专利名称：一种Reynolds时均法建立湍流模型的构建方法
技术领域：
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：
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。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。水力机械内的流动可以认为是不可压、非定常的三维湍流流动，由于湍流具有微 尺度上的高度脉动性，加之用于描述湍流的瞬时Navier-Stokes方程的非线性，以及水力 机械边界条件的多样性，使得方程不存在解析解，甚至不能用直接数值模拟(DNQ方法来 描述三维时间相关的全部流动细节。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Reynolds时均法建立湍流模型的构建方法，解决现 有存在的上述问题，采用Reynolds时均法对湍流脉动加以“简化”，在瞬时Navier-Stokes 方程的基础上构造附加的湍流模型。本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现一种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
关系
iMt
I Xj ‘
ι + S ,'Xi w Xj
+ Si
(2)引入涡粘系数μ t，通过涡粘系数μ t建立了 Reynolds应力与平均速度梯度的
UiUj
式中，μ t为涡粘系数，Ui为时均速度，Sij是“Kronecker delta”符号，k为湍动能； (3)依据确定涡粘系数μ 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
权利要求
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.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。
全文摘要
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。
文档编号G01M10/00GK102141464SQ20101010327
公开日2011年8月3日 申请日期2010年1月29日 优先权日2010年1月29日
发明者吴永旭, 见文, 魏培茹 申请人:上海东方泵业(集团)有限公司