混流式水轮机中旋涡les法预测

（西华大学能源与环境学院，：本文基N－S程和大涡模拟（LES）模型，采用贴SIMPLE求解，对混流式水：水轮机旋涡流LES模型预ShyyBraaenk－ε模型的湍流计算方法对水轮机尾水管的稳态流动进行研究，从技术上验证了k－ε模型在尾水管流动计算的可行性。其后，Shyy又与Vu合作[2]以及[3]等，改进了计算条1件和某些处理方法，计算了尾水管稳态流场。LES（LargeEddySimulation）大涡模拟是建立在湍流统计1970Smogrins、DeardoffLESFLUENT数学（DNS于所有尺度都适用的传统的雷诺平均湍流模型（RANS，k－ε模型N－S的，其求解方更加有效。而LES法处于DNS与RANS之间，大尺寸漩涡用LES法，而小尺寸的漩RANSLESLES方程，同时也给出网格上的张力模型及其边界条件。LESLES方程通过在或空间域N－S方程滤掉时间项得到方程，在计算时，可以有效的滤掉比过滤网格小的漩涡，从而得到大涡的动量方程。这个理论主要用于不可压缩流体，过滤不可压缩N－S方程，将得到下方程（或称LES方程）[4]：*国家自然科学基金资助(基金编号

Vi1

Vi VV P i

x xjxj x 其中VV的平均速度，为水流运动粘性系数，ijijViVjViV过滤后得到的亚网格张力并不知道，需要建模，目前用的最广的漩涡粘性模型方程为：

1

2tS其中t为亚网格湍流粘性力，Sij是其张量旋率Sij

12 2

Vjxi关于t的模型，由Samagorin提出并由Lilly进一步完善，此模型方程SStSS2SijSS其中，LS为网格的混合长度，并 ，LS2SijSSLSmind,CS1/3其中VonKarman常数，CSSamagorin常数，d为到最近的壁面的距离，为计算单元的LillyCS0.23。然而这个值在平均剪切力出现时或流场过渡区建引起很大的阻尼振动，CS=0.1对大部分流动来说是一个理想的值。 ViVi其中I为波动强度，为Gaussion随机数，定义为0 1VVyV V1lnEVy 其中为VonKarmanE9.793水轮机内部旋涡流动的图1是水轮机过流通道的三个主要部件。利用FLUENT流动计算软件中的配套GAMBIT绘图软件，对过流通道进行网格划一用一种规格的网格。如图1的网格化几何模TGRID软件将几个过流部件连成一个整体，考虑轮相对于叶转动，应用FLUENT软件中的滑移网格技术来解决这个

后由软件自动生成整个网格。求解单元共计169508个，其中导叶27695个叶轮为83844个，尾水管5796944m（本机的最优运行水头2m。首先k－εLESLES模型的计算时间，本计算时间步长去为0.0001S。以计算综合特性曲线图2上的任意工况点的流动状态。2HL220水轮机模型综合特性曲线（对称型导叶起点到转轮出口的流线绕水轮机轴线旋转一周所成流面L上的速度分布，可以看出内的旋涡流，即叶带）情况，如图3～图7。设计手册推荐的在最优单元转速下的设计单元流量值为1140L/S，最优工况的单位流量值为1000L/S，本指的满负荷指的是设计负荷。 3a0=18mmn1=95rpmQ1=595L/S38%满负 L流面上内的速度分布（叶片尾部旋涡 图 5a0=22mmn1=70rpmQ1=810L/S71%满负 L流面上内的速度分 6a0=30mmn1=70rpmQ1=1070L/S95%满负 7a0=42mmn1=70rpmQ1=1315L/S105%满负PIV

40%负荷下（2）断面速度分布55%负荷下（2）断面速度分布90%负荷下（2）断面的速度分布90%负荷下（2）断面的速度分布 各3：30～40%满负荷时，涡带稍微偏心，并呈螺旋形，螺旋角较大，大部分水流是沿尾水管边壁顺时针方向（从上往下看）螺旋地往动，对比图9的A图，利用PIV系统得到流场数字图像，可以的，方向和CFD的结果相反，涡带的直径比较大，涡带中心的水流流动不规则；7，可以看出所计算出的涡带直径小，螺旋型，反时针方向从上往动，对比图9的图F况下有涡带的发生，这些与本次PIV测试的结果是吻合的。结参考文[1]著，固液两相流动及在涡轮机械中的数值模拟，：中国水利水电[2]T.C.VuandW.Shyy,Navier-Stokesflow ysisforhydraulicturbinedrafttubes.ASMEJ.ofFluidsEngineering,1990,112:199-204[3]，水轮机尾水管和转轮中湍流计算研究，博士，[4]T.Bui,Aparallelfinite-volumealgorithmforlarge-eddysimulationofturbulentflows,Computer&Fluids.2000,29:877-915.FluidMachinery，NewYork，1988[5]，水轮机压力脉动和水力振动的理论研究与数值预测，博士后工作，大学LIUXiao- ZENGYong-SchoolofEnergyandEnvironment,XihuaUniversity,Chengdu,610039,Thethree-dimensionalunsteadyturbulentflowisstudiednumericallyinthewholeflowpassageofFrancisturbine,inspeciallyvortexflowinthedrafttubeandrunnerisaccuraypredictedinthispaper.ThenumericalpredictionisbasedontheNavier-StokesequationsandLES(large-eddysimulation)model.TheSIMPLEalgori