水力机械CFD应用的若干问题与思考.pdf

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1、、矾城建／水I业通用机械I6、jinCitlConstruction＆1hletIndHstn水力机械CFD应用的若干问题与思考中国水利水电科学研究院(北京100038)廖翠林陆力李铁友王万鹏【擅■iCFDb圭

2、书广泛应用于水力机械的优化设计、水力穗定性覆气液一’田液两相虎等领域．是水力机械理呛研究以殪杆凑工程问题的重要手段。分析7cF0挂术在啦力机械砸域的应用水平．时啦巾机械cFD枝木的发展提出T建议【关镭同】CFD水力机械投值计算模拟应婀展望一，前言二、对水力机械CFD发展水平的评价真机试验、模型试验和数值计算是水力机械流动研究的主要手段。数值计算具有灵话性强，周

3、期短，成本低，可预测性强以殛可视化程度高等多方面的优势，为研究者提供了一个有教的研究手疑。近年来，随着计算机技术的高速发展以及计算流体动力学和数值求解技术的不断完善，数值计算越来越受到人们的重视，井广泛应用于水力机械性能预测及优化设计、水力机械非定常流动特性研究空化两相流研究、周液两相流研究以及考虑流固耦合的结构动力学研究等领域。也正是基干数值计算的以上优点．国内外很多学者展开了水力机械CFD技术以及应用的研究，其中涉及水力机械流动计算方法和计算模型研究、水力机械流动机理的CFD研究Ll厦采用数值方法解决工程实际问题等。数值计算的方法和结果需要较强的理论分析来支撑．需

4、要试验来验证和完善。对水力机械cFD发展现状进行分析总结，有利于水力机械流动理论以及试验研究的发展．更有利干水力机械内部流动数值研究的发展。鹋黑慧焉。。将湍流理论应用于水力机械三维流动计算始于计算机技术得到迅猛发展的20世纪80年代。1986年，Shyy和braaten首次应用k—f湍流模型对水轮机尾水管的稳态流动进行计算研究，从技术上验证了k-s模型在尾水管流动计算的可行性。1987年，瑞士流体机械协会组织全世界范围内的永轮机内部流动计算，不限计算方法．进行蜗壳、转轮和尾水管的流动计算比较。通过计算结果与试验比较得出：基于“5模型的湍流计算方法可用于水轮机稳定流动计

5、算和性能预估．误差在4％之内；对单部件的计算可得到各部件的主要境动现象，基本上可满足设计高性能水轮机的需要。之后．水力机械的三维流动计算成为大家研究的热点，CFD技术广琵应用于水力机械的性能预估及优化设计、气液，固梭两相流以殛水力稳定性研究等。下面从这些方面出发分析水力机t唬CFD数值计算的研究水平。(1)大涡模拟(LES)方法此方法在水力机械数值计算方面表现出很大的优势．受到研究者的普遍关注，根多研究者采用LES方法进行水压力脉动数值模拟．但多数基于LES方法的水力机械数值流动模把是尝试性．探讨性的．还处于发展阶段．需要进一步研究LES方j击在水力机械流动数值计算领

6、域的应用，以达到对复杂涟态的精准模拟。正因为LES方法在水力机械的应用还不够成熟，目前还有相当多的研究是基于k一5双方程模型．k-Ⅳ双方程模型、Reynolds应力模型和代数应力模型等。(2)CFD数值计算此方法是研究水力机械内部流动的有效手段．很多研究者致力于水力机械觳值计算方j击和计算模型的研究。虽然空化两相动力学及其在水力机械的应用已取得了一系列成果．但空化流动本质是一种非定常气液两相蘸动．气泡和水俸有着复杂的质量．动量和能量交换关系，同时．在水力机械旋转系统中．由于科氏力和离心力的作用，旋转湍流场是强各向异性湍流．现在普遍采用的计算模型是混合流体模型和双流体模

7、型．还无皓完成水力机械空化的精确求解。因此，对水力机械内部空化流动的模拟仍处于探索阶段。此外，实际应用中常常使用无空化流动的计算结果柬推删空化流动的状况．由于未充分考虑气抱对主流场的干扰，谋差较大。从国内外水力机械固液两相篪及磨损预估的研究来看，数值模拟理论还不完善，模拟结果尚缺乏普遍性和精确性．有的缺乏试验验证。该领域的研究还需要通过大量的试验来支樟，在掌握丰富的试验资料基础上．伴随着计算拄木的发展．不断完善水力机械固液两相流数值计算模型和磨损预测模型，提高固液两相流模}

8、=【的可靠性和精确性。如何采用CFD技术准确预测水压力脉动，特别是结构近壁区的压力脉动．是水力

9、机械流固耦合数值研究的关键问题之一。目前多数情况下采用形式简单的壁面函数来近似处理近壁匠的流动，而在舟析水力机械压力脉动所导致的结构动态响应时．壁面上的压力场分布极其重要。因此壁面流场的处理方式大大限制了水力机械流固耦台数值研究的发展。对水力机械主流区的水压力脉动模}￡1．研究者从计算方挂．揣流模型和物理计算域多方面进行了研究以提高计算精度和计算教率。但事实上，从近几年国内外发表的水力机械非定常流动数值模}

10、=l文献来看，数值模拟在一定程度上可以预测1五力脉动城建／承I业通琨机械G蕾^1c”inCitlCoa_truction＆u4}erfndu‘l