基于NIST真实气体数据库导入CFX的接口开发

2017-09-02 by:CAE仿真在线来源:互联网

美国国家标准技术研究院(National Institute of Standards andTechnology,NIST)直属美国商务部,从事工程测量技术和测试方法方面的研究,提供标准、标准参考数据及有关服务,在国际上享有很高的声誉。

NIST提供了包括50多种标准材料数据库,如工业流体与化工,材料性能,热力学与热化学,以及NIST的其它数据库等,其中,尤以真实气体物质属性库跟CFD关系异常紧密。真实气体(Real Gas)是一个和理想气体(Ideal Gas)相对应的概念,理想气体是指热力学状态严格遵从克拉贝龙状态方程的气体,分子体积与气体体积相比可以忽略不计,分子之间没有相互吸引力,分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞不造成动能损失等这样一些特点;不满足上述特点的即可以归为真实气体。理想气体克拉贝龙方程在标况下对绝大多数气体都较为适用,但是在高温高压高速相变等环境下,很多气体都不再遵循理想气体规律,必须要采用真实气体的热物理属性来进行处理。

经过长期的研发工作,NIST将制冷、空调、压缩机、工业透平等领域常用的制冷剂数据库整合成名为REFPROP(即REference Fluid PROPerties的简写,全称为NISTReference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database REFPROP v9.1)的软件提供给用户,该软件包含了几乎所有的常见制冷剂类型(如R600,R134a,RE143a等)。NIST Real Gas模型,就是从REFPROP软件中引用的具备真实气体特点的制冷剂材料模型。

FLUENT内置了绝大多数NIST Real Gas材料模型数据,可以通过TUI命令行的形式导入(详参FLUENT User Guide),这里不再展开描述。CFX没有直接采用NIST真实气体物性数据库,而是推荐采用Aungier Redlich Kwong或者Peng Robinson真实气体状态方程的形式来处理,这种方式的好处是不用完全受制于NIST数据范围的限制,可以通过多项式曲线拟合的形式更灵活地处理范围更宽广的温度或者压力变化。CFX自带的真实气体物质类型主要集成在MATERIALS-redkw.ccl 和MATERIALS-pengrob.ccl等几个文件里面,在CFX-Pre里面可以查看;与制冷剂相关的主要在Redlich Kwong Refrigerants系列里面。

当然为了满足用户对工质特殊物性的考虑,尤其是随温度或者压力变化的情况,CFX提供了Table功能用于输入特定形式的物性数据表,通过格式为.rgp(即real gas property)的文件来录入。rgp文件有固定的格式,分为文件头和数据两大区块,分别包含物质属性的摘要信息和详细数据,比如过热状态的压力上下限值,温度上下限值,临界压力,临界温度,数据表格(数组)的格式等等。

进一步地,为了能够将NIST的真实气体数据读入CFX,用户需要将NIST REFPROP下的fld文件转换为rgp格式的文件。在转换的过程中,需要用户对rgp文件格式,fld文件格式都有充分的了解和把握,对所需要提取的物质属性及其变化有充分的认知,所以这一部分工作经常会遇到这样那样的问题,人工转换效率低、可靠性差,是旋转机械、制冷工业、工业透平等用户在使用CFX导入NIST制冷剂时候的一个瓶颈。

为了切实改善这一问题,提高转换的工作效率和准确率,成都安世亚太研发了一款专门用于自动化地对NIST物质数据转换为rgp格式文件的应用接口模块。

这个接口模块主要通过基于JAVA,C#,Matlab,Excel等成熟工具的集成开发,形成fld文件到rgp格式文件的自动转化,通过规范化的集成封装,菜单窗口输入,函数调用,自定义操作,图形图线预览显示,表格归类等手段,给客户提供一个专业且友好的转换环境,让数据转换过程变得透明、可视、可复核,从而极大地提高我们的工作效率。