不同湍流模型下水轮机蜗壳CFD仿真精度的分析
三种湍流模型在跨声速绕流中的计算精度分析
三种湍流模型在跨声速绕流中的计算精度分析郑秋亚;左大海;刘三阳【摘要】通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程考察Spalart-Allmaras、Wilcox's k-ω和Menter's SST三种湍流模型在跨声速流动中的计算精度.结果表明:Menter's SST模型预测的力和力矩最接近实验数据;Spalart-Allmaras模型的压力分布和激波位置与Menter,s SST模型的一致,Wilcox's k-ω模型的激波位置相对偏后,且预测的升力和摩擦阻力偏大.【期刊名称】《弹箭与制导学报》【年(卷),期】2011(031)005【总页数】3页(P152-154)【关键词】计算精度;Navier Stokes方程;跨声速流动;湍流模型【作者】郑秋亚;左大海;刘三阳【作者单位】西安电子科技大学理学院,西安710071;长安大学理学院,西安710064;长安大学理学院,西安710064;西安电子科技大学理学院,西安710071【正文语种】中文【中图分类】V211.30 引言在雷诺平均 Navier－Stokes（RANS）方程计算中，计算结果的精度不仅与所用格式的精度有关，而且与湍流模型对流动的模拟精度有很大的关系。
目前工程中应用最为广泛的湍流模型主要包括：Spalart－Allmaras（SA）一方程模型[1]，Wilcox’s k－ω[2]（Wilcox）两方程模型和Menter’s SST[3]（SST）两方程模型。
长期以来，人们在工程应用中发现不同湍流模型表现出了不同的特性，因此研究湍流模型对流动的模拟精度，对CFD模型的选取和CFD计算精度的提高有着重要的意义。
文中以ONERA M6机翼和DLR－F6翼身组合体[4]为例，采用具有高精度和稳定性良好的Roe格式[5]，通过求解RANS方程分析SA、Wilcox和SST湍流模型对跨声速流动的模拟精度，为更高准确度湍流模型方程的建立和CFD模型的选取提供参考。
户撒河五级电站转轮改造的CFD数值模拟
户撒河五级电站转轮改造的CFD数值模拟摘要户撒河五级电站安装有两台水轮发电机组，水轮机型号为HLD46-WJ-76，水轮机转轮在运行过程中经常出现水中的木棍、竹子等卡塞在叶片之间，导致机组出力降低而被迫停机清污和清理转轮叶片中的卡塞物，从而大大降低机组的等效可用系数，导致发电量降低。
通过研究、讨论和借鉴成熟的改造技术，将其转轮改造为HL124型长短叶片的提效转轮，经过3年多时间的运行，转轮叶片间的卡塞物大大减少，机组最大出力由原来的4MW提升至4.2MW，提升了5%。
对公司两台机组的转轮进行更新改造，在原有流道不变的情况下，机组装机容量由2×4000KW改造增容至2x4200kW。
在改造前后期运用CFD仿真分析软件对转轮与电站流道进行了全流道分析。
数值计算表明：无论是HLD46还是HL124型转轮最高压力总是集中在转轮叶片进水边及靠近进口边的上冠及下环的部分区域；低压区域主要集中在转轮中心上冠自然补气口的附近。
随着工况由空载工况向最优工况的变迁过程中低压区域的范围也在逐渐缩小。
而HL124型长短叶片转轮在空载工况和小流量工况下均未发现叶片间存在低压区的现象。
说明HL124型长短叶片的导流水力性能要优于HLD46型转轮，因HL124型转轮为长短叶片型转轮，且转轮叶片数多，增加了叶片的轴面宽度，从而提高了转轮的水力性能及结构强度。
在空载工况下，可以看出在HLD46型转轮叶片之间存在明显漩涡脱流区。
随着出力的增加，过流量的增大，达到低负荷工况区，尽管流量增加，但通过叶片的流体涡结构并没有减弱，反而增强了，再到最优工况时，叶片之间的涡结构消失了。
说明HLD46型转轮对低负荷工况坏流态的抵抗能力相对于HL124型转轮较弱。
在空载工况下的HL124型转轮，转轮叶片之间存在一定的涡旋现象，但相比HLD46型转轮在该工况下叶片间的涡结构相对强烈一些，随出力增加到低负荷工况下，HL124型转轮叶片间涡结构的强度减弱了，在最优工况下涡结构几乎完全消失了。
流体力学中的CFD模拟研究
流体力学中的CFD模拟研究CFD模拟是指在计算机上运用数值计算和模拟技术，对流体的物理过程和流动特性进行分析研究的一种方法。
CFD技术的广泛应用，源于其高效性、低成本性和灵活性。
流体力学中的CFD模拟，可以用于研究各种流动过程，提升工艺效率，改善产品性能，优化设计方案等方面。
本文将从CFD模拟的定义入手，分别从数值分析、物理模型、数值算法和应用领域等方面，介绍CFD模拟在流体力学中的应用现状和发展趋势。
一、CFD模拟的数值分析CFD模拟是基于数值分析方法进行研究的，因此数值的准确性和稳定性是保证模拟精度的重要保障。
在进行CFD模拟时，需要对流体的物理特性进行数值处理，将流体的连续、动量和能量方程转化为数学模型，并通过计算机程序进行求解。
数值分析中关键的概念包括离散化、差分格式、收敛性、稳定性等，这些要素在CFD模拟中都具有重要的意义。
二、CFD模拟的物理模型流体力学中的CFD模拟，需要对流体的运动方程和物理模型进行建立和求解。
在建立物理模型时，需要根据具体问题选择相应的数学模型和物理模型，以适应不同流体场的特性。
物理模型分为两类，一类是欧拉方程模型，这种模型适用于高速压缩气流等欧拉流场；另一类是Navier-Stokes方程模型，这种模型适用于低速流体流场等复杂流动场。
三、CFD模拟的数值算法CFD模拟的数值算法是采用有限差分法、有限体积法、有限元法和谱方法等数值方法，对物理方程进行离散处理，通过迭代计算取得输出结果。
在数值算法中，差分格式的设计和选取对求解的精度和效率都有很大影响，因此需要在具体问题中选择合适的数值算法和差分格式。
四、CFD模拟的应用领域CFD模拟在工业和科学领域中有着广泛的应用，可以用于流体流动的数值计算、精细化工艺过程的数值模拟、气体和液体的混合过程研究、航空航天等领域的设计优化等方面。
例如，可以采用CFD模拟对液体混合过程进行数值模拟，研究不同混合比例对混合效果的影响；可以利用CFD模拟对船舶的水动力性能进行数值计算，研究不同外形对流阻力的影响等方面。
基于CFD仿真及水轮机理论研究液力透平最高效率点偏离设计工况的问题
基于CFD仿真及水轮机理论研究液力透平最高效率点偏离设计工况的问题1. 引言1.1 研究背景液力透平是一种通过水动力学原理来转换水流动能为机械能的装置，主要用于水力发电等领域。
随着科技的不断发展，液力透平的设计和优化也变得日益重要。
在实际运行过程中，液力透平的效率并不总是能达到设计工况下的最高效率点，存在偏离设计工况的情况，这就导致了能源的浪费和运行效率的降低。
为了解决液力透平效率不足的问题，研究人员开始借助计算流体动力学（CFD）仿真技术来模拟并分析液力透平的流场特性，以便找到优化设计方案。
通过对液力透平工作原理、CFD仿真应用、影响效率的因素分析等方面的研究，可以更好地理解液力透平效率偏离设计工况的原因，并提出改进设计的建议。
深入研究液力透平最高效率点偏离设计工况的问题，不仅有助于提高液力透平的运行效率和节能减排，也对水力发电等领域具有重要意义。
在当前能源短缺的形势下，优化液力透平设计不仅可以提高能源利用效率，还能为可持续发展做出贡献。
1.2 研究意义液力透平是一种通过水力能量驱动的发电装置，其高效率和可靠性使其在能源领域广泛应用。
在液力透平的设计过程中，往往会出现最高效率点偏离设计工况的问题，导致其性能不如预期。
研究液力透平最高效率点偏离设计工况的问题具有重要意义。
通过研究液力透平最高效率点偏离设计工况的原因，可以帮助工程师更好地理解液力透平的工作原理，从而优化设计方案，提高效率。
针对影响液力透平效率的因素进行分析，可以为改进液力透平的设计提供理论依据。
而通过CFD仿真在液力透平研究中的应用，可以更加直观地观察液力透平内部流场的变化，为研究提供更多的数据支持。
研究液力透平最高效率点偏离设计工况的问题，对提高液力透平的性能、降低能源损耗具有重要的意义。
展望未来，通过不断深入研究和改进设计方案，可以进一步提高液力透平的效率和稳定性，推动能源行业的发展。
1.3 研究现状在液力透平领域，研究者们已经取得了一些重要的成果，过去的研究主要集中在理论推导和实验验证上，以探索液力透平性能的提升路径。
湍流模型介绍
湍流模型介绍因为湍流现象是高度复杂的，所以至今还没有一种方法能够全面、准确地对所有流动问题中的湍流现象进行模拟。
在涉及湍流的计算中，都要对湍流模型的模拟能力以及计算所需系统资源进行综合考虑后，再选择合适的湍流模型进行模拟。
FLUENT 中采用的湍流模拟方法包括Spalart-Allmaras模型、standard（标准）k −ε模型、RNG（重整化群）k −ε模型、Realizable（现实）k −ε模型、v2 −f 模型、RSM（Reynolds Stress Model，雷诺应力模型）模型和LES（Large Eddy Simulation，大涡模拟）方法。
7.2.1 雷诺平均与大涡模拟的对比因为直接求解NS 方程非常困难，所以通常用两种办法对湍流进行模拟，即对NS 方程进行雷诺平均和滤波处理。
这两种方法都会增加新的未知量，因此需要相应增加控制方程的数量，以便保证未知数的数量与方程数量相同，达到封闭方程组的目的。
雷诺平均NS 方程是流场平均变量的控制方程，其相关的模拟理论被称为湍流模式理论。
湍流模式理论假定湍流中的流场变量由一个时均量和一个脉动量组成，以此观点处理NS 方程可以得出雷诺平均NS 方程（简称RNS 方程）。
在引入Boussinesq 假设，即认为湍流雷诺应力与应变成正比之后，湍流计算就归结为对雷诺应力与应变之间的比例系数（即湍流粘性系数）的计算。
根据计算中使用的变量数目和方程数目的不同，湍流模式理论中所包含的湍流模型又被分为二方程模型、一方程模型和零方程模型（代数模型）等大类。
FLUENT 中使用的三种k −ε模型、Spalart-Allmaras 模型、k −ω模型及雷诺应力模型RSM）等都属于湍流模式理论。
大涡模拟（LES）方法是通过滤波处理计算湍流的，其主要思想是大涡结构（又称拟序结构）受流场影响较大，小涡则可以认为是各向同性的，因而可以将大涡计算与小涡计算分开处理，并用统一的模型计算小涡。
cfd中的湍流强度确定依据
cfd中的湍流强度确定依据
在计算流体动力学（CFD）中，湍流强度的确定依据通常是基于雷诺数（Reynolds number）。
雷诺数是一个无量纲数，用来描述流体流动中惯性力与黏性力之间的相对重要性。
它可以用以下公式来表示：
Re = ρ * V * L / μ
其中，Re是雷诺数，ρ是流体的密度，V是流体的速度，L是特征长度，μ是流体的动力黏度。
根据雷诺数的不同范围，流体流动可以分为层流和湍流。
一般来说，当雷诺数小于约2000时，流动呈现层流状态，主要由黏性力支配；当雷诺数大于约4000时，流动呈现湍流状态，惯性力开始起主导作用。
在CFD中，湍流模型被用来模拟湍流流动。
湍流模型的选择取决于所处理流动的特征以及计算的精度要求。
常用的湍流模型包括:
1. 雷诺平均Navier-Stokes（RANS）模型，如k-ε模型、k-ω
模型等，适用于大多数湍流流动的工程计算。
2. 大涡模拟（LES）模型，适用于较小的湍流尺度，需要更高的计算资源。
3. 直接数值模拟（DNS）模型，适用于较小的湍流尺度，需要相当高的计算资源。
根据特定问题和模拟的需求，可以选择合适的湍流模型来确定湍流强度。
通常情况下，湍流强度的确定也需要考虑实际流动中的边界条件、流场的初始状态以及输入的边界条件等因素。
如何正确选择湍流CFD模型？
如何正确选择湍流CFD模型？湍流模拟简介让我们先从平板上的流体流动说起，如下图所示。
匀速流体接触到平板的前缘，开始形成一个层流边界层。
该区域的流动很容易预测。
经过一段距离后，流场中开始出现较小的混沌振动，流动开始转变为湍流，并最终完全转变为湍流。
在层流区，流体流动可以通过求解稳态Navier-Stokes 方程得到完全预测，其中预测了速度及压力场。
我们可以假定速度场不随时间变化，从而得到对流动行为的精确预测。
Blasius 边界层模型就是一个这样的示例。
当流动开始转变为湍流时，流动中会出现混沌振荡，因此无法再假定流动不随时间变化。
在这种情况下，需要在时域中求解问题，所用网格也应足够细，以解析流动中最小涡流的尺寸。
圆柱体绕流模型就演示了这样一种情况。
稳态和瞬态层流问题都可以通过COMSOL Multiphysics 基本模块求解，也可以使用微流体模块求解，后者包含适用于非常小流道中流动的附加边界条件。
随着雷诺数的增加，流场中显示出小涡流，震荡的时间尺度变得非常短，这使求解Navier-Stokes 方程的计算变得不再可行。
在本流型中，我们可以使用雷诺平均 Navier-Stokes （RANS）方程，它基于对流场（u）随时间变化的观察，包含局部的小振荡(u’)，这可以处理为时间平均项 (U)。
因此，我们向方程组中增加了其他未知变量，并在壁面上引入流场近似。
壁函数靠近平整壁面处的湍流流动可被分为四个区域。
在壁面处，流体速度为0，对于这之上的一个薄层，流体速度和与壁面的距离呈线性变化。
本区域叫做粘性底层，或层流底层。
远离壁面的区域称作缓冲层。
在缓冲区，流动开始转变为湍流，最终在一个区域完全转变为湍流，且平均流速和与壁面距离的对数相关。
该区域称作对数律区。
在距离壁面更远的区域，流动转变为自由流动区。
粘性层和缓冲层非常薄，如果到缓冲层底部的距离为那么对数律区大约从壁面延伸。
可以使用RANS 模型计算所有四个区域中的流场。
cfd中的湍流强度确定依据
cfd中的湍流强度确定依据
在计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）中，湍流强度
的确定是一个重要的任务。
湍流是流体运动中的一种不规则而复杂的现象，对于各种工程和科学应用都具有重要影响。
因此，了解湍流强度的大小和确定依据对于预测和优化流体系统的行为至关重要。
湍流强度的确定主要依据如下几个方面：
1.湍流统计特征：湍流的统计特征是刻画湍流强度的基本依据之一。
可以通过
测量流体速度的方差或涡量（vorticity）的大小来评估湍流的强度。
这些统计特征
提供了湍流运动的整体描述，可以帮助我们理解湍流产生和发展的机制。
2.湍流能量谱：湍流中的能量转化是决定湍流强度的重要因素之一。
湍流能量
谱可以揭示湍流能量在不同空间和时间尺度上的分布。
通过分析能量谱，我们可以确定湍流的主导尺度和能量耗散。
这些信息对于有效地建立湍流模型和优化流体系统的设计至关重要。
3.湍流模型：在复杂的实际工程中，直接模拟湍流的数值方法往往是不现实的。
因此，湍流模型的开发和应用成为确定湍流强度的重要手段之一。
湍流模型基于对湍流特性的物理和数学描述，可以预测湍流的行为并提供流体系统的稳定性和性能评估。
综上所述，确定湍流强度是CFD中的重要任务，可以通过湍流的统计特征、
湍流能量谱和湍流模型等方面进行分析。
这些信息可以帮助我们理解湍流的产生和发展机制，为科学研究和工程应用提供有力支持。
CFD湍流模型的 一些基本知识
1.首先我们要确定的是Re，特征长度就是翼型长度，也就是1米。
2.这个是各种数值计算方法的一个汇总，咱之前的模型在右下角。
待会我一一介绍。
3.由于其他的比较复杂，所以我就把后面的四种介绍一下。
4.因为这四种都是属于涡粘模型，先简单介绍一下涡粘模型。
在流体力学里，你们肯定也学了NS方程，NS方程直接自己是封闭的，但是在解决三维流动的时候非常的困难。
直接解方程（也就是直接数值模拟）很困难，所以人们就想出了N种方法，其中有一种方法是把各种波动的量用平均值和波动值来表示：然后代入原方程，然后的结果可想而知，方程多出了未知数。
然后人们就开始想办法让方程封闭，引入新的方程。
这就是涡粘模型的基本思想。
引入0个1个2个方程分别就是0方程模型1方程模型和2方程模型。
而标准k-ε模型就是2方程中的一个。
2方程模型有一堆，见上表。
5.标准k-ε模型是2方程模型，所以引入了2个方程（K方程和ε方程），但是同时也引入了两个量。
一个是湍动能：（你们不用管前面的符号，那是张量符号，你们就记住最右边的表达式就行了）另一个就是湍动能耗散率：关于这个的计算先不说。
关于这两个参数，以及这两个参数引出的相关参数，比较复杂，都在书上。
我们面临的问题其实就是确定相关的参数，直接计算肯定是不现实的，现在就是看看能不能稍微改一改之类的，有个容易的方法。
6.标准的k-ε模型有如下缺点：在强旋流和弯曲壁面函数的情况下，会产生失真。
也就是说，弯曲壁面上不太准确。
（咱的翼型绕流应该算是弯曲壁面），所以会有改进形式的模型：RNG和realizable模型7.RNG-kε模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。
Realizable-kε模型已被有效地用于各种不同类型的流动模拟，包括旋转均匀剪切流、包含有射流和混合流的自由流动、管道内流动、边界层流动，以及带有分离的流动等。
8.关于上面的两种模型的大概知识就介绍到这了，可以看到改进后的两种模型对于所研究的问题都适用，具体问题还要具体分析。
基于CFD计算的水轮机蜗壳改型水力设计
基于CFD计算的水轮机蜗壳改型水力设计针对某水电站项目，水轮机原蜗壳模型参数需进行改型设计。
本文研究了蜗壳水力设计三种方法的内在联系，结合该项目技术要求，分别应用等周向平均速度法和给定面积变化规律法对原蜗壳进行改型水力设计，采用CFD方法对原模型蜗壳与改型设计蜗壳对应的三种水轮机全流道进行数值计算，比较了原模型蜗壳与改型蜗壳的计算结果。
结果表明：两种方法所设计的蜗壳水力损失小，水轮机水力效率高，都优于原蜗壳，且满足水轮机技术性能保证要求，给定面积变化规律法设计的蜗壳水力性能更优秀。
标签：水轮机；蜗壳水力设计；水力效率；CFD分析1、引言蜗壳是水轮机的重要过流部件，在水轮机水力设计中有着重要地位，其作用是引导水流沿圆周方向均匀进入导水机构，并具有一定量的圆周速度。
本文结合某水电站项目，水轮机蜗壳按模型相似换算后蜗壳进口直径Φ1482mm，因水轮机结构设计限制，蜗壳进口直径需增大至Φ1700mm，在其它过流部件不改变前提下，仅对蜗壳进行改型设计，因而蜗壳各壳节断面的几何参数需重新进行水力设计。
基于计算流体动力学（CFD）方法对所设计的蜗壳与原蜗壳的水轮机全流道进行数值计算，针对蜗壳的改型设计，使设计的蜗壳水力损失小，水轮机水力性能优良，满足水轮机技术性能保证要求。
2、水轮机蜗壳水力设计方法本文为蜗壳改型水力设计，前提条件：蜗壳为圆形断面的完全蜗壳，参数、、、已知。
为蜗壳包角，蜗壳进口半径，为蜗壳壳节与座环搭接点到导水机构水平中心线的距离，为壳节与座环搭接点到转轮中心线距离；蜗壳第i断面几何参数：壳节半径，壳节圆心到机组中心的距离，如图1所示，为第i断面蜗壳包角，第i断面面积。
并假设蜗壳内流动为平面定常流动，蜗壳出流量周向均匀。
水轮机蜗壳水力设计常用四种设计方法，针对本电站的蜗壳改型设计，四种设计方法笔者都进行了尝试。
①等速度矩法：假定蜗壳中的水流按等速度矩（）规律分布，在对蜗壳尾部断面参数计算时，得出的蜗壳尾部断面半径过小，因本电站为低比转数混流式水轮机组，壳节断面半径尤为减小，采用该方法设计的蜗壳多有以涡对形式出现的二次流动，且蜗壳尾部水力损失大。