流體機械旋轉(zhuǎn)湍流計算模型研究進(jìn)展

摘 要：旋轉(zhuǎn)湍流是水輪機、風(fēng)力機以及壓縮機等流體機械中的典型流動現(xiàn)象，從目前的發(fā)展情況來看，存在多種湍流模型，不同的湍流模型適用于不同的情況，目前并沒有一種湍流模型適用于所有情況，因此想要正確的使用湍流模型需要根據(jù)具體的實際需求進(jìn)行選擇。本文從湍流模型的發(fā)展入手，具體闡述了多種不同的模擬方法，并且對湍流模型的發(fā)展趨勢進(jìn)行了簡單的分析。

關(guān)鍵詞：流體機械；旋轉(zhuǎn)湍流；模型研究；發(fā)展

通過研究，我們不難發(fā)現(xiàn)，流體機械流動的重點是其葉輪內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)流動。通過對流動的分析我們能夠分辨其速度壓力等物理量都有不同的分布。對于一些不同的漩渦結(jié)構(gòu)，其能量的損失也不同。在眾多的流體力學(xué)中流體機械流動可以稱之為最復(fù)雜的流動之一，其在流動的過程中受到各種不同因素的影響，一個非常小的因素就可能直接決定流體機械的流動情況，因此在具體的使用過程中要多加注意。現(xiàn)在存在多種不同的湍流模型，但從目前的發(fā)展情況來看，并沒有一個湍流模型適用于各種情況，因此在選擇時一定要根據(jù)具體的實際情況來分析湍流模型的優(yōu)缺點，從而才能選擇合適的湍流模型。

一、雷諾時均模擬方法

雷諾時均模擬方法又可以簡稱為RANS模擬方法。雷諾時均模擬方法與其他模擬方法的區(qū)別在于，并不是直接通過計算瞬時的方程來進(jìn)行研究，而是通過研究瞬時的脈沖動量，將瞬時的脈沖動量通過方程的形式表現(xiàn)出來。如今雷諾時均的模擬方法是最經(jīng)常使用的一種湍流數(shù)值模擬方法。在采用雷諾時均模擬方法的時候，由于在研究的過程中沒有一種特定的物理定律來對整個現(xiàn)象進(jìn)行描述，因此在研究的過程中需要進(jìn)行假設(shè)。渦粘模型的基本思想是引入湍動黏度μt，然后根據(jù)Boussinesq假定把雷諾應(yīng)力表示成μt的函數(shù)。雷諾時均模擬方法被經(jīng)常用于模擬穩(wěn)態(tài)的流動，因為其特性在此研究方面更具優(yōu)勢。但是在具體的研究過程中仍然存在一些物理問題，其中時間的非穩(wěn)定性就是最大的一個問題。

κ-ε模型簡單地說就是通過引入相應(yīng)的湍動能k和湍動耗散率ε來完成整個方程的運算，該模型是十分典型的一個雷諾時均模型，同樣也是非常典型的渦粘模型。κ-ε模型具有非常的優(yōu)勢，在研究的過程中計算十分穩(wěn)定，而且計算率較高，整個模型又十分簡單，因此被廣泛地應(yīng)用在湍流模擬中。

二、尺度解析模擬方法

上文提到的雷諾時均模擬方法雖然受到了廣泛的歡迎，但是在具體的研究過程中仍然存在一些不可避免的問題。其中最為嚴(yán)重的兩個問題就是，如果水泵失速流場，雷諾時均模擬方法的計算就會出現(xiàn)一定的問題，會導(dǎo)致整個計算精度不準(zhǔn)確。其次如果在研究的過程中需要更多的瞬態(tài)信息，那么就不能使用雷諾時均的模擬方法。面對這種情況，則可以選擇尺度解析的模擬方法。面對以上兩個問題，尺度解析模擬方法均能很好的進(jìn)行解決。尺度解析模擬方法簡稱為SRS，簡單地說就是對小部分的湍流進(jìn)行直接性的求解。雖然這種方法看似較為簡單，但是在具體的使用過程中無法保證計算效率。

尺度解析模擬方法中包括大渦模擬模型，大渦模擬模型可以用在求解瞬態(tài)流動的問題，同時也是較為經(jīng)典的一種方法。其主要的原理是在Fourier空間或物理空間上對瞬態(tài)Navier-Stokes方程進(jìn)行濾波處理。

三、轉(zhuǎn)捩模型

上述提到的一些模型都是湍流模型，因此適用的范圍較小，僅僅適用于湍流的數(shù)值模擬研究中，簡單地說就是一種理想化的研究方式。但是在具體的研究過程中會出現(xiàn)各種意想不到的問題，其中層流到湍流的轉(zhuǎn)捩就是最為明顯的一個現(xiàn)象，因此在研究該問題的過程中就不能再繼續(xù)使用上述模型進(jìn)行研究。此時則可以采用專門的轉(zhuǎn)捩模型進(jìn)行研究。在研究的過程中不難發(fā)現(xiàn)，如果出現(xiàn)了轉(zhuǎn)捩問題再繼續(xù)使用湍流模型的研究方式，情況不嚴(yán)重的話可能會導(dǎo)致數(shù)值出現(xiàn)一些偏差，但是如果出現(xiàn)嚴(yán)重的問題，則會導(dǎo)致整個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是錯誤的。

之所以會出現(xiàn)轉(zhuǎn)捩的情況，最為主要的原因是受到了壓力梯度的影響。在研究轉(zhuǎn)捩問題的過程中需要注意的問題是，要對轉(zhuǎn)捩的長度進(jìn)行判斷。根據(jù)目前的發(fā)展情況來看，由于轉(zhuǎn)捩具有一定的復(fù)雜性，因此在研究的過程中還沒有一個十分準(zhǔn)確的模擬，因此主要通過經(jīng)驗或者是半經(jīng)驗方法進(jìn)行研究，其中較為經(jīng)典的模式是eN方法。在采用eN方法的過程中需要注意的是，一定要盡可能多的利用振動演化的理論進(jìn)行預(yù)測，這是研究的一種重點，因此在研究的過程中一定要多加注意。

如今轉(zhuǎn)捩模型中γ-Reθt模型是當(dāng)前被使用最為廣泛的一個模型。該種模型主要分為兩種形式，分為是轉(zhuǎn)捩模型，其次是間接轉(zhuǎn)捩模型。

四、局部時均化模型

以上提到的一些模型均有較長時間的研究歷史，但是局部時均化模型是近幾年才出現(xiàn)的新型湍流求解模式。想要對局部時均化模型進(jìn)行更好的理解可以將其理解為一種準(zhǔn)DNS方法。在研究過程中采用該種模型主要是通過兩個參數(shù)，未分解湍動能與總湍動能的比率fk和未分解耗散與總耗散的比率 fε。該種模型湍流數(shù)值預(yù)測的計算中具有絕對的優(yōu)勢，因此當(dāng)前被廣泛的進(jìn)行運用。該模型能夠還能夠被運用在其他領(lǐng)域，總體來說該模型是一種具有良好發(fā)展前景的求解模型。PANS模型最早由Girimaji等提出，基于標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型而建立。

五、結(jié)語

綜上所述，對于流體機械旋轉(zhuǎn)湍流計算模型的研究，應(yīng)該從多個方面進(jìn)行入手，要對其流動機理進(jìn)行充分的了解，并且對流動進(jìn)行提前預(yù)測。對整個流動進(jìn)行控制從而再設(shè)計更加有意義的法方程設(shè)計。在這里值得一提的是，流場測試技術(shù)在快速的發(fā)展，傳統(tǒng)的模型中的被?；牟糠挚赡茉谌蘸髸恢苯忧蠼?。

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作者簡介：

戴容江（1999-），男，江蘇南京人，江蘇大學(xué)本科在讀，研究方向：流體機械及工程。