十七水力机械的流动模拟与数值计算

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1、十七水力机械的流动模拟与数值计算1调研背景概述本报告主要查阅了2010年及以前的相关期刊和学术会议论文、有关专著和毕业论文等，选择能够代表本学科发展动态的科研成果作为调研的基本材料，包括：国内期刊：《中国科学A辑》、《水动力学研究与进展A辑》、《水利学报》、《清华大学学报》、《水力发电学报》、《农业机械学报》、《机械工程学报》、《工程热物理学报》、《水科学进展》、《排灌机械》、《水力发电》、《流体机械》、《中国水利》、《大电机技术》、《东方电机》。国际期刊：InternationalJournalforNumericalMethodsinFluid

2、sTransactionsoftheASME—JournalofFluidsEngineeringInternationalJournalofHeatandFluidFlowComputer&FluidsComputers&StructuresJournalofFluidMechanicsTransactionsofASME:JournalofTurbomachinery,InternationalJournalofComputerApplicationsinTechnology专著：Anintroductiontocomputationalflu

3、iddynamics:thefinitevolumemethod计算流体动力学分析——CFD软件的理论与应用学术会议：ProceedingsoftheASMEFluidsEngineeringConference24thIAHRSymposiumonHydraulicMachineryandSystems，200823rdIAHRSymposiumonHydraulicMachineryandSystems，200622ndIAHRSymposiumonHydraulicMachineryandSystems，20042选择本专题进行调研的原因、必

4、要性及意义真机试验、模型试验和数值计算是水力机械性能特性分析的主要手段。数值计算具有灵活性强、周期短、成本低、可预测性强以及可视化程度高等多方面的优势，为研究者提供了一个有效的研究手段。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441技术的不断完善，数值计算越来越受到人们的重视，并广泛应用于水力模型的性能预测及优化设计、水力机械非定常流动特性(湍流及湍流压力脉动)研究、空化两相流研究、固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。也正是基于数值计算的以上优点，国内外很多学者基于CFD技术对水力机械内部流动进行数值模拟研究，

5、其中涉及水力机械流动计算方法和计算模型的研究、采用数值方法对流动规律的研究以及采用数值方法解决工程实际问题的研究。数值计算的方法和结果需要较强的理论分析来支撑，需要试验来验证、完善。对当前水力机械内部流动的数值模拟和计算研究现状进行分析总结，有利用水力机械流动理论以及试验研究的发展，更有利于水力机械内部流动数值研究的发展。3近年来该专题发展新动向和值得关注点3.1基于CFD的水力机械性能预测及优化设计在20世纪50-70年代，水力机械中的流动计算只能更多的采用理想化假设的一元或二元理论，流动计算的目的也是仅仅估算出流道中平均流动的速度和压力，用于指

6、导流道设计。在这样的流动计算理论的基础上，所设计水力机械的整体能量性能较差，如效率不高、抗空蚀能力差，根据试验结果进行改型是主要的技术手段，经验起了决定性作用。在计算机得到普遍使用以后，现代意义下的水力机械中的流动计算才开始出现。吴仲华教授所提出的S1、S2两类流面的通用理论首先得到了发展，基于该理论开发了理想流体的准三维流动计算方法，满足了水力机械设计工况对流速场的要求。为考虑粘性对性能计算的影响，还发展了边界层与内部理想流动的迭代计算等方法，它们在很大程度上推动了水力机械流动计算的发展。假定粘性引起的摩擦作用只在很薄的边界层范围内，忽略粘性项，

7、直接求解纳维-斯托克斯方程组，出现了全三维的欧拉法。Moore把主流区看作非粘性流动，再结合边界层的粘性流动计算，可以考查回转通道内二次流对边界层发展的影响，计算结果与试验结果相当一致。Nishi着重研究叶轮内部边界层和主流区的自律调整作用，多数情况下都存在尾流－射流结构，并被很多试验证实。事实上水具有粘性，要想进一步提高流动计算的真实性，就必须全方位考虑粘性流动的效应。Martelli以S2相对流面上的二维Reynolds时间平均N-S方程和k-ε湍流模型，用有限差分法和时间推进法计算了离心泵叶轮内部二维粘性流动，以此来指导设计。Shietal以

8、二维Reynolds时均N-S方程和考虑了旋转、曲率效应的湍流模442型k-ε，用SIMPLE法计算了圆柱形叶片的离心泵叶