基于转捩sst模型的钝尾缘水翼绕流数值计算与分析-水利学报.pdfVIP

水 利 学 报 2017年8月 SHUILI XUEBAO 第48卷 第8期 文章编号：0559-9350（2017）08-0993-00 基于转捩SST 模型的钝尾缘水翼绕流数值计算与分析 1，2 1 1，2 1，2 1，2 黎耀军 ，陈 俊 ，姚志峰 ，刘竹青 ，杨 魏 （1. 中国农业大学 水利土木工程学院，北京 100083； 2. 北京市供水管网系统安全与节能工程技术研究中心，北京 100083） 摘要：边界层转捩是影响水翼绕流水动力学特性的关键因素之一。为了探究γ- Reθt 转捩模型在低湍流度来流下水 翼边界层转捩及尾涡脱落预测中的适用性，本文基于耦合γ- Reθt 转捩模型和SSTk - ω模型的转换SST模型，对0° 攻角的NACA0009钝尾缘水翼绕流进行了数值计算。分析了转捩SST模型对网格尺度的敏感性，预测了边界层和 尾迹区流场及不同雷诺数下水翼尾涡脱落特征，并与实验数据和SSTk - ω模型计算结果进行了对比。结果表明： 随近壁面第一层网格尺度y + 的增大，水翼边界层转捩位置沿流向后移，最大y +值小于1时，预测的转捩位置趋于 一致；与SSTk - ω模型相比，转捩SST模型可以求解层流边界层，避免了在边界层和尾迹区对涡黏系数的过高预 测，得到的边界层厚度和水翼尾迹区流动参数与实验结果更为接近；转捩SST模型可以较准确预测水翼尾涡脱落 频率随雷诺数增大而增加的变化趋势，水翼尾涡脱落频率预测值与实验结果的最大相对误差为6.2%。 关键词：水翼；边界层转捩； 转捩模型；尾涡脱落 γ- Reθt 中图分类号：TV213.9 文献标识码：A doi ：10.13243/ki.slxb 1 研究背景 水力机械叶片表面的流动转捩，直接影响叶片升阻力、尾涡脱落频率等宏观流动特征及机组的 水力性能。水翼是水力机械叶片的简化模型，在低湍流度自由来流条件下，光滑水翼壁面边界层存 ［1］ 在从层流到湍流的自然转捩 ，因此，构建适合水翼绕流边界层转捩计算模型，研究钝尾缘水翼边界 层转捩及尾涡脱落特性，对研究水力机械导叶及叶片尾迹流动、揭示叶片尾涡诱导的压力脉动特征 等具有重要参考意义。 数值模拟是研究水翼绕流特性的重要手段。SST（ShearStressTransport） 模型较有效考虑了流 k - ω ［2］ 线曲率及逆压梯度效应的影响 ，可以求解近壁区的低雷诺数流动，并能较好预测流动分离，在水翼 ［3-4］ 绕流计算及尾涡动力学特性分析中得到了较广泛应用 。但该模型不能基于流场的当地化变量来反 ［5-6］ 映边界层的转捩过程，在水翼边界层转捩的流动预测中，具有明显的局限性 。 为了提升转捩的预测效果，通过引入间歇因子和转捩起始动量厚度雷诺数控制方程，Menter等［7］ 提出了基于当地变量的γ- Reθt 转捩模型。该模型并不试图解析流动转捩的物理机理，而是通过将间 歇因子作用于湍流模型的湍动能方程，控制湍动能的生成，以模拟边界层从层流发展到湍流的过 ［8-10］ 程。在空气动力学领域， 模型已大量应用于边界层自然转捩和分离转捩的预测 ，取得了较