CFD技術在水力機械研究中的應用路徑

在水力機械研究過程的CFD技術應用中，氣液兩相流計算、泥沙磨損預測研究、轉輪性能優(yōu)化與預測、相互結合的流體和強度計算、非定常流計算均屬于其中代表。為更好發(fā)揮CFD技術優(yōu)勢，滿足水力機械研究需要，正是本文圍繞該課題開展具體研究的原因所在。

CFD技術在水力機械研究中的應用路徑

1. 常用方式

在水力機械的研究中，氣液兩相流計算、泥沙磨損預測研究、轉輪性能優(yōu)化與預測、相互結合的流體和強度計算、非定常流計算均屬于其中代表。以氣液兩相流計算為例，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械內(nèi)部，水泵和水輪機的空化流動便屬于典型的氣液兩相流問題。對于部分負荷條件下運行的混流式水輪機來說，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，才可以實現(xiàn)對尾水管流動規(guī)律的理解和掌握，滿足水力機械研究需要。在基于CFD技術開展的以氣液兩相流計算研究中，結合已有的相關計算模型，如基于貼體坐標和有限體積法的氣液兩相湍流兩流體計算模型，配合CFD技術，即可通過數(shù)值模擬獲得相關數(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實基礎。在水力機械水力穩(wěn)定性預測領域，CFD技術做出的預測僅可以作為參考，這是由于CFD計算天然存在計算效率和計算精度層面的限制所致，CFD技術在水力不穩(wěn)定機理與特性、縮短計算時間、提高計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技術更好地服務于水力機械研究，近年來學界圍繞CFD在水力機械研究中的應用開展了大量理論研究和實踐探索，CFD技術的應用發(fā)展方向也因此逐漸明確，如加強LES方法應用、提高數(shù)值模擬精度、加強重點部位流動計算等。在加強LES方法應用中，需重點研究水力機械流動精準數(shù)值預測過程當中LES方法的應用，如以有限體積法離散過程作為研究切入點，提出針對性的濾波方案滿足水力機械湍流計算精度控制需要;提高數(shù)值模擬精度同樣可以為水力機械研究提供支持，如兩相流研究與水力穩(wěn)定性研究均可由此實現(xiàn)長足推進，具體研究需關注計算方法和計算模型的提出和優(yōu)化。以上文提及的氣液兩相流計算為例，為基于CFD計算實現(xiàn)計算的優(yōu)化，需重點關注空泡生成、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，結合復雜的能量、動量、質(zhì)量交換機理，即可推進空化流理論和數(shù)值模型的發(fā)展，這一過程還需要考慮水力機械的運行特色、流道特色;水力機械研究涉及的重點部位較為多樣化，如間隙、近壁區(qū)，圍繞這類部位開展的CFD研究需關注水力機械及主流區(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技術的應用可實現(xiàn)從“粗放”向“精細”發(fā)展的內(nèi)部流場數(shù)值研究，水力機械流動特性可由此實現(xiàn)更為全面的研究，CFD技術的優(yōu)勢也可由此實現(xiàn)最大程度發(fā)揮。