CFD技術(shù)在水力機(jī)械研究中的應(yīng)用路徑

在水力機(jī)械研究過程的CFD技術(shù)應(yīng)用中，氣液兩相流計(jì)算、泥沙磨損預(yù)測研究、轉(zhuǎn)輪性能優(yōu)化與預(yù)測、相互結(jié)合的流體和強(qiáng)度計(jì)算、非定常流計(jì)算均屬于其中代表。為更好發(fā)揮CFD技術(shù)優(yōu)勢，滿足水力機(jī)械研究需要，正是本文圍繞該課題開展具體研究的原因所在。

CFD技術(shù)在水力機(jī)械研究中的應(yīng)用路徑

1. 常用方式

在水力機(jī)械的研究中，氣液兩相流計(jì)算、泥沙磨損預(yù)測研究、轉(zhuǎn)輪性能優(yōu)化與預(yù)測、相互結(jié)合的流體和強(qiáng)度計(jì)算、非定常流計(jì)算均屬于其中代表。以氣液兩相流計(jì)算為例，氣液兩相流問題屬于自然界中很多工程問題的具體表現(xiàn)，該問題廣泛存在于水力機(jī)械內(nèi)部，水泵和水輪機(jī)的空化流動便屬于典型的氣液兩相流問題。對于部分負(fù)荷條件下運(yùn)行的混流式水輪機(jī)來說，不穩(wěn)定流很容易產(chǎn)生于尾水管內(nèi)部，呈螺旋狀擺動的渦帶也會因此出現(xiàn)，最終引發(fā)低頻壓力脈動，并造成空蝕、噪音、功率擺動、廠房與機(jī)組振動現(xiàn)象，水電站因此受到的危害同樣需要得到重視。氣液兩相流動屬于尾水管渦帶流與空化流動的本質(zhì)，因此必須深入研究氣液兩相流動，才可以實(shí)現(xiàn)對尾水管流動規(guī)律的理解和掌握，滿足水力機(jī)械研究需要。在基于CFD技術(shù)開展的以氣液兩相流計(jì)算研究中，結(jié)合已有的相關(guān)計(jì)算模型，如基于貼體坐標(biāo)和有限體積法的氣液兩相湍流兩流體計(jì)算模型，配合CFD技術(shù)，即可通過數(shù)值模擬獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，為開展空化流動和尾水管渦帶氣液兩相流動奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在水力機(jī)械水力穩(wěn)定性預(yù)測領(lǐng)域，CFD技術(shù)做出的預(yù)測僅可以作為參考，這是由于CFD計(jì)算天然存在計(jì)算效率和計(jì)算精度層面的限制所致，CFD技術(shù)在水力不穩(wěn)定機(jī)理與特性、縮短計(jì)算時(shí)間、提高計(jì)算精度方面存在的更高追求也需要得到重視。

2.發(fā)展方向

為保證CFD技術(shù)更好地服務(wù)于水力機(jī)械研究，近年來學(xué)界圍繞CFD在水力機(jī)械研究中的應(yīng)用開展了大量理論研究和實(shí)踐探索，CFD技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展方向也因此逐漸明確，如加強(qiáng)LES方法應(yīng)用、提高數(shù)值模擬精度、加強(qiáng)重點(diǎn)部位流動計(jì)算等。在加強(qiáng)LES方法應(yīng)用中，需重點(diǎn)研究水力機(jī)械流動精準(zhǔn)數(shù)值預(yù)測過程當(dāng)中LES方法的應(yīng)用，如以有限體積法離散過程作為研究切入點(diǎn)，提出針對性的濾波方案滿足水力機(jī)械湍流計(jì)算精度控制需要;提高數(shù)值模擬精度同樣可以為水力機(jī)械研究提供支持，如兩相流研究與水力穩(wěn)定性研究均可由此實(shí)現(xiàn)長足推進(jìn)，具體研究需關(guān)注計(jì)算方法和計(jì)算模型的提出和優(yōu)化。以上文提及的氣液兩相流計(jì)算為例，為基于CFD計(jì)算實(shí)現(xiàn)計(jì)算的優(yōu)化，需重點(diǎn)關(guān)注空泡生成、發(fā)育、潰滅和回彈的動態(tài)過程，水氣之間、氣泡之間的相互影響也需要得到重視，結(jié)合復(fù)雜的能量、動量、質(zhì)量交換機(jī)理，即可推進(jìn)空化流理論和數(shù)值模型的發(fā)展，這一過程還需要考慮水力機(jī)械的運(yùn)行特色、流道特色;水力機(jī)械研究涉及的重點(diǎn)部位較為多樣化，如間隙、近壁區(qū)，圍繞這類部位開展的CFD研究需關(guān)注水力機(jī)械及主流區(qū)的整體流動，并深入分析迷宮環(huán)、間隙、近壁區(qū)等部位流動帶來的影響，由此作為研究切入口，即可保證CFD技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)從“粗放”向“精細(xì)”發(fā)展的內(nèi)部流場數(shù)值研究，水力機(jī)械流動特性可由此實(shí)現(xiàn)更為全面的研究，CFD技術(shù)的優(yōu)勢也可由此實(shí)現(xiàn)最大程度發(fā)揮。