崔桂香-2013—湍流大涡模拟及应用
可逆转轮单通道流动大涡模拟
可逆转轮单通道流动大涡模拟
徐岚;崔桂香;许春晓;张兆顺;陈乃祥
【期刊名称】《水力发电学报》
【年(卷),期】2007(26)4
【摘要】为准确预测不可压复杂边界的湍流流动,本文应用高精度有限体积法对曲面边界湍流进行了大涡模拟。
空间离散采用有限体四阶紧致格式,时间推进采用四阶Runge-Kutta法,压力-速度耦合应用四阶紧致格式的动量插值,亚格子应力模式采用动态Smagorinsky模式,复杂边界的处理则应用了浸没边界法,成功地实现了弯槽湍流、NACA0012标准翼型绕流流动和可逆式水泵水轮机转轮内单流道流动的大涡模拟计算,所得结果与已有结果或实验结果吻合良好,表明该方法对于湍流大涡模拟方法在流体机械工程领域中的应用和发展具有重要意义。
【总页数】6页(P124-129)
【关键词】水力机械;可逆转轮;大涡模拟;有限体积法;浸没边界
【作者】徐岚;崔桂香;许春晓;张兆顺;陈乃祥
【作者单位】清华大学热能工程系;清华大学工程力学系
【正文语种】中文
【中图分类】TK72;TV131.2
【相关文献】
1.基于大涡模拟尾水管涡带模拟及流动特性研究 [J], 钟林涛
2.基于大涡模拟的抑制孔腔涡旋流动与脉动压力的流动控制方法研究 [J], DENG
Yu-qing;ZHANG Nan
3.混流式转轮中流场的大涡模拟 [J], 张昌兵;杨永全;鞠小明;桂林
4.大涡模拟研究两相燃烧的进展(Ⅱ)复杂气固流动和煤燃烧的大涡模拟(英文) [J], 周力行;胡瓅元
5.可逆转轮三维流动的涡动力学诊断研究 [J], 樊红刚;陈乃祥;杨琳
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抽水蓄能电站压水气系统中压储气罐
0 引言抽水蓄能技术经过多年的发展，已成为当今最为成熟可靠、经济高效的物理储能设施[1]。
短期来看，抽水蓄能仍能以其低廉的成本、完善的运营机制，占领大规模大容量的储能市场[2]。
抽水蓄能电站通过在多种工况之间快速频繁转换，完成平滑负荷、削峰填谷的重要任务，大大提高了常规电力系统及能源系统的综合利用效率和供电安全可靠性[3]。
而压水气系统是抽水蓄能机组实现调相运行及水泵工况启动的核心，该系统通过在转轮室内注入中压压缩空气将水位压至转轮以下，使转轮在空气中旋转，机组得以快速启动、平稳运行[4]。
压水气系统的高压空气贮存于中压储气罐之中，于排气压水工况及排污工况中快速膨胀释放，使得罐体迅速降温[5，6]，并且产生一定程度的噪声污染[7]，但尚不清楚针对压水气系统排污工况罐内的流场及噪声特征。
图1展示了中压储气罐及其附属设施的基本情况，压水气系统中压储气罐排污工况，是指气罐在定期维护时，短暂打开气罐排污阀门，排出气罐底部沉积杂质的过程，该过程的特点是时间短、压力高。
在某抽水蓄能电站建设过程中，对中压储气罐排污工况进行调试时，发现气罐噪声强度极大，以至于附近工作人员产生明显不适感。
因此，本文对压水气系统中压储气罐排污工况进行数值模拟，探讨气罐流场、声源位置及噪声发生机理，为其后续优化设计提供指导。
高压气罐截止阀截止阀电磁阀墙体夹层排污槽图1 某电站中压储气罐及其附属设施结构示意图Figure 1 Schematic diagram of medium-pressure gas storage tank and its auxiliary facilities in a power station1 模拟方案1.1 湍流模型及计算声学理论1.1.1 湍流模型大涡模拟的基本原理是以特定的分辨尺度分解湍流流场，对大于分辨尺度的脉动直接用N-S方程求解，而对小于分辨尺度脉动建立模型封闭于求解方程组中。
不同尺度流动的区分依靠滤波来实现。
大涡模拟滤波网格尺度研究及其应用
大涡模拟滤波网格尺度研究及其应用一、本文概述本文旨在深入探讨大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）中的滤波网格尺度问题，以及其在流体动力学领域的应用。
大涡模拟作为一种重要的湍流模拟方法，能够捕捉到湍流中的大尺度结构，并通过模型描述小尺度运动对大尺度的影响。
滤波网格尺度作为大涡模拟中的关键参数，其选择直接影响到模拟的精度和效率。
因此，研究滤波网格尺度对于提高大涡模拟的准确性和适用性具有重要意义。
本文首先将对大涡模拟的基本理论和方法进行概述，介绍滤波网格尺度在大涡模拟中的作用和影响。
然后，通过对不同滤波网格尺度下的模拟结果进行比较分析，探讨滤波网格尺度对模拟精度和计算效率的影响机制。
在此基础上，本文将提出一种优化的滤波网格尺度选择方法，以提高大涡模拟的准确性和效率。
本文还将探讨大涡模拟在流体动力学领域的应用，特别是在复杂流动和工程实际问题中的应用。
通过具体案例的分析和讨论，展示大涡模拟在解决实际问题中的潜力和优势。
本文将全面系统地研究大涡模拟中的滤波网格尺度问题及其应用，为大涡模拟在流体动力学领域的应用提供理论支持和实践指导。
二、大涡模拟理论基础大涡模拟（Large Eddy Simulation，简称LES）是一种介于直接数值模拟（DNS）和雷诺平均N-S方程（RANS）之间的湍流数值模拟方法。
它的主要思想是将湍流运动通过某种滤波函数分解为大尺度运动和小尺度运动两部分，大尺度运动通过直接求解滤波后的N-S方程得到，而小尺度运动对大尺度运动的影响则通过模型来模拟。
在LES中，滤波函数的选择至关重要。
常用的滤波函数包括盒式滤波、高斯滤波等。
滤波后的N-S方程会包含一个新的未知量，即亚格子应力张量。
为了封闭这个方程，需要引入亚格子尺度模型（Subgrid-Scale Model，简称SGS模型）。
SGS模型的作用是模拟小尺度湍流对大尺度湍流的影响，从而使方程封闭可解。
在大涡模拟中，网格尺度是一个关键参数。
湍流大涡数值模拟进展
第22卷第2期空气动力学学报Vol.22,No.2 2004年06月ACTA AERODYNAMICA SINICA Jun.,2004文章编号:0258-1825(2004)02-0121-09湍流大涡数值模拟进展崔桂香,许春晓,张兆顺(清华大学工程力学系,北京100084)摘要:本文简要陈述湍流大涡数值模拟的原理、优点,着重讨论湍流大涡数值模拟方法的关键问题及其可能解决的途径,包括脉动的过滤、亚格子模型、近壁模型和标量湍流的大涡数值模拟中的特殊问题。
文章强调大涡数值模拟中亚格子应力的本质是可解尺度湍流和不可解尺度湍流动量间的输运,并以作者最近提出的新型亚格子模型说明发展亚格子模型的正确途径。
文章最后提出湍流大涡数值模拟近期需要迫切解决的问题和其他具有挑战性的方向。
关键词:湍流;大涡数值模拟;亚格子模型;近壁模型;标量湍流中图分类号:V211.3文献标识码:A*0引言复杂流动的准确数值预测是当前航空、航天器研究和设计中迫切需要解决的空气动力学前沿问题之一。
随着计算空气动力学方法的不断完善,计算机品质的不断提高,湍流的数值模拟方法成为提高数值预测航天器空气动力特性的瓶颈。
目前,数值预测湍流的方法有:直接数值模拟(DNS),大涡数值模拟(LE S)和雷诺平均模拟(RANS)。
直接数值模拟(DNS)是精确数值模拟湍流的方法,它的主要困难在于湍流是一种不规则多尺度运动,无论在空间上或者时间上湍流都有十分宽广谱。
准确数值模拟湍流既要精确计算大尺度流动;又要足够准确地计算小尺度运动。
在最简单的各向同性湍流中湍流的空间尺度有以下估计:L ma x/l mi n~Re3/4K,同样最大和最小时间尺度之比T max/t min~Re3/4K,它们都和流动的泰勒雷诺数Re K有关。
按照上述估计,空间网格数至少应有:N=N x@N y@N z~Re9/4K,运算量超过Re3K,航空航天器复杂绕流计算的网格数和运算时间远远超过上述估计。
扰动入流对风力机叶片流场及输出功率的影响分析
扰动入流对风力机叶片流场及输出功率的影响分析吴林泉;张立茹;罗坤;王占洋;景坤瑶【摘要】基于漩涡法与实验条件修正入流条件,结合延迟分离涡湍流模型,对水平轴风力机气动特性进行数值模拟.分析风力机压力系数、截面涡量和功率特性,并与均匀入流和实验数据对比.研究表明,修正的扰动入流对风力机叶片叶根处截面压力系数的影响比均匀入流更大,但随翼展方向趋于一致;扰动致使在叶片0.57～0.71 R处产生更大的涡量损失,小于额定尖速比时输出功率更接近实验值.基于漩涡法的风力机气动特性模拟方案,可更有效地应用于风力发电预测研究.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2016(034)012【总页数】6页(P1841-1846)【关键词】水平轴风力机;扰动入流;输出功率;数值模拟【作者】吴林泉;张立茹;罗坤;王占洋;景坤瑶【作者单位】内蒙古工业大学能源与动力工程学院,内蒙古呼和浩特010051;内蒙古工业大学能源与动力工程学院,内蒙古呼和浩特010051;风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室,内蒙古呼和浩特010051;风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室,内蒙古呼和浩特010051;内蒙古工业大学能源与动力工程学院,内蒙古呼和浩特010051;内蒙古工业大学能源与动力工程学院,内蒙古呼和浩特010051【正文语种】中文【中图分类】TK89由于自然界风具有涡动性和不均匀性，形成的扰动入流会对风力机运行工况造成直接的影响。
对风力机气动特性的精确预测是风力机设计和风场选址的关键，因此，研究扰动入流下风力机的气动特性具有重要的现实意义。
2011年，韩中合针对均匀风和剪切风两种入流对1.3 MW风力机进行三维数值模拟，其结果显示，风力机功率值与设计值吻合良好[1]。
2012年，周文平采用时间推进自由尾迹模型的涡尾迹方法理论方式，在对稳态风剪切、极端运行阵风和极端垂直风切变等多种入流风廓线时的风力机流场和气动性能进行计算，得出切变风速能使风力机载荷波动幅值加大的结论 [2]。
某灯泡贯流式水轮机内部湍流的大涡模拟
与实验结果对比
将模拟结果与实验结果进行对比分析 ，验证模拟方法的准确性和可靠性。
性能评估
评估灯泡贯流式水轮机的水力性能， 如能量转换效率、空化性能等，为优 化设计提供依据。
改进建议
根据模拟结果和分析讨论，提出针对 灯泡贯流式水轮机的改进建议和优化 方案。
05
灯泡贯流式水轮机性能优化建议
针对湍流特性的优化措施
效率降低
湍流导致能量损失增加，降低水轮机的效率。
空化性能恶化
湍流可能加剧空化现象，导致水轮机空化性能恶 化。
振动与噪声
湍流引起的压力脉动可能导致水轮机振动和噪声 增加，影响机组稳定运行。
03
大涡模拟方法及应用
大涡模拟基本原理和数学模型
大涡模拟基本原理
大涡模拟（LES）是一种计算流体动力学的方法，通过直接求解大尺度涡旋的运动方程，同时对小尺度涡旋进行 模型化处理，从而实现对湍流的数值模拟。
未来发展趋势将更加注重多物理场耦 合、高精度数值模拟和实验验证等方 面的研究。
随着计算机技术的不断发展和数值模 拟方法的改进，大涡模拟在灯泡贯流 式水轮机内部湍流研究中的应用逐渐 增多。
研究目的和内容
• 研究目的：利用大涡模拟方法对灯泡贯流式水轮机内部湍流 进行深入研究，揭示其流动特性和机理，为优化水轮机设计 和提高性能提供理论支持。
优化转轮叶片形状
通过改进叶片型线，降低水流在叶片表面的 分离和涡旋产生，从而减小湍流强度。
优化导叶开度
合理调整导叶开度，改善水流在转轮入口处的流动 状态，降低湍流对水轮机性能的影响。
采用高效抗空化材料
选用抗空化性能优异的材料制造叶片，降低 空化对水流湍流特性的影响，提高水轮机运 行稳定性。
崔桂香-2013—湍流大涡模拟及应用
研究湍流？
y
2h
<U>
x
z
x: 流向 y: 垂向 z: 展向 :常数
旋转通道湍流与换热
Ro
2 h Re
U
h
U
2009年9月9日( 24 )
利用和控制湍流
湍流换热？ 湍流数值模拟
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流(4)
3、湍流的研究方法—— 统计理论
统计方法给出规则特性
经典的雷诺平均—长时间平均，时间平稳过程 ui Tl imT10Tuidt
标量湍流：湍流场中的温度、密度等标量脉动
被动标量，例如：羽流扩散
主动标量，例如：可压缩流动中的温度脉动和密度脉动； 重力场中有密度梯度的标量输运
以下内容适用范围： （1） Boussinesq 近似条件下的标量湍流，
即，连续方程为 速度场的散度等于零； （2）空间均匀条件下讨论标量湍流的性质。
( 13 )
力学进展—湍流大涡模拟及应用
湍流大涡模拟
及城市大气环境中的应用
® (1)
航院力学系2013年9月7日 崔桂香
力学进展—湍流大涡模拟及应用
提纲
一、走进湍流 （湍流 ？标量湍流？研究方法？） 二、湍流及其标量的大涡模拟 三、大涡模拟应用—城市大气环境 四、大涡模拟进展与展望 五、 思考与创新 六、参考文献
® (2)
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（1）— 认识湍流
(1) 流动 T-L
(2) 边界层T-L
什么是湍流？
流动现象
(3) 垂板 L-T
（4)网格 T
自然界和工程中普遍存在
2009年9月9日( 3 )
燃油喷雾过程的大涡模拟研究
燃油喷雾过程的大涡模拟研究燃油喷雾过程是燃烧系统中的关键环节，对于内燃机、锅炉等设备的性能和排放有着重要影响。
为了优化燃油喷雾过程，提高燃烧效率，减少污染物排放，研究者们不断探索新的理论和实验方法。
大涡模拟作为一种计算流体动力学方法，能够捕捉到流场中的详细信息，为燃油喷雾过程的研究提供了有效手段。
本文旨在通过大涡模拟方法，深入研究燃油喷雾过程的动态特性和涡旋结构，以揭示喷雾过程的内在机制，为优化燃油喷雾系统和改善燃烧质量提供理论支持。
为了获取真实的燃油喷雾数据，本文首先设计了一套能够模拟内燃机燃油喷雾过程的实验装置。
该装置包括燃油供给系统、喷嘴、气缸、火花塞等部件，可以模拟不同工况下的燃油喷雾过程。
实验过程中，采用高速摄像机记录燃油喷雾过程，获取喷雾图像。
同时，通过粒子图像速度场仪（PIV）测量喷雾场的流场数据。
将实验得到的图像和数据进行分析和处理，得到喷雾过程中的各种参数。
通过对高速摄像机拍摄的喷雾图像进行处理和分析，发现燃油喷雾过程中存在着多种形态，包括液滴、液丝和液雾。
这些形态的分布和变化受到喷嘴结构、燃油压力、气缸内气流等多种因素的影响。
利用大涡模拟方法对喷雾场进行模拟，发现燃油喷雾过程中存在着复杂的涡旋结构。
这些涡旋结构对于燃油的扩散和混合有着重要影响，可以促进喷雾的均匀分布和燃烧过程的优化。
通过对涡旋结构的研究，可以深入了解喷雾过程的内在机制。
本文通过实验和大涡模拟方法，深入研究了燃油喷雾过程的动态特性和涡旋结构。
研究发现，喷雾过程中存在着多种形态，包括液滴、液丝和液雾。
这些形态的分布和变化受到多种因素的影响。
燃油喷雾过程中存在着复杂的涡旋结构，这些涡旋结构可以促进喷雾的均匀分布和燃烧过程的优化。
通过对涡旋结构的研究，可以深入了解喷雾过程的内在机制。
展望未来，燃油喷雾过程的大涡模拟研究仍有许多值得探讨的方向。
可以进一步探索不同喷嘴结构和操作参数对燃油喷雾过程的影响，以获得更优化的喷嘴设计。
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什么是湍流？
流动现象
(3) 垂板 L-T
（4)网格 T
自然界和工程中普遍存在
2009年9月9日
一、走进湍流（1）
自
—认识湍流
然
界
(5）扩散 T-L
和
工
（6） 羽流扩散6 羽流
程
中
(a)
普
(7）圆管 T-L
随机 多尺度
拟序
遍
存
(8）圆球 T-L
在
2009年9月9日
一、走进湍流（1）—认识湍流
射流
尾流
输运
一、走进湍流（3）—标量湍流
（1）惯性区的Obuhkov-Corrsin理论
（Re~Pe>>1, 速度脉动和标量脉动相似）
Eq
k ~
q
Ek
E k 2 3k 5 3
Eq k Coq 1 3k 5 3
（2) 惯性—扩散区的Batchelor理论
湍流大涡模拟
及城市大气环境中的应用
航院力学系2013年9月7日 崔桂香
®
提纲
一、走进湍流 （湍流 ？标量湍流？研究方法？ ） 二、湍流及其标量的大涡模拟 三、大涡模拟应用—城市大气环境 四、大涡模拟进展与展望 五、 思考与创新 六、参考文献
®
一、走进湍流（1）— 认识湍流
(1) 流动 T-L
(2) 边界层T-L
（ Re>>1, Pe<<1，标量输运过程扩散占优，
忽略标量的时间导数，假定标量脉动服从准高斯过程)
Eq
k
1 3源自3k4Ek
E k 2 3k 5 3
Eq k ~ q 3 2 3k 17 3
经典理论
一、走进湍流（3）—标量湍流
(3) 粘性—对流区Batchelor理论 （ Re<<1, Pe>>1）标量输运是对流占优 ， 因此波段k中的标量耗散率正比于该波段中 的标量“能量” ， 脉动速度处于耗散区，输运的特征时间是 Kolmogorov时间尺度，
injection
transfer
2009年9月9日
湍流特性
dissipation
一、走进湍流（2） 湍流的特征尺度
含能区
l0
E3/2 u3
l0
2009年9月9日
惯性子区
lEI
3 1/ 4
耗散区
lDI
l0
ul0
3/ 4
Re3/ 4
一、走进湍流（3）—标量湍流
即，连续方程为 速度场的散度等于零； （2）空间均匀条件下讨论标量湍流的性质。
一、走进湍流（3）—标量湍流
基本方程
ui t
uj
ui x j
1
p xi
1 Re
2ui x jx j
ui 0 xi
Re UL
c t
uj
c x j
1 2c Pe x jx j
E
1 2
uiui
E t
Pk
Tk
2、湍流特性
2009年9月9日
谱分析 E E kdk
E k P k T k 2 k 2 E k
t
一、走进湍流（2）
经典湍流能量传递理论 —— 湍动能逐级传递
— Kolmogorov (1941)
一、走进湍流（3）—标量湍流
标量湍流的结构
—— 片状结构的产生机制（续） 对标量梯度质点导数的主要贡献来自压缩变形，由上页导出的公式
siji j s112 s222 s332
对不可压缩流体，主轴的变形率之和等于零： s1 s2 s3 0
在均匀各向同性湍流中，以及等梯度标量湍流中，有
背景—标量湍流与污染扩散
一、走进湍流（3）—标量湍流
背景 —— 标量湍流与城市大气
热岛效应
一、走进湍流（3）—标量湍流
标量湍流：湍流场中的温度、密度等标量脉动
被动标量，例如：羽流扩散
主动标量，例如：可压缩流动中的温度脉动和密度脉动； 重力场中有密度梯度的标量输运
以下内容适用范围： （1） Boussinesq 近似条件下的标量湍流，
ii
t
uj
ii
x j
2siji j
2ii
x jx j
2
i
x j
i
x j
注意:脉动涡量对ii的质点导数没有贡献，当分子粘性很小时，主要由脉动的
变形率张量对标量梯度的质点导数有贡献，该项贡献可写在变形率主轴方向
siji j s112 s222 s332
混合层
随机
多尺度
拟序
2009年9月9日
一、走进湍流（2）—湍流特性
达 芬 奇 笔 下 的 湍 流
一、走进湍流（2）
湍流特性之一 ： 时空随机性
例如：同一点的速度测量没有重复性
2009年9月9日
一、走进湍流（2）
湍流特性之二 —— 多尺度性
Energy spectra
雷诺分解
能谱
湍流动能
ui Ui ui
s1 : s2 : s3 a : b : (a b), a 0,b 0 在均匀各向同性湍流中a=3, b=1
0
Pe
一、走进湍流（3）—标量湍流
标量湍流的能谱
脉动动能随波数（尺度 l 的倒数）的变化—湍动能谱 E(k) 浓度(温度)脉动的均方随波数的变化—浓度(温度)能谱 Eq (k)
局部雷诺数
经
Re
UL
1
惯性
典 理
Re
UL 输运
1
粘性
论
P
e
UL输运
1
Pe UL局部佩克1 列特数 对流
Pe UL 或 Pe UL
D
Sd Pe Re 或 Pr Pe Re
U, L是特征速度和特征长度，通常环境流动中Re>>1。
当/DSd~1.0或Sd >>1.0时， 也有Pe>>1，就是说分子扩散可以忽略不计。
因此在流体质点的轨迹上携带物浓度不变。
Dc c c
t
t
u j x j
3. 脉动标量梯度 均方根的等值面
标量湍流的结构
平面截面的片状结构 典型的空间等值面
一、走进湍流（3）—标量湍流
标量湍流的结构
片状结构产生的机制， 将标量输运方程求梯度得：
i
t
uj
i
x j
s ji j
ji j
2i
x jx j
i c xi
sij是脉动速度的应变率张量， ij表示脉动速度旋转张量，将上式乘以i, 得
q kEq k d 1 2
q ~ kEq k 1 2
Eq k CBq k 1 1 2
经典理论
一、走进湍流（3）—标量湍流
2. 脉动标量梯度的片状结构算例 湍流参数：Rel=50, Pr=0.1-3.0, 网格数：256256256