本文關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)三階非線性SGS模型及其在離心泵流動(dòng)模擬中的應(yīng)用

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【摘要】：旋轉(zhuǎn)湍流是離心泵中的典型流動(dòng)現(xiàn)象,具有逆壓梯度高、流線曲率大、旋轉(zhuǎn)效應(yīng)突出的特點(diǎn),同時(shí)伴隨強(qiáng)烈的三維隨機(jī)脈動(dòng)特性,求解時(shí)均化Navier-Stokes方程的雷諾時(shí)均方法(RANS)和傳統(tǒng)的基于渦粘假設(shè)亞格子模型的大渦模擬方法(LES)均難以準(zhǔn)確體現(xiàn)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響,無法準(zhǔn)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(yīng)的非線性亞格子模型,研究離心泵內(nèi)旋轉(zhuǎn)湍流結(jié)構(gòu),對深入揭示離心泵非穩(wěn)定流動(dòng)機(jī)理有重要意義。針對包含應(yīng)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(yīng)的體現(xiàn)不充分的問題,本文基于RANS方法雷諾應(yīng)力的三階非線性張量多項(xiàng)式本構(gòu)模型,發(fā)展了一種動(dòng)態(tài)三階非線性SGS模型(DCNM),該模型為關(guān)于應(yīng)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(yīng)的影響。模型包含3個(gè)模型系數(shù),采用擴(kuò)展的Germano動(dòng)態(tài)過程對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)求解。本文基于開源的CFD平臺OpenFOAM,構(gòu)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(chǔ)上,將DCNM模型應(yīng)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(jì)算結(jié)果及DNS結(jié)果的對比分析,驗(yàn)證了 DCNM模型可以更有效體現(xiàn)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)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(yīng)的影響,將DCNM應(yīng)用于離心泵中作進(jìn)一步分析。對于存在失速渦的Pedersen離心泵,DCNM模型準(zhǔn)確地捕捉到了失速渦的位置;對于存在動(dòng)靜干涉作用的ERCOFTAC離心泵,新模型較好地預(yù)測了無葉區(qū)的速度分布�；诶字Z應(yīng)力輸運(yùn)方程分析了生成項(xiàng)與旋轉(zhuǎn)項(xiàng)對泵內(nèi)湍流場的影響,驗(yàn)證了葉輪流道內(nèi)旋轉(zhuǎn)項(xiàng)起到能量再分配作用,并揭示了生成項(xiàng)在離心泵內(nèi)部發(fā)生失速時(shí)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(xiàng)主導(dǎo)而旋轉(zhuǎn)項(xiàng)的作用可忽略。本文研究成果為離心泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流的準(zhǔn)確解析奠定了基礎(chǔ),基于雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程的湍流場分析也為離心泵內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)的研究提供了新思路。
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH311

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1289380