十七水力機械的流動模擬與數(shù)值計算

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1、十七水力機械的流動模擬與數(shù)值計算1調(diào)研背景概述本報告主要查閱了2010年及以前的相關(guān)期刊和學(xué)術(shù)會議論文、有關(guān)專著和畢業(yè)論文等，選擇能夠代表本學(xué)科發(fā)展動態(tài)的科研成果作為調(diào)研的基本材料，包括：國內(nèi)期刊：《中國科學(xué)A輯》、《水動力學(xué)研究與進(jìn)展A輯》、《水利學(xué)報》、《清華大學(xué)學(xué)報》、《水力發(fā)電學(xué)報》、《農(nóng)業(yè)機械學(xué)報》、《機械工程學(xué)報》、《工程熱物理學(xué)報》、《水科學(xué)進(jìn)展》、《排灌機械》、《水力發(fā)電》、《流體機械》、《中國水利》、《大電機技術(shù)》、《東方電機》。國際期刊：InternationalJournalforNumericalMethodsinFluidsTransactionsoftheASM

2、E—JournalofFluidsEngineeringInternationalJournalofHeatandFluidFlowComputer&FluidsComputers&StructuresJournalofFluidMechanicsTransactionsofASME:JournalofTurbomachinery,InternationalJournalofComputerApplicationsinTechnology專著：Anintroductiontocomputationalfluiddynamics:thefinitevolumemethod計算流體動力學(xué)分析—

3、—CFD軟件的理論與應(yīng)用學(xué)術(shù)會議：ProceedingsoftheASMEFluidsEngineeringConference24thIAHRSymposiumonHydraulicMachineryandSystems，200823rdIAHRSymposiumonHydraulicMachineryandSystems，200622ndIAHRSymposiumonHydraulicMachineryandSystems，20042選擇本專題進(jìn)行調(diào)研的原因、必要性及意義真機試驗、模型試驗和數(shù)值計算是水力機械性能特性分析的主要手段。數(shù)值計算具有靈活性強、周期短、成本低、可預(yù)測性強以及可

4、視化程度高等多方面的優(yōu)勢，為研究者提供了一個有效的研究手段。近年來，隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展以及計算流體動力學(xué)和數(shù)值求解441技術(shù)的不斷完善，數(shù)值計算越來越受到人們的重視，并廣泛應(yīng)用于水力模型的性能預(yù)測及優(yōu)化設(shè)計、水力機械非定常流動特性(湍流及湍流壓力脈動)研究、空化兩相流研究、固液兩相流研究以及考慮流固耦合的結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究等領(lǐng)域。也正是基于數(shù)值計算的以上優(yōu)點，國內(nèi)外很多學(xué)者基于CFD技術(shù)對水力機械內(nèi)部流動進(jìn)行數(shù)值模擬研究，其中涉及水力機械流動計算方法和計算模型的研究、采用數(shù)值方法對流動規(guī)律的研究以及采用數(shù)值方法解決工程實際問題的研究。數(shù)值計算的方法和結(jié)果需要較強的理論分析來支撐，需要試驗

5、來驗證、完善。對當(dāng)前水力機械內(nèi)部流動的數(shù)值模擬和計算研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析總結(jié)，有利用水力機械流動理論以及試驗研究的發(fā)展，更有利于水力機械內(nèi)部流動數(shù)值研究的發(fā)展。3近年來該專題發(fā)展新動向和值得關(guān)注點3.1基于CFD的水力機械性能預(yù)測及優(yōu)化設(shè)計在20世紀(jì)50-70年代，水力機械中的流動計算只能更多的采用理想化假設(shè)的一元或二元理論，流動計算的目的也是僅僅估算出流道中平均流動的速度和壓力，用于指導(dǎo)流道設(shè)計。在這樣的流動計算理論的基礎(chǔ)上，所設(shè)計水力機械的整體能量性能較差，如效率不高、抗空蝕能力差，根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行改型是主要的技術(shù)手段，經(jīng)驗起了決定性作用。在計算機得到普遍使用以后，現(xiàn)代意義下的水力機械中的

6、流動計算才開始出現(xiàn)。吳仲華教授所提出的S1、S2兩類流面的通用理論首先得到了發(fā)展，基于該理論開發(fā)了理想流體的準(zhǔn)三維流動計算方法，滿足了水力機械設(shè)計工況對流速場的要求。為考慮粘性對性能計算的影響，還發(fā)展了邊界層與內(nèi)部理想流動的迭代計算等方法，它們在很大程度上推動了水力機械流動計算的發(fā)展。假定粘性引起的摩擦作用只在很薄的邊界層范圍內(nèi)，忽略粘性項，直接求解納維-斯托克斯方程組，出現(xiàn)了全三維的歐拉法。Moore把主流區(qū)看作非粘性流動，再結(jié)合邊界層的粘性流動計算，可以考查回轉(zhuǎn)通道內(nèi)二次流對邊界層發(fā)展的影響，計算結(jié)果與試驗結(jié)果相當(dāng)一致。Nishi著重研究葉輪內(nèi)部邊界層和主流區(qū)的自律調(diào)整作用，多數(shù)情況下

7、都存在尾流－射流結(jié)構(gòu)，并被很多試驗證實。事實上水具有粘性，要想進(jìn)一步提高流動計算的真實性，就必須全方位考慮粘性流動的效應(yīng)。Martelli以S2相對流面上的二維Reynolds時間平均N-S方程和k-ε湍流模型，用有限差分法和時間推進(jìn)法計算了離心泵葉輪內(nèi)部二維粘性流動，以此來指導(dǎo)設(shè)計。Shietal以二維Reynolds時均N-S方程和考慮了旋轉(zhuǎn)、曲率效應(yīng)的湍流模442型k-ε，用SIMPLE法計算了圓柱形葉片的離心泵葉