突然扩散流道中紊流回旋流的大涡模拟.pdfVIP

2008．№3 国 外 大 电 机 73 突然扩散流道中紊流回旋流的大涡模拟 (瑞典)WalterGyllenram等 [摘 要] 本文采用大涡模拟数值方法研究了突然扩散流道中的紊流回旋流。类似的流动存在于部分负荷工 况时水轮机的尾水管中。进El涡流受到强烈的逆压梯度作用，使得在进El附近流动的对称性受到破坏。这就 引发了一个脉动的、螺旋形的涡核产生，并进而导致了一个高度不稳定的紊流流场。本文采用数值方法进行 了大尺度紊流结构的模拟，并获得了流场特性的详细信息。通过对下游不同位置壁面压力的Fourier变换，分 析了此脉动流动。其主频与运动涡核的旋转速度一致，并在整个计算域保持常数。对比了两种不同级数的数 值离散方法的结果。结果表明，运动涡核的频率不受数值方法影响。但是流动的低频在很大程度上取决于数 值方法的准确性。为了检验计算结果，对计算得到的速度加以平均，并与试验数据进行了比较。结果吻合良 好。对雷诺应力张量也进行了计算和分析。我们发现，只在受涡核摆动控制的区域存在大程度的紊流各向异 性。而在下游，尽管涡流的相对强度很大，但紊流的各向异性几乎可以忽略。 [关键词] 紊流；涡流；尾水管；振动；涡溃灭；LES；CFD 稳定解。通常认为大涡模拟 (LES)是更适合准确求解 刖 置 非定常流的工具。在LES中，在空间上对N—s方程进 在大量的工程应用中都存在回旋流，如：水轮机、 行滤分，对由方程中非线性部分引进的未知项认为是 压缩机、泵、风扇、燃烧室。本文 目的是对水电站尾 亚格子尺度的湍动量。因此，紊流模型尺度的上限应 水管中的不稳定回旋流的物理本质加以了解。在混流 与解的局部网格相适应，这样在流场的解中就能找到 式或轴流式水电站中，回旋流产生于导叶后转轮前。 大尺度紊流的信息。许多RANS紊流模型 (如涡粘性 在转轮的设计工况，转轮的旋转方向与流动方向一致， 模型)除了在求解非定常流能力上的不足外，另一个 转轮叶片会消除中和涡流的速度分量。而在部分负荷 缺点是普遍低估了由回旋流引起的紊流量高程度各向 时，回旋流从转轮流出，进入尾水管，并形成大涡。 异性。而在求解充分的LES模型中，紊流量高程度各 由于尾水管内存在强烈的逆压梯度，该涡会破裂，形 向异性却不是问题。尽管在LES中通用的亚格子模型 成运动的非对称体 ，并引发一波动的压力场。在混流 要比在RANS涡粘性模型简单得多，但多数紊流量的 式水轮机中，此压力脉动引起的振动量级会危及机组 各向异性都能简单得到，并且不需要修正。 的支撑结构。而在轴流式水轮机中，压力脉动的幅度 本文采用LES检验了回旋流溃灭引起的不稳定性 通常不会引起结构上的危害。但是轴流式水轮机尾水 及流动结构变化，并给出了涡核及紊流量新的详细信 管对流动分离非常敏感，因为振动会促使它的触发。 息。本文所研究的情况在早些时候由Dellenback等通 这可能会对电站的效率产生严重的影响。有鉴于此， 过试验进行了研究Ⅲ。该回旋流经过一突然扩散段，根 有必要准确预测此流动的特性，从而改进水轮机的水 据进 口直径及牵连速度得到的雷诺数为 40，000。试验 动力学设计。通常情况下，要特别注意回旋流的边界 数据用于定义进 口边界条件及验证数值解。早期的数 条件及紊流模型。此外，如本文所述，回旋流是由于 值研究是 Sch~ilterL2 及 Schdlter等人4【进行的。在这 逆压梯度引起时，就会更加注意模型的准确性。 些文献中没有关于非定常流特性的信息，但是在 现阶段，工业上的CFD分析常采用定常雷诺时均 Schfilter等的文献 2【】中，关键是在进口