动态三阶非线性SGS模型及其在离心泵流动模拟中的应用

发布时间：2017-12-14 21:14

  本文关键词：动态三阶非线性SGS模型及其在离心泵流动模拟中的应用

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【摘要】：旋转湍流是离心泵中的典型流动现象,具有逆压梯度高、流线曲率大、旋转效应突出的特点,同时伴随强烈的三维随机脉动特性,求解时均化Navier-Stokes方程的雷诺时均方法(RANS)和传统的基于涡粘假设亚格子模型的大涡模拟方法(LES)均难以准确体现旋转效应的影响,无法准确捕捉离心泵内旋转湍流特性。因此,发展体现旋转效应的非线性亚格子模型,研究离心泵内旋转湍流结构,对深入揭示离心泵非稳定流动机理有重要意义。针对包含应变率张量与旋转率张量的二阶非线性SGS模型对旋转效应的体现不充分的问题,本文基于RANS方法雷诺应力的三阶非线性张量多项式本构模型,发展了一种动态三阶非线性SGS模型(DCNM),该模型为关于应变率张量与旋转率张量的三阶函数,能更充分地体现旋转效应的影响。模型包含3个模型系数,采用扩展的Germano动态过程对其进行动态求解。本文基于开源的CFD平台OpenFOAM,构建了非线性亚格子模型的程序模块,该模块适用于任意显式非线性SGS模型,拓展了 OpenFOAM的求解能力。在此基础上,将DCNM模型应用于旋转槽道流及Taylor-Couette流2种典型旋转湍流中,通过与现有SGS模型计算结果及DNS结果的对比分析,验证了 DCNM模型可以更有效体现旋转效应的影响,并能反映湍流能量从亚格子尺度到大涡尺度的反向传递。为分析离心泵非稳定流场中旋转效应的影响,将DCNM应用于离心泵中作进一步分析。对于存在失速涡的Pedersen离心泵,DCNM模型准确地捕捉到了失速涡的位置;对于存在动静干涉作用的ERCOFTAC离心泵,新模型较好地预测了无叶区的速度分布。基于雷诺应力输运方程分析了生成项与旋转项对泵内湍流场的影响,验证了叶轮流道内旋转项起到能量再分配作用,并揭示了生成项在离心泵内部发生失速时同样起到能量再分配作用;在叶轮之外的无叶区,湍流能量的再分配由生成项主导而旋转项的作用可忽略。本文研究成果为离心泵等旋转机械内部强旋转湍流的准确解析奠定了基础,基于雷诺应力输运方程的湍流场分析也为离心泵内部复杂流动的研究提供了新思路。
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH311

【参考文献】

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本文编号：1289380