维气动设计的数学模型， 利用Matlab编写透平设计的计算程序， 根 据输入的初始参数对透平进行设计， 确定 透平的主 要结构参数； (3)根据计算的透平结构参数， 利用Bl adeGen软件建立透平叶轮、 叶栅及扩压管的三维 模型， 通过CF ‑turbo软件建立透平蜗壳部分的三维模型， 并提取三维模型的流动区域。 (4)利用Ansys软件中的网格划分模块对向心透平的叶轮、 叶栅、 扩压管及蜗壳等部分 的流动区域进行网格绘制， 其中蜗壳与扩压管流道采用四面体网格， 叶轮与叶栅流道采用 六面体网格。 (5)改变网格的疏密程度， 得到4 ‑5套网格数量的仿真模型； 根据初始条件与透平设计 转速， 对不同网格数量下 的透平性能进行仿真分析， 并将透平输出功率变化幅度作为判定 仿真模型合 适网格数量的依据。 (6)根据向心透平的实际运行参数， 设定透平仿真模型的边界条件， 并选用k ‑ωSST湍 流模型， 然后利用Ansys软件的CFX模块对透平 内部流场进行数值模拟； 当监视的残差低于 10‑5时结束迭代过程， 获得透平内部的流场特性。 (7)根据流动熵产的数学模型编写熵产计算程序并导入CFX中， 利用速度场的仿真结果 计算得到透平内部的局部熵产分布特性， 确定流场中的高损失位置； 将透平内部的流动空 间划分为不同的流动区域， 对不同区域的当地熵产进 行积分， 获得各个区域总的体积熵产， 诊断流动损失较为 集中的区域。 (8)根据Omega涡识别方法编写涡量计算程序， 结合速度仿真结果计算得到透平内部涡 量的空间分布特性， 并与当地熵产分布进 行对比， 确定产生局部高熵产的涡结构； 对比高积 分熵产区域的内部涡量分布， 确定导 致透平流动损失的主 要涡结构。 2.根据权利要求1所述的一种基于熵产理论与Omega法的有机朗肯循环向心透平流动 损失诊断方法， 其特征在于： 在步骤(2)中， 采用筛选法对向心透平进 行一维设计， 工质物 性 参数通过Matlab调用Refpr op软件获取； 为确定合理的气动参数， 设计过程中主要气动参数 的取值范围为： 速比0.6～0.75， 反动度0.4～0.55， 轮径比0.70～0.88， 叶轮入口气流角15 ° ～25°， 叶轮出口气流角2 5°～45°， 叶栅速度系数0.9 5‑0.97； 叶轮速度系数0.75 ‑0.85。 所述 步骤(2)中， 向心透平采用入口角度可调型叶栅， 叶栅顶部与轮毂之间存在间隙。 3.根据权利要求1所述的一种基于熵产理论与Omega法的有机朗肯循环向心透平流动 损失诊断方法， 其特征在于： 在步骤(4)中， 对近壁面区域与叶尖间隙区域进 行网格加密， 使 壁面附近网格的y+值小于10 0， 以提高模拟结果的精度。 4.根据权利要求1所述的一种基于熵产理论与Omega法的有机朗肯循环向心透平流动 损失诊断方法， 其特征在于： 在步骤(5)、 (6)中， 模型的静止域与静止域之间的交界面采用 Stage模式连接， 静止域与旋转域交界面采用Frozen  Rotor模式连接， 其余固体边界处设为 无滑移绝热壁面； 向心透平数值模拟过程中， 采用PR(Peng ‑Robinson)方程计算有机工质的 物性参数；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114065582 A 2b＝0.077796RTc2/Pc      (3) α ＝(1+k(1 ‑Tr0.5))2           (4) k＝0.37464+1.542 26ω‑0.26992ω2     (5) Tr＝T/Tc     (6) 此外， 通过零压力理想气体比热容CP0关系式来计算工质的焓和熵： 式中： ω为工质的偏心因子， PC、 TC分别为工质的临界压力和临界温度， Vm为摩尔体积， R 为气体常数。 5.根据权利要求1所述的一种基于熵产理论与Omega法的有机朗肯循环向心透平流动 损失诊断方法， 其特征在于： 在步骤(7)中， 将流动熵产分为两类， 一种为时均速度引起的黏 性熵产， 另一种为速度脉动引起的湍流熵产。 其表达式分别为： 式中： S'D'为湍流熵产； 为粘性熵产； μ为有效粘度， Pa ·s； ρ 为计算节点工作介质的 密度； T为计算节点的热力学温度， u1， u2， u3分别为三个坐标方向的速度， x1， x2， x3分别为三 个坐标方向。 所述步骤(7)中， 通过编写熵产计算程序， 在CFD ‑POST中调用模拟所得的速度分布， 获 得透平内部的局部熵产的云图分布。 所述步骤(7)中， 将向心透平划分为蜗壳、 静叶、 动叶与扩压管4个区域， 其中静叶与动 叶又进一步划分为入口、 出口、 叶尖间隙、 叶型与通道5个区域。 利用CFD ‑POST软件后处理功 能， 对这几个区域的局部熵产率进行积分， 得到不同区域的积分熵产， 其表达式如下； 在此基础上， 对不同区域的积分熵产进行排序， 确定影响透平流动损失较大的区域。 6.根据权利要求1所述的一种基于熵产理论与Omega法的有机朗肯循环向心透平流动 损失诊断方法， 其特征在于： 在步骤(8)中， Omega涡识别法主要是根据以下公式计算Ω值， 用于捕捉透平内部的涡结构： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114065582 A 3