三維非定常湍流

湍流是流體的一種流動狀態。非定常流動是流體的流動狀態隨時間改變的流動。三維流動的流動參數表示為三個空間坐標的函式。

隨著計算機技術和計算流體動力學的發展及其套用，及湍流理論和湍流模型的進展，應研究水輪機全流道三維非定常湍流的數值模擬的理論和方法，分析模型和真機的流道湍流特性，計算全流道非定常湍流的瞬時流場、葉片邊界層分離以及葉道渦、葉片脫流渦、葉片後卡門渦等的形成和運動規律，間隙湍流對主流的干擾和影響等，獲取水輪機全流道中的流場、壓力脈動分布以及流動變化對轉動部件的水動作用力。

基本介紹

• 中文名：三維非定常湍流
• 外文名：three-dimensional turbulent flow
• 一級學科：航空航天
• 二級學科：流體力學
• 湍流：流體的一種流動狀態
• 非定常流動：流體的流動狀態隨時間改變的流動

湍流

湍流是流體的一種流動狀態。當流速很小時，流體分層流動，互不混合，稱為層流，也稱為穩流或片流；逐漸增加流速，流體的流線開始出現波浪狀的擺動，擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增加，此種流況稱為過渡流；當流速增加到很大時，流線不再清楚可辨，流場中有許多小漩渦，層流被破壞，相鄰流層間不但有滑動，還有混合。這時的流體作不規則運動，有垂直於流管軸線方向的分速度產生，這種運動稱為湍流，又稱為亂流、擾流或紊流。

在自然界中，我們常遇到流體作湍流，如江河急流、空氣流動、煙囪排煙等都是湍流。

湍流是在大雷諾數下發生的，雷諾數較小時，黏滯力對流場的影響大於慣性力，流場中流速的擾動會因黏滯力而衰減，流體流動穩定，為層流；反之，若雷諾數較大時，慣性力對流場的影響大於黏滯力，流體流動較不穩定，流速的微小變化容易發展、增強，形成紊亂、不規則的湍流流場。

非定常流動

非定常流動是流體的流動狀態隨時間改變的流動。若流動狀態不隨時間而變化，則為定常流動。現實生活中，流體的流動通常幾乎都是非定常的。

按流動隨時間變化的速率，非定常流動可分為三類：

1）流場變化速率極慢的流動：流場中任意一點的平均速度隨時間逐漸增加或減小，在這種情況下可以忽略加速度效應，這種流動又稱為準定常流動。水庫的排灌過程就屬於準定常流動。可認為準定常流動在每一瞬間都服從定常流動的方程，時間效應只是以參量形式表現出來。

2）流場變化速率很快的流動：在這種情況下須考慮加速度效應。活塞式水泵或真空泵所造成的流動，飛行器和船舶操縱問題中所考慮的流動都屬這一類。這類流動和定常流動有本質上的差別。

3）流場變化速率極快的流動：在這種情況下流體的彈性力顯得十分重要，例如瞬間關閉水管的閥門。閥門突然關閉時，整個流場中流體不可能立即完全靜止下來，速度和壓強的變化以壓力波（或激波）的形式從閥門向上游傳播，產生很大的振動和聲響，即所謂水擊現象。這種現象不僅發生在水流中，也發生在其他任何流體中。在空氣中的核爆炸也會發生類似現象。

除上述三類流動外，某些狀態反覆出現的流動也被認為是一種非定常流動。典型的例子是流場各點的平均速度和壓強隨時間作周期性波動的流動，即所謂脈動流，這種流動存在於汽輪機、活塞泵和壓氣機的進出口管道中。直升飛機旋葉的轉動，飛機和飛彈在飛行時的顫振，高大建築物、橋墩以及水下電纜繞流中的卡門渦街等也都會形成這種非定常流動。流體運動穩定性問題中所涉及的流動也屬於這種非定常流動。但是一般並不把湍流的脈動歸入這種流動。兩者之間的差別在於：湍流脈動參量偏離其平均值要比非定常流動小得多，變化的時間尺度也短得多。

翼柱型裝藥燃燒室的三維非定常湍流

固體火箭發動機內流場數值計算日趨完善，國外最新的計算模型已綜合考慮了兩相流動、化學反應、燃燒、粒子沉積、湍流脈動等的影響，國內的劉宇等人在這方面也有高深的造詣。以往在此類計算中由於受計算條件的限制，存在著計算網點數過少、計算精度偏低、收斂速度較慢、只能用於簡單幾何形狀等缺陷。向紅軍在SIMPLE方法的基礎上，以雙方程封閉湍流模型，求解了三維非定常不可壓流N-S方程，所選算例沿燃燒室軸向採取了較密格線，前後段分別帶翼的裝藥幾何模型更接近於工程實際，進行了5個時間步的非定常計算，採取獨特的初場給定方法，大大加速了收斂速度，計算精度也有了大幅度的提高，已具備了適宜於工程粗略計算的能力。

水輪機的三維非定常湍流

隨著計算機技術和計算流體動力學的發展及其套用，及湍流理論和湍流模型的進展，應研究水輪機全流道三維非定常湍流的數值模擬的理論和方法，分析模型和真機的流道湍流特性，計算全流道非定常湍流的瞬時流場、葉片邊界層分離以及葉道渦、葉片脫流渦、葉片後卡門渦等的形成和運動規律，間隙湍流對主流的干擾和影響等，獲取水輪機全流道中的流場、壓力脈動分布以及流動變化對轉動部件的水動作用力。開展水輪機內部非定常流動機理的研究，將有助於對水輪機內部複雜非定常流動特性的理解和旋渦運動特性的認識，並使設計者有意識地對水輪機內部非定常流動加以控制，充分利用非定常流動中所帶來的益處，抑制非定常流動中可能引起的不利因素，對提高水輪機的整體性能和工作可靠性具有重要意義。

水輪機非定常流場中，流體振盪的頻率成份與水輪機系統密切相關，如葉片振動的固有頻率、動靜葉柵相互干擾的擾動頻率及進出口流動參數的波動頻率等都會產生流道內同樣頻率成份的流體振盪。從流體力學的觀點看，振盪流意味著流體在流動過程中，流動的各種參數值隨時間而脈動的物理現象。隨著水輪機中葉片振動故障的不斷增加，人們越來越重視葉片所受到的非定常激振力及其對葉片振動影響的研究。但是因為這個課題具有跨學科的特點，它涉及到非定常水動力學和結構動力學，所以開展研究非常困難。而且由於水動力學非定常分析結果與結構動力分析中的載荷壓力場相互不對應，必須將水動力學非定常分析給出的流場壓力轉化成結構動力分析中的壓力，才能進行水力機械的流固藕合分析。所以主要困難就是如何把流體計算得出的非定常壓力轉換為適合於結構動力計算的壓力，並引入有效的數值求解方法(如有限元)。由於這個課題的複雜性，固體(如葉片)在非定常流場擾動條件下的動力預測技術一直進展緩慢。由非定常振盪流導致的葉片高周疲勞問題乃至結構安全性問題己成為進一步提高水輪機各項性能的重大障礙。

水輪機中真實流動的非定常性不僅影響水輪機的效率、穩定性，還能激發振動和噪聲，導致葉片等發生顫振失穩產生過量附加動應力而產生裂紋，甚至斷裂破壞。隨著水輪機不斷向高比轉速、大容量的方向發展，對機組的穩定性要求越來越高，非定常流動對機組穩定性的影響也會更加凸顯。為了預測實際複雜流動，進行水輪機內由空間非均勻性和動靜部件相對運動所導致的非定常流動的數值模擬已成為現代水輪機研究的熱點問題和前沿方向。此外，還應該研究水輪機內部非定常渦流的形成和運動規律;水輪機內部非定常流動機理及其控制;水輪機瞬態過程的內部非定常流動的測試及內流機理;水輪機典型瞬態過程的非定常流動的數值計算模型和仿真技術;水輪機瞬態過程流固禍合振動機理和數值預測方法等。