水力機(jī)械的流動(dòng)模擬與數(shù)值計(jì)算

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1、十七水力機(jī)械的流動(dòng)模擬與數(shù)值計(jì)算1調(diào)研背景概述本報(bào)告主要查閱了2010年及以前的相關(guān)期刊和學(xué)術(shù)會(huì)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(dòng)態(tài)的科研成果作為調(diào)研的基本材料,包括:國(guó)內(nèi)期刊:《中國(guó)科學(xué)A輯》、《水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展A輯》、《水利學(xué)報(bào)》、《清華大學(xué)學(xué)報(bào)》、《水力發(fā)電學(xué)報(bào)》、《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)》、《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》、《工程熱物理學(xué)報(bào)》、《水科學(xué)進(jìn)展》、《排灌機(jī)械》、《水力發(fā)電》、《流體機(jī)械》、《中國(guó)水利》、《大電機(jī)技術(shù)》、《東方電機(jī)》。國(guó)際期刊:InternationalJournalforNumericalMe

2、thodsinFluidsTransactionsoftheASME—JournalofFluidsEngineeringInternationalJournalofHeatandFluidFlowComputer&FluidsComputers&StructuresJournalofFluidMechanicsTransactionsofASME:JournalofTurbomachinery,InternationalJournalofComputerApplicationsinTechnology專著:Anintrod

3、uctiontocomputationalfluiddynamics:thefinitevolumemethod計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件的理論與應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議:ProceedingsoftheASMEFluidsEngineeringConference24thIAHRSymposiumonHydraulicMachineryandSystems,200823rdIAHRSymposiumonHydraulicMachineryandSystems,200622ndIAHRSymposiumonHydraulicMac

4、hineryandSystems,20042選擇本專題進(jìn)行調(diào)研的原因、必要性及意義真機(jī)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算是水力機(jī)械性能特性分析的主要手段。數(shù)值計(jì)算具有靈活性強(qiáng)、周期短、成本低、可預(yù)測(cè)性強(qiáng)以及可視化程度高等多方面的優(yōu)勢(shì),為研究者提供了一個(gè)有效的研究手段。近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展以及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和數(shù)值求解441技術(shù)的不斷完善,數(shù)值計(jì)算越來(lái)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(cè)及優(yōu)化設(shè)計(jì)、水力機(jī)械非定常流動(dòng)特性(湍流及湍流壓力脈動(dòng))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(dòng)力學(xué)研究等領(lǐng)域

5、。也正是基于數(shù)值計(jì)算的以上優(yōu)點(diǎn),國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者基于CFD技術(shù)對(duì)水力機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究,其中涉及水力機(jī)械流動(dòng)計(jì)算方法和計(jì)算模型的研究、采用數(shù)值方法對(duì)流動(dòng)規(guī)律的研究以及采用數(shù)值方法解決工程實(shí)際問(wèn)題的研究。數(shù)值計(jì)算的方法和結(jié)果需要較強(qiáng)的理論分析來(lái)支撐,需要試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證、完善。對(duì)當(dāng)前水力機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值模擬和計(jì)算研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析總結(jié),有利用水力機(jī)械流動(dòng)理論以及試驗(yàn)研究的發(fā)展,更有利于水力機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值研究的發(fā)展。3近年來(lái)該專題發(fā)展新動(dòng)向和值得關(guān)注點(diǎn)3.1基于CFD的水力機(jī)械性能預(yù)測(cè)及優(yōu)化設(shè)計(jì)在20世紀(jì)50-70年代,水力

6、機(jī)械中的流動(dòng)計(jì)算只能更多的采用理想化假設(shè)的一元或二元理論,流動(dòng)計(jì)算的目的也是僅僅估算出流道中平均流動(dòng)的速度和壓力,用于指導(dǎo)流道設(shè)計(jì)。在這樣的流動(dòng)計(jì)算理論的基礎(chǔ)上,所設(shè)計(jì)水力機(jī)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(yàn)結(jié)果進(jìn)行改型是主要的技術(shù)手段,經(jīng)驗(yàn)起了決定性作用。在計(jì)算機(jī)得到普遍使用以后,現(xiàn)代意義下的水力機(jī)械中的流動(dòng)計(jì)算才開(kāi)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(kāi)發(fā)了理想流體的準(zhǔn)三維流動(dòng)計(jì)算方法,滿足了水力機(jī)械設(shè)計(jì)工況對(duì)流速場(chǎng)的要求。為考慮粘性對(duì)性能計(jì)算的影響,還發(fā)展

7、了邊界層與內(nèi)部理想流動(dòng)的迭代計(jì)算等方法,它們?cè)诤艽蟪潭壬贤苿?dòng)了水力機(jī)械流動(dòng)計(jì)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(xiàng),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(dòng),再結(jié)合邊界層的粘性流動(dòng)計(jì)算,可以考查回轉(zhuǎn)通道內(nèi)二次流對(duì)邊界層發(fā)展的影響,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)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)情況下都存在尾流-射流結(jié)構(gòu),并被很多試驗(yàn)證實(shí)。事實(shí)上水具有粘性,要想進(jìn)一步提高流動(dòng)計(jì)算的真實(shí)性,就必須全方位考慮粘性流動(dòng)的效應(yīng)。Martel

8、li以S2相對(duì)流面上的二維Reynolds時(shí)間平均N-S方程和k-ε湍流模型,用有限差分法和時(shí)間推進(jìn)法計(jì)算了離心泵葉輪內(nèi)部二維粘性流動(dòng),以此來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)。Shietal以二維Reynolds時(shí)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(jì)算了圓柱形葉片的離心泵葉

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