叶轮机非定常边界层数值模拟

摘要

叶轮机内部流动非常复杂,仅以传统的稳态全湍流方法对叶轮机内边界层流动进行数值模拟显然已不能满足工程需求。
　　 本文首先基于雷诺平均方法求解Navier-Stokes方程,将原始SA湍流模型的生成项看作为一个输运变量,在数值模拟中额外引入其输运方程以考虑流动中的转捩现象。采用有限体积法进行空间离散,迎风的Roe通量差分裂方法及三阶MUSCL格式计算对流通量,粘性通量采用二阶中心差分离散,同时引入低速预处理技术。发展了一套适用于求解叶轮机内复杂流动的非定常数值求解方法。
　　 其次,选用平板边界层转捩流动、定常/非定常条件下的分离流动和叶栅通道内分离流动对该方法进行了数值验证,通过与实验对比发现,该方法不仅对叶轮机中常见的旁路转捩有较好的预测性能,还对于定常/非定常条件下分离边界层分离点以及分离诱导转捩的模拟也具有一定的精度,为叶轮机内复杂流动的模拟提供了一种简单而有效的数值方法。
　　 最后,分析分离边界层的模拟结果表明,叶栅通道内分离泡的大小对叶轮机的性能有着重要的影响,当分离泡为小分离泡时,分离泡会促使边界层由层流迅速转变为湍流,使边界层内动能加大,流动不易分离,对叶轮机性能的提高发挥着积极的作用。而当分离泡为长分离泡时,因分离泡的存在促使通道内流通面积发生变化,通道在非设计工况下工作,流动损失加大。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录、注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 叶轮机内部流场的研究方法

1.2.1 叶轮机内部流场实验方法的发展

1.2.2 叶轮机内部流场数值方法的发展

1.2.3 叶轮机内非定常流数值方法研究现状

1.3 研究内容

第二章 NS方程组的定常与非定常数值求解

2.1 控制方程及有限体积法

2.1.1 控制方程

2.1.2 矩阵的预处理

2.1.3 有限体积法

2.2 空间离散格式

2.3 特征边界条件

2.3.1 进口边界条件

2.3.2 出口边界条件

2.3.3 壁面边界条件

2.4 时间推进

2.4.1 定常求解的时间推进方法

2.4.2 非定常求解的时间推进方法

2.4.3 加速收敛技术

2.5 本章小结

第三章 湍流模型及转捩模型

3.1 湍流模型

3.2 转捩模型

3.3 湍流模型中其他项的修正

3.4 边界层参数的求解

3.5 本章小结

第四章 零压力梯度下平板边界层转捩数值模拟

4.1 T3系列平板实验介绍

4.2 T3系列平板边界层转捩的数值模拟

4.2.1 计算模型与网格

4.2.2 T3A平板边界层转捩预测

4.2.3 T3B平板边界层转捩预测

4.2.4 计算结果分析

4.3 本章小结

第五章 定常/非定常分离边界层数值模拟

5.1 定常/非定常分离边界层实验介绍

5.2 定常/非定常分离边界层数值模拟

5.2.1 几何模型与计算网格

5.2.2 定常分离边界层数值模拟与结果分析

5.2.3 非定常分离边界层数值模拟与结果分析

5.3 本章小结

第六章 双圆弧平面叶栅边界层数值模拟

6.1 双圆弧平面叶栅实验介绍

6.2 双圆弧平面叶栅数值模拟

6.2.1 几何模型与计算网格

6.2.2 双圆弧平面叶栅数值模拟结果与分析

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 本文结论

7.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文