專利名稱：一種Reynolds時均法建立湍流模型的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種構(gòu)建方法，特別涉及一種為了研究水力機械運行特性，將計算流 體動力學(xué)(CFD)理論與方法應(yīng)用于水力機械湍流分析，通過Reynolds時均法建立湍流模型 預(yù)估水力機械能量特性和空化特性的構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
隨著南水北調(diào)及三峽水利工程的興建，水泵、水輪機作為關(guān)鍵水力機械裝置，其容 量和尺寸在不斷增大。從已投產(chǎn)的大型泵站和水電站的運行情況看，大型機組普遍存在振 動、空化、出力(效率)不足等問題。振動和空化等特性直接與過流部件的水壓力脈動有關(guān)， 解決這些問題的關(guān)鍵在于有效掌握和控制相應(yīng)過流部件的流場。觀測表明，水力機械內(nèi)部流動在多數(shù)情況下處于湍流狀態(tài)，流場由各種不同尺度 的湍流渦疊合而成，這些湍流渦具有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，湍流渦的大小及旋轉(zhuǎn)軸的方向分布是隨機 的，由于湍流的復(fù)雜性，很難通過試驗來掌握水力機械內(nèi)部的湍流狀態(tài)，而計算流體動力學(xué) (CFD)理論和方法，給我們認識水力機械湍流流動提供了一種新的途徑，對揭示水力機械流 場流動特性與結(jié)構(gòu)動力特性間的復(fù)雜關(guān)系，具有潛在的優(yōu)勢。水力機械內(nèi)的流動可以認為是不可壓、非定常的三維湍流流動，由于湍流具有微 尺度上的高度脈動性，加之用于描述湍流的瞬時Navier-Stokes方程的非線性，以及水力 機械邊界條件的多樣性，使得方程不存在解析解，甚至不能用直接數(shù)值模擬(DNQ方法來 描述三維時間相關(guān)的全部流動細節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種Reynolds時均法建立湍流模型的構(gòu)建方法，解決現(xiàn) 有存在的上述問題，采用Reynolds時均法對湍流脈動加以“簡化”，在瞬時Navier-Stokes 方程的基礎(chǔ)上構(gòu)造附加的湍流模型。本發(fā)明所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種Reynolds時均法建立湍流模型的構(gòu)建方法，其特征在于，它包括如下步驟(1)采用Reynolds時均法把湍流的瞬時運動看作是由平均值和脈動值所對應(yīng)的 兩個流動疊加而成，在時均系下，在直角坐標形式的絕對參照系下，建立瞬時流動狀態(tài)的控 制方程為
關(guān)系
iMt
I Xj ‘
ι + S ,'Xi w Xj
+ Si
(2)引入渦粘系數(shù)μ t，通過渦粘系數(shù)μ t建立了 Reynolds應(yīng)力與平均速度梯度的
UiUj
式中，μ t為渦粘系數(shù)，Ui為時均速度，Sij是“Kronecker delta”符號，k為湍動能； (3)依據(jù)確定渦粘系數(shù)μ 微分方程數(shù)目，提出了標準k_ ε模型；在標準k_ ε 模型中，湍動能k和耗散率ε是兩個基本未知量，對應(yīng)的輸運方程為
權(quán)利要求
1.一種Reynolds時均法建立湍流模型的構(gòu)建方法，其特征在于，它包括如下步驟(1)采用Reynolds時均法把湍流的瞬時運動看作是由平均值和脈動值所對應(yīng)的兩個 流動疊加而成，在時均系下，在直角坐標形式的絕對參照系下，建立瞬時流動狀態(tài)的控制方 程為
2.如權(quán)利要求1所述的構(gòu)建方法，其特征在于，在計算之前，首先要將計算區(qū)域離散 化，即在空間坐標和時間坐標上將連續(xù)的計算區(qū)域剖分成許多個網(wǎng)格單元，然后，在網(wǎng)格單 元上將控制方程及湍流附加方程離散為代數(shù)方程。
3.如權(quán)利要求1所述的構(gòu)建方法，其特征在于，所述分離式解法分為原始變量法和非 原始變量法。
4.如權(quán)利要求3所述的構(gòu)建方法，其特征在于，所述原始變量法是指首先使用一個猜 測的壓力場來解動量方程，得到速度場；接著求解通過連續(xù)方程所建立的壓力修正方程，得 到壓力場的修正值；然后利用壓力修正值更新速度場和壓力場；最后檢查結(jié)果是否收斂。 若不收斂，以得到的壓力場作為新的猜測的壓力場，重復(fù)該過程。
5.如權(quán)利要求1所述的構(gòu)建方法，其特征在于，在通過計算得到水力機械某一工況下的速度場和壓力場分布后，可通 過數(shù)學(xué)過程預(yù)估水力機械的能量和空化特性。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于公開Reynolds時均法建立湍流模型的構(gòu)建方法，通過基于k-ε雙方程湍流模型的全流道三維定常湍流計算，獲得相應(yīng)的流動細節(jié)，可以對各過流部件內(nèi)的流動有定性的認識，根據(jù)計算結(jié)果對軸流泵的能量、空化性能做了定量的預(yù)估，揭示了水力機械空化和水力振動等重要水力特性的機理，從而為研究和開發(fā)高性能、大流量、高水頭水泵或水輪機裝置提供理論和技術(shù)依據(jù)，實現(xiàn)本發(fā)明的目的。
文檔編號G01M10/00GK102141464SQ20101010327
公開日2011年8月3日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者吳永旭, 見文, 魏培茹 申請人:上海東方泵業(yè)(集團)有限公司