SIMPLE算法的高精度格式及其在叶轮机械中的应用研究

论文摘要

叶轮机械内部流动是极其复杂的湍流流动,对其准确预测一直是CFD所面临的重要课题。本文针对常规数值模拟方法预测离心叶轮“射流-尾迹”现象时产生的假扩散问题,提出使用高精度有限体积算法并结合RNG k-ω模型对这一类复杂流动问题进行求解。数值算法是数值模拟的关键,本文以非交错网格的SIMPLE算法为基础,通过延时修正的方法纳入高精度的对流离散格式,并设计与编制Fortran程序,发展出一套通用的求解程序。在此基础上,考虑RNG k-ω模型在模拟旋转和旋流流动中的优势,使用高精度格式和RNG k-ω相结合对Ghost叶轮叶内部的三维湍流流动进行数值模拟,并与实验数据比较,分析离心式三元叶轮中的湍流现象与“射流-尾迹”结构。针对某轴流风机试验台的设计方案进行数值模拟分析,预测其在特定流量下的流动状态。根据压力、速度和壁面极限流线的分布,分析其内部的涡运动和能量损失,确定实验的最佳参数。开发出一套特定的网格读取程序,使自编程序的计算网格和Gambit所划分的网格实现互相兼容转换,并应用到算例计算中,取得较好的效果。大大降低了数值计算中的网格生成的难度,节约时间成本。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 简写符号
• 主要符号列表
• 第1章 绪论
• 1.1 背景介绍
• 1.2 叶轮机械内部流场模拟的研究现状及进展
• 1.2.1 计算流体力学（CFD）方法概述
• 1.2.2 叶轮机械内部流场模拟研究概述
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 SIMPLE算法及高精度格式
• 2.1 控制方程
• 2.1.1 质量守恒
• 2.1.2 动量守恒
• 2.1.3 能量守恒
• 2.1.4 控制方程的通用形式
• 2.2 坐标变换
• 2.3 控制方程的离散
• 2.4 高精度格式和延时修正方法
• 2.5 湍流模型
• 2.5.1 湍流模型的必要性
• 2.5.2 标准κ-ε模型与RNG κ-ε模型
• 2.6 整体的计算流程
• 2.7 网格生成
• 2.7.1 网格生成技术简介
• 2.7.2 Gambit网格结构
• 第3章 离心式三元叶轮内部湍流的计算研究
• 3.1 计算模型与网格
• 3.2 不同离散格式模拟结果对比
• 3.3 不同湍流模型模拟结果对比
• 3.4 Fluent计算结果
• 3.5 非稳态的计算结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 轴流风机实验台设计方案的数值考核
• 4.1 轴流风机试验台设计方案
• 4.2 网格生成的困难
• 4.2.1 网格域简介
• 4.2.2 本文网格生成的困难
• 4.2.3 解决方案
• 4.3 计算结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 主要工作与结论
• 5.2 创新点
• 5.3 工作展望
• 参考文献
• 致谢