本文關鍵詞：動態(tài)三階非線性SGS模型及其在離心泵流動模擬中的應用

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【摘要】：旋轉(zhuǎn)湍流是離心泵中的典型流動現(xiàn)象,具有逆壓梯度高、流線曲率大、旋轉(zhuǎn)效應突出的特點,同時伴隨強烈的三維隨機脈動特性,求解時均化Navier-Stokes方程的雷諾時均方法(RANS)和傳統(tǒng)的基于渦粘假設亞格子模型的大渦模擬方法(LES)均難以準確體現(xiàn)旋轉(zhuǎn)效應的影響,無法準確捕捉離心泵內(nèi)旋轉(zhuǎn)湍流特性。因此,發(fā)展體現(xiàn)旋轉(zhuǎn)效應的非線性亞格子模型,研究離心泵內(nèi)旋轉(zhuǎn)湍流結(jié)構,對深入揭示離心泵非穩(wěn)定流動機理有重要意義。針對包含應變率張量與旋轉(zhuǎn)率張量的二階非線性SGS模型對旋轉(zhuǎn)效應的體現(xiàn)不充分的問題,本文基于RANS方法雷諾應力的三階非線性張量多項式本構模型,發(fā)展了一種動態(tài)三階非線性SGS模型(DCNM),該模型為關于應變率張量與旋轉(zhuǎn)率張量的三階函數(shù),能更充分地體現(xiàn)旋轉(zhuǎn)效應的影響。模型包含3個模型系數(shù),采用擴展的Germano動態(tài)過程對其進行動態(tài)求解。本文基于開源的CFD平臺OpenFOAM,構建了非線性亞格子模型的程序模塊,該模塊適用于任意顯式非線性SGS模型,拓展了 OpenFOAM的求解能力。在此基礎上,將DCNM模型應用于旋轉(zhuǎn)槽道流及Taylor-Couette流2種典型旋轉(zhuǎn)湍流中,通過與現(xiàn)有SGS模型計算結(jié)果及DNS結(jié)果的對比分析,驗證了 DCNM模型可以更有效體現(xiàn)旋轉(zhuǎn)效應的影響,并能反映湍流能量從亞格子尺度到大渦尺度的反向傳遞。為分析離心泵非穩(wěn)定流場中旋轉(zhuǎn)效應的影響,將DCNM應用于離心泵中作進一步分析。對于存在失速渦的Pedersen離心泵,DCNM模型準確地捕捉到了失速渦的位置;對于存在動靜干涉作用的ERCOFTAC離心泵,新模型較好地預測了無葉區(qū)的速度分布�；诶字Z應力輸運方程分析了生成項與旋轉(zhuǎn)項對泵內(nèi)湍流場的影響,驗證了葉輪流道內(nèi)旋轉(zhuǎn)項起到能量再分配作用,并揭示了生成項在離心泵內(nèi)部發(fā)生失速時同樣起到能量再分配作用;在葉輪之外的無葉區(qū),湍流能量的再分配由生成項主導而旋轉(zhuǎn)項的作用可忽略。本文研究成果為離心泵等旋轉(zhuǎn)機械內(nèi)部強旋轉(zhuǎn)湍流的準確解析奠定了基礎,基于雷諾應力輸運方程的湍流場分析也為離心泵內(nèi)部復雜流動的研究提供了新思路。
【學位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH311

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本文編號：1289380