叶片泵非设计工况叶轮内部流动分析和预测

论文摘要

叶片泵由于受到运行条件的影响,常常会在非设计工况下运行。叶片泵在非设计工况下运行时,不仅泵效率会显著降低,而且还会出现运行稳定性问题,从而造成能源的巨大浪费和系统运行可靠性的降低。因此,提高叶片泵在非设计工况下的效率和运行稳定性是大量工程实践中提出的亟待解决的问题。叶片泵在非设计工况下的内部流动结构极其复杂,而研究叶片泵在非设计工况下的内部流动机理、探寻有效的流动预测和控制方法,是提高叶片泵非设计工况下效率和运行稳定性的必不可少的基础性工作。本文工作的主要目的是在对非设计工况下叶轮内部流动结构分析的基础上提出合理的流动预测方法。通过CFD计算的验证与确认以及各种湍流的非定常计算模型的比较,分析了非设计工况下叶轮内部流动预测失效的原因;以非惯性坐标系下湍流流动机理分析为基础,建立流动预测模型并加以验证;利用新的流动预测模型对非设计工况下叶轮内部流动控制问题进行了初步探索。全文主要工作如下:一、非设计工况下叶轮内部流动预测失效的原因分析鉴于以往的研究中发现对叶片泵非设计工况下内部流动利用RANS方法进行预测时,其结果往往失效,本文对其进行了CFD计算的验证与确认。发现造成流动预测失效的原因是模型误差。在此基础上又利用URANS、混合RANS/LES以及LES这三类湍流模拟的非定常方法进行了数值模拟分析,进一步明确了不恰当地使用湍流模型是构成模型误差的最主要的原因。此外LES方法计算结果还表明叶轮旋转对叶轮内部流动的影响不仅通过离心力及科氏力的形式直接作用于大尺度流动,还改变了各种尺度的湍流脉动。二、建立适合描述叶片泵非设计工况下叶轮内部复杂流动结构的模型通过理论分析发现在旋转坐标系下雷诺应力的表达式与惯性坐标系下不同,但湍动能方程是相同的,使用以湍动能k为主要模型参数的湍流模型对非设计工况下叶轮内部流动进行预测时会产生模型误差。本文在A.Hellsten的旋转修正方法的基础上,通过对旋转坐标系下雷诺应力输运机制的分析提出了一种基于扩展内禀平均旋转张量的理查德森数的旋转修正方法。三、采用CFD手段对所建立的模型进行数值实验验证在ANSYS CFX 11.0软件中通过CEL(CFX Expression Language)的方式对该软件进行了二次开发,添加了本文所提的旋转修正模型,并通过算例对其进行了验证。较之前人的研究,本文所提出的理查德森数在叶轮流道内部的分布与从流动稳定性理论的角度分析得出的结果一致;利用旋转修正的RANS以及混合RANS/LES模型,在无导叶情况下获取了非设计工况下叶轮内部“交替失速”现象,与前人PIV及LDV测量结果相符,并且所得到的失速现象具有低频特征,也与其他研究者在实验中所测量得到的结果定性一致;此外还发现湍流脉动的频谱在惯性子区呈k? 3谱型,而不是惯性系下的k? 5/3的Kolmogorov谱,这与本文中LES的结果一致,且与旋转系统中的湍流理论相符。计算结果从多方面验证了本文所提修正方法的正确性,反映了系统旋转对湍流结构的改变是影响叶轮内部流动的重要因素。四、非设计工况下叶轮内部流动预测方法的理论分析数值模拟结果表明,LES方法对旋转系统中湍流进行计算时,仅对耗散区的高波数湍流结构使用亚格子模式进行处理,故可以准确把握非设计工况下叶轮内部的流动结构。而URANS方法以及混合RANS/LES方法对湍流进行数值模拟时,采用了惯性系统中的湍流模型,但旋转系统中雷诺应力的输运机制与惯性系下并不相同,使得这些方法在旋转坐标系下失效。扩展内禀平均旋转张量是从雷诺平均方程导出的,它反映了动力学机制,因此利用其定义的理查德森数对湍流模型进行的旋转修正可以正确反映系统旋转对流动结构的影响。五、利用本文所建立的模型,采用数值模拟手段,对非设计工况下叶轮内部的流动控制进行了初步探索使用修正后的基于SST的SAS湍流模型,对一种添加扰动圆柱的被动控制方法进行了初步探索,结果表明该控制方法在参数适当时可以通过改变流动结构实现叶片泵叶轮在非设计工况运行时效率的提升。最后对全文内容进行了总结,并指出需要进一步研究的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 叶片泵非设计工况叶轮内部流动分析和预测的研究意义
• 1.2 研究历史与现状
• 1.2.1 理论研究
• 1.2.2 实验研究
• 1.2.3 数值模拟
• 1.2.4 问题的提出
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 叶轮内部流动的流体力学基础
• 2.1 引言
• 2.2 量纲分析法
• 2.2.1 描述叶轮流动的无量纲参数
• 2.2.2 叶轮内部流动的相似率
• 2.3 叶轮设计的一元理论
• 2.4 叶轮设计的二元理论
• 2.4.1 二元流动分析
• 2.4.2 叶轮流道的二次流
• 2.5 叶轮内部流动的三维模型
• 2.5.1 射流尾迹模型
• 2.5.2 旋转坐标系下的Navier-Stokes 方程
• 2.6 叶轮内湍流计算的方法
• 2.6.1 叶轮内部湍流计算的RANS 方法
• 2.6.1.1 雷诺时均Navier-Stokes 方程
• 2.6.1.2 相对坐标系下的雷诺应力方程
• 2.6.1.3 旋转坐标系下的RANS 方法
• 2.6.2 非稳态湍流计算的LES 方法
• 2.6.2.1 LES 的基本方程
• 2.6.2.2 LES 的过滤器
• 2.6.2.3 LES 的亚格子模型
• 2.6.3 非稳态湍流计算的Hybrid LES/RANS 方法
• 2.6.3.1 双尺度方法
• 2.6.3.2 分离涡（DES）方法
• 2.6.3.3 尺度自适应模拟（SAS）方法
• 2.7 本章小结
• 第三章 叶轮内部流动 RANS 计算及其验证与确认
• 3.1 引言
• 3.2 CFD 计算的验证与确认
• 3.2.1 验证与确认中的相关概念
• 3.2.2 验证与确认的方法
• 3.2.3 验证的规程
• 3.2.4 确认的规程
• 3.3 叶轮内部流动RANS 计算的验证与确认
• 3.3.1 叶轮几何模型
• 3.3.2 计算网格
• 3.3.3 湍流模型
• 3.3.4 计算结果及讨论
• 3.3.4.1 湍流模型的影响分析
• 3.3.4.2 标准k? ε模型的验证与确认
• 3.4 本章小结
• 第四章 叶轮内部非稳态湍流的数值计算
• 4.1 引言
• 4.2 计算网格、初始及边界条件
• 4.3 数值方法
• 4.4 大涡模拟计算结果及分析
• 4.4.1 流动结构分析
• 4.4.2 压力脉动分析
• 4.5 混合RANS/LES 计算结果及分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 叶轮内部湍流模拟的旋转修正
• 5.1 引言
• 5.2 旋转系统中的湍流
• 5.2.1 湍流场的旋转效应
• 5.2.2 系统旋转对湍流产生的影响
• 5.2.3 系统旋转对边界层稳定性的影响
• 5.3 湍流模型的旋转修正
• 5.3.1 旋转坐标系下湍动能方程的问题
• 5.3.2 湍流模型的旋转修正
• 5.3.3 基于扩展内禀平均旋转张量的旋转修正
• 5.4 基于扩展内禀平均旋转张量的旋转修正的应用
• 5.4.1 叶轮流道内理查德森数的分布
• 5.4.2 非设计工况点内部流动结构的计算结果与分析
• 5.4.2.1 基于扩展内禀平均旋转张量的旋转修正的SST 模型
• 5.4.2.2 Hellsten 及基于内禀平均旋转张量的旋转修正的SST 模型
• 5.4.2.3 基于扩展内禀平均旋转张量的旋转修正的SAS 及DES 模型
• 5.4.2.4 旋转修正对平均流动结构的影响
• 5.5 叶轮内部湍流模拟的旋转修正讨论
• 5.5.1 旋转修正作用的分析
• 5.5.2 基于扩展内禀平均旋转张量的旋转修正的说明
• 5.6 本章小结
• 第六章 非设计工况下叶轮内部流动控制初步探索
• 6.1 引言
• 6.2 非设计工况下叶轮内部流动控制的数值模拟
• 6.2.1 扰动圆柱模型
• 6.2.2 数值模拟结果与讨论
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 本文创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成的工作
• 项目列表
• 文章列表
• 致谢