文档介绍：湍流理论的发展及其在水轮机中的应用
李连超等! 湍流理论的发展及其在水轮机中的应用水利水电技术第!! 卷"##" 年第$# 期
湍流理论的发展及其在水轮机中的应用
李连超,崔学明,常近时
( 中国农业大学( 东区) ,北京
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摘!
要"
针对湍流计算在水轮机优化设计中日益突出的作用, 本文将沿着统计理论、模式理论、直接数值模拟、大涡模
拟等方向发展起来的湍流基础理论进行了简要的历史回顾, 并着重论述了为解决工程应用问题而发展起来的湍流模式理指出目前在工程上对水轮机过流部件初步设计时仍然采用不考论及湍流模型( 同时回顾了水轮机流场计算的发展历程, 而进一步精确计算则依赖于模式理论基础上的湍流模型计算( 目前出现的各种湍流模型都虑粘性的准)* 和)* 欧拉法, 需要确定常数, 因此均缺乏普遍性( 可以说’目前工程上水轮机过流部件的计算是准)* 、欧拉法计算以及各种湍流模)* 型计算并存的局面( 关键词" ! 湍流;水轮机; +,* 文献标识码: 0 文章编号: /"""#"1$" ( !""! ) /"#""/2#") 中图分类号: -.&)"(/
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引
言
/ 构; 湍流直接数值模拟等与湍流的关系等[] (
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湍流和湍流统计理论湍流统计理论是将经典流体力学与统计学方法相结合来
湍流一直是力学的难题, 识湍流内在机理并使其在工程认上得以充分应用很有价值( 从/11) 年 3456789: 开始的层流过渡到湍流实验到现在, 国内外学者分别从直接数值模拟、涡模拟、形理论和实验大分等方面对湍流机理进行了深入细致的研究, 成了许多湍流研形伴究本身特有的概念和方法( 在湍流研究进行的一百多年中, 随湍流机理的研究深入和现代计算技术的发展, 解决工程应为用问题而发展起来的湍流模式理论得到很大推动, 现了很多出应用于工程流体计算的湍流模型( 水轮机内的真实流动是随机的,三维粘性不可压湍流( 水轮机流动计算的发展历程基本上与;<= 方程求解技术的进展同步( 早期的+,* 采用准三元欧拉法和三元欧拉法, 前则普目遍采用全三维、时均化处理、方程模型的雷诺方程进行计算, 双也有应用大涡模拟原理进行水轮机过流部件计算的报导( 由于对湍流机理还未能充分了解, 立在模式理论基础上的各种湍建流模型由于都需要通过实验或经验确定某些常数, 以还缺乏所其通流部件的几何形状复杂, 进行各普遍性( 对于水轮机来说, 部件的单独计算及通流部件的联合运算时应采用何种湍流模型尚无定论( 另外, 随着计算机技术和软件技术的发展, 逐渐解决了流动计算量大的问题, 得水轮机中存在的非定常流引起使的流动问题( 尾水管中的涡带) 过采用非定常流动分析成如通为可能(
! , 研究湍流的理论[] 是湍流迄今为止最为完备的理论体系( /2)%
年, >(?(-***@857A 首先提出一种理想化的湍流模型:均匀各向同性
/ 湍流[] !" 世纪%"B1" 年代, 培源先生等提出了均匀各向同周(
性湍流的准相似条件以及相应均匀各向同性湍流的涡旋结构
! 湍统计理论, 发展了湍流统计理论[] 但是, 流统计理论无法绕(
过方程组不封闭的困难( 随着湍流理论其他研究方法的出现, 其重要性呈下降趋势(
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湍流与直接数值模拟比大涡模拟更先进的描述湍流运动的方法是直接数值模
拟( 直接数值模拟所采用的数值方法多为谱方法或伪谱方法(
) CA:******@E 等人在谱方法的发展方面做出了重要贡献[] /21&amp; 年, ( I ; .FG, H7F6, H7:4A 模拟了雷诺数为) )"" 的槽流[] /211 年=******@******@AK % 按动量厚度计算的雷诺数/ I/",模拟了平板边界层流动[] /22% ;
年,王健平教授发表了非周期性傅立叶变换和有限谱法的概念, 展成适用于湍流的各种复杂流场的方法( 吴江航教授构发建了湍流的均匀化理论与多重尺度的 L7A767F 的自然元模型, 为高精度的湍流计算探索了一条新的有希望的途径( 但是, 湍流直接数值模拟的研究还受限于计算机的速度和容量, 全的完数值模拟还不能计算高雷诺数的流动(
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湍流与大涡模拟大涡模拟的主要思想是把湍流运动分成大尺度涡和小尺
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湍流和湍流基础理论研究回顾
从著名的 3456789 圆管实验到现在,对湍流基础理论研究
度涡, 尺度涡用直接数值求解, 尺度涡则采用“格子模大小亚型”与大尺度涡发生联系, 从而得到闭合解(
收稿日期: !""!#"$#"% 作者简介:李连超, !&amp; 岁’在读博士研究生( 男,
进行了百余年, 要的方向有: 流稳定性; 流的统计理论; 主湍湍湍流模式理论; 湍流边界层计算; 流实验; 变湍流的逆序结湍切