基于PANS模型的弯肘形渐缩/渐扩流道三维湍流结构的研究

针对泵站和水电站广泛采用的弯肘形渐缩/渐扩流道，采用模型试验和数值模拟方法，研究流道三维湍流结构，以及由此引起的压力脉动和水力损失特性。在数值模拟过程中，将尝试引入近几年新发展起来的湍流数值计算模型- - PANS模型，并在流道模型试验结果的支持下，重点研究湍流尺度的未分解耗散与总耗散比率，增加适用于近壁面区域低雷诺数流动的算法，拓展PANS模型的适用性。争取用改进后的PANS模型所具有的直接数值模拟（DNS）模式，以比雷诺时均法和大涡模拟方法更高的流场解析度，来表征这类流道在有旋来流或有旋出流条件下的湍流流态，特别是渐扩流动在近壁面区域的脱流及流道涡带特性。为准确分析弯肘形渐缩/渐扩流道内的流动提供一种新的工具，为大型泵站进水流道和水电站尾水管的水力设计和性能优化提供科学依据。

弯肘形渐缩/渐扩流道在大型泵站和大型水电站中广为应用。这种流道曲率大、断面面积沿流线方向不断变化，各种尺度的湍流涡在流道内不断转换，从而使得流道对与之匹配的水泵、水轮机水力效率和压力脉动有重要影响。由于湍流结构的复杂性，目前采用计算流体动力学方法还难以对弯肘形渐缩/渐扩流道复杂流动给出准确的预测，湍流结构问题是制约泵站及水电站发展的重要问题之一。局部时均化模型（PANS）给出了一种新的湍流求解思路，该模型仅通过未分解湍动能与总湍动能的比率 和未分解耗散与总耗散的比率 对输运方程进行修正，实现了数值计算从雷诺时均化模型（RANS）到直接数值模拟（DNS）的平滑过渡。本项目基于局部时均化模型，对该湍流计算理论及其在弯肘形流道上的应用进行了分析研究。首先，设计并加工了弯肘形流道试验系统，进行了肘形区域三维流场的流态测试，获得了流道在不同条件下的流动特点，并分析了流道内流态对水泵的水力性能影响。其次，研究了PANS模型中未分解湍动能比率 取值范围及对数值计算精度的影响。研究表明，改变 的取值，可实现对不同滤波尺度范围内湍流的求解；随着 的减小，PANS模型的求解精度提高；当 减小到一定程度后，继续减小 值对提高计算精度的贡献不大，相反增加了计算时间的消耗。第三，构建了适用于近壁面区域低雷诺数（LRN）流动的算法。在控制方程中引入衰减函数 、 和 ，推导了新的湍动能及耗散率方程。通过与现有结果对比表明，LRN PANS模型提高了标准PANS数值求解近壁面区域湍流尺度的求解精度；在相同的 条件下，该方法可以预测到更多的湍流尺度的运动，湍流尺度大小的分布范围也比较广；LRN PANS模型可以精确地预测边界层内的附着流动状态、分离流动位置、再附着流动位置、二次循环涡的大小及位置等。第四，对比分析了PANS模型与其他湍流模型在水泵及水轮机流动分析中的适用性，完成了多台包括渐缩进水流道的水泵和包含渐扩尾水管流道的水轮机的水力分析，获得了水泵与水轮机系统中流道与转轮相互作用关系。研究成果不仅为准确分析弯肘形渐缩/渐扩流道内的流动提供了一种新工具，还为大型泵站进水流道和水电站尾水管水力设计和性能优化提供了科学依据。