水轮机内部三维湍流计算方法概述.pdfVIP

第 32卷第3期 人 民 黄 河 Vo1．32．No．3 2010年 3月 YELLOW RIVER Mar．．2010 【水利水电工程 】 水轮机内部三维湍流计算方法概述 梁 兴，郭 磊 (南昌工程学院，江西 南昌330099) 摘 要：阐述了水轮机 内部三维流动计算的控制方程及其解法，并介绍了常用商业软件CFD。指出在湍流的数值计算方 法中，直接模拟法无需对湍流流动做任何简化或近似，理论上可以得到相对准确的计算结果；大涡模拟法处理实际工程 问题时计算过程太过复杂；雷诺时均方程法将非稳态的N—s方程对时间作平均，可求解工程中的时均量；水轮机 内部湍 流计算正朝着全三维、小尺度、瞬时化方向发展。 关 键 词 ：水轮机 ；湍流 ；数值模拟 ；k—s湍流模型；CFD 中图分类号：TV136 文献标识码：A doi：10．3969／j．issn．1000—1379．2010．03．040 水轮机内部的流动是非定常、有旋、三维、黏性、不可压缩 都遵循 N—s方程。直接数值模拟方法就是直接用瞬时的N—S 湍流流动，长期以来人们都在寻找适合水轮机各通流部件流动 方程对湍流进行计算。DNS的最大好处是无需对湍流流动进行任 的计算方法来模拟水轮机内部流场，以便改善水轮机的性能参 何简化或近似，理论上可以得到相对准确的计算结果。 数、机械结构和运行条件，进而创造出较大的经济和社会效益。 直接模拟法要求必须能够分辨出所有尺度的湍流涡团在 水轮机流动计算的发展历程基本上与N—S方程求解技术的进 空间和时间上的分布，往往需要庞大的网格节点数和时间步 展同步。 数，实际问题的求解计算量经常超出现有计算机的计算能力。 目前直接数值模拟还无法用于真正意义上的工程计算，但大量 1 水轮机内部湍流流动的基本方程 的探索性工作正在进行，例如Wissink已经利用该方法解决较低 数和有简单几何边界条件的问题，得到了较为准确的结果 J。 水轮机内部湍流流动规律可由N—S方程来描述： (2)大涡模拟 (LES)。大涡模拟将湍流的瞬时运动通过某 ，V ·U =0 种滤波方法分解成大尺度运动和小尺度运动两部分分别求解。 ip=pF-7P+tzVZU 目前，已经有学者利用大涡模拟技术计算水轮机中的湍流 ，如： 式中：为速度矢量；P、p分别为压强和密度；F为体积力，一般 杨建明 建立了基于大涡模拟思想而方程结构上类似于时均 指重力；为流体的动力黏性系数；7为拉普拉斯算子。 k—s模型的大涡模拟一双方程模型 ，对水轮机中的尾水管和转 N—S方程中的连续性方程和动量方程在时间和空问上表 轮进行了计算，得到了与试验接近的计算结果。但处理实际工 现为不同的性质 ，因此时间方向的离散和空间方向的离散通常 程问题时，该方法计算过程仍很复杂，且方法本身在处理近壁 采用不同的方法。常见的方法有拟压缩性法、MAC法、压力 一 面区和出入口条件方面仍不完善，按照目前计算机发展的速 速度校正法(SIMPLE)、分块隐式有限差分法 (BIFDM)、时间推 度，大涡数值模拟有望在近20年内用于实际工程中 J。 进法。Stantal曾将拟压缩性法用于水轮机转轮内的湍流模拟 (3)雷诺时均方程法 (RANS)。该法将非稳态的N—S方 计算。张双全等…用压力 一速