一种Reynolds时均法建立湍流模型的构建方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102141464A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102141464A(43)申请公布日2011.08.03(21)申请号201010103277.9(22)申请日2010.01.29(71)申请人上海东方泵业(集团)有限公司地址201906上海市宝山区富联路1588号(72)发明人吴永旭见文魏培茹(74)专利代理机构上海天翔知识产权代理有限公司31224代理人刘粉宝(51)Int.Cl.G01M10/00(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图2页(54)发明名称一种Reynolds时均法建立湍流模型的构建方法(57)摘要本发明的目的在于公开Reynolds时均法建立湍流模型的构建方法，通过基于k-ε双方程湍流模型的全流道三维定常湍流计算，获得相应的流动细节，可以对各过流部件内的流动有定性的认识，根据计算结果对轴流泵的能量、空化性能做了定量的预估，揭示了水力机械空化和水力振动等重要水力特性的机理，从而为研究和开发高性能、大流量、高水头水泵或水轮机装置提供理论和技术依据，实现本发明的目的。CN10246ACCNN110214146402141471A权利要求书1/2页1.一种Reynolds时均法建立湍流模型的构建方法，其特征在于，它包括如下步骤：(1)采用Reynolds时均法把湍流的瞬时运动看作是由平均值和脉动值所对应的两个流动叠加而成，在时均系下，在直角坐标形式的绝对参照系下，建立瞬时流动状态的控制方程为：(2)引入涡粘系数μt，通过涡粘系数μt建立了Reynolds应力与平均速度梯度的关系：式中，μt为涡粘系数，ui为时均速度，δij是“Kroneckerdelta”符号，k为湍动能；(3)依据确定涡粘系数μt的微分方程数目，提出了标准k-ε模型；在标准k-ε模型中，湍动能k和耗散率ε是两个基本未知量，对应的输运方程为：其中，Gk是由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，Gb是由浮力引起的湍动能k的产生项，YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献，C1ε、C2ε和C3ε为经验常数，σk和σε分别是与湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl数，Sk和Sε是用户定义的源项；(4)将步骤(1)(2)(3)方程离散为代数方程，建立离散方程，有o式中，φnb是φp的邻点速度，aP和anb为系数，φP为上一层次之解，a为松弛因子，是代数方程源项，b为源项中的常数部分；(5)采用分离式解法，顺序地、逐个地求解离散方程中各变量代数方程组；(6)检查结果是否收敛。若不收敛，以得到的结果作为新的猜测，重复该过程。2.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，在计算之前，首先要将计算区域离散化，即在空间坐标和时间坐标上将连续的计算区域剖分成许多个网格单元，然后，在网格单元上将控制方程及湍流附加方程离散为代数方程。3.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述分离式解法分为原始变量法和非原始变量法。4.如权利要求3所述的构建方法，其特征在于，所述原始变量法是指首先使用一个猜测的压力场来解动量方程，得到速度场；接着求解通过连续方程所建立的压力修正方程，得到压力场的修正值；然后利用压力修正值更新速度场和压力场；最后检查结果是否收敛。若不收敛，以得到的压力场作为新的猜测的压力场，重复该过程。5.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，在通过计算得到水力机械某一工况下2CCNN110214146402141471A权利要求书2/2页的速度场和压力场分布后，可通过数学过程预估水力机械的能量和空化特性。3CCNN110214146402141471A说明书1/5页一种Reynolds时均法建立湍流模型的构建方法技术领域[0001]本发明涉及一种构建方法，特别涉及一种为了研究水力机械运行特性，将计算流体动力学(CFD)理论与方法应用于水力机械湍流分析，通过Reynolds时均法建立湍流模型预估水力机械能量特性和空化特性的构建方法。背景技术[0002]随着南水北调及三峡水利工程的兴建，水泵、水轮机作为关键水力机械装置，其容量和尺寸在不断增大。从已投产的大型泵站和水电站的运行情况看，大型机组普遍存在振动、空化、出力(效率)不足等问题。振动和空化等特性直接与过流部件的水压力脉动有关，解决这些问题的关键在于有效掌握和控制相应过流部件的流场。[0003]观测表明，水力机械内部流动在多数情况下处于湍流状态，流场由各种不同尺度的湍流涡叠合而成，这些湍流涡具有旋转结构，湍流涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的，由于湍流的复杂性，很难通过试验来掌握水力机械内部的湍流状态，而计算流体动力学(CFD)理论和方法，给我们认识水力机械湍流流动提供了一种新的途径，对揭示水力机械流场流动特性与结构动力特性间的复杂关系，具有潜在的优势。[0