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中国工程热物理学会学科类别:流体机械学术会议论文编号:087006改进的SSTk-o模型在旋转机械计算中的应用吴晓晶1,吴玉林2,刘树红3(水沙科学和水利水电工程国家重点实验室清华大学热能工程系,北京,100084)(Tel:62794735,Email:wuxiaojing00@mails.tsinghua.edu.cn)摘要:SSTk-o模型是由Menter提出的融合了k-e模型和k-o模型的湍流模型。利用控制函数F1对流动进行分区,贴近边界附近的流动利用k-o模化,而主流区计算采用k-e模型完成。原有SST模型是基于变形后的标准k-e模型以及k-o模型完成的,对于分离流动和旋转流动模式化不够准确,而非线性的RNGk-e模型则比标准k-e模型有所改进。本文将变形后的RNGk-e和k-o模型结合,组成为改进的SSTk-o模型,并应用于中、低比转速离心泵内部复杂流动的计算。和试验结果相对比,改进后的SSTk-o模型能够更准确的计算离心泵内的复杂流动。关键词:SSTk-o模型,湍流封闭,旋转流体机械0前言在流体机械中,分离流动和旋转流动常见且对系统性能、稳定性等方面影响很大,能够造成流道内部流动变得复杂而难以控制,造成效率的降低以及叶片的损伤等。数值模拟是一种有效的手段,对于流体机械内部的复杂流动现象的揭示和分析有很重要的作用。其中,湍流模型对于计算的精确度有很大的影响,尤其是带有旋转和弯曲壁面的旋转机械内部流动,所受的影响更大。从近年来的工程经验来看,旋转曲率壁面内部流动的湍流数值模拟具有一定的难度,常规的ε−k很难达到满意的效果。一般来说,具有比较好的模拟计算效果的湍流模型为RNGε−k和SST两种双方程模型。文对原始的SSTk-o模型进行改进,经过推导,将变形后的RNGk-e和k-o模型结合,组成为改进的SST−ko−ko模型,力图综合两种非线性湍流模型的优点,并将这种湍流封闭模型应用于工程计算。性能曲线的驼峰现象在离心泵中是一种比较常见的特殊流动现象,近年来,众多学者对这一领域进行了研究,探讨其形成的机理以及工程上的解决方案[1][2][3],但在数值模拟方面还有很大程度有待发展。日本的学者在这方面做了很多的工作,提出了驼峰现象(stall)的计算方法、机理分析以及优化措施等,但计算精度上还有待提高[4][5][6]。本文将利用改进的SST−ko模型,对中、低比转速离心泵内部复杂流动的资助项目:国家自然科学基金(No.10532010)计算,探讨提高计算的准确度和精度的方法,并进一步为分析流动机理奠定基础。1.模型推导1.1RNG和SST模型RNGε−k模型来源于严格的统计技术,80年代中期Yakhot和Orszag在总结前人工作基础上,较系统地利用RNG分析了湍流场。从理论上导出了RNGk-e模型,完全基于理论上的推导,并未借助任何的经验,它和标准k-e模型很相似,但是有较大程度的改进,使得RNGε−k模型比标准ε−k模型在更广泛的流动中有更高的可信度和精度。RNG模型在方程源项中加入了附加产生项,考虑了流动中的不平衡应变率,对于具有较大应变率,以及强曲率影响和壁面约束的湍流分离流动都具有重要作用。ε方程附加项为:3(11ρηηkkoε−−20)CRkμεη/εβ−+=,其中0/,4.38,0.012Skηεηβ≡==,是RNG模型能够提高计算精度的很重要的一项。SST模型是由Menter在1994年提出的融合了k-e模型和k-o模型两种模化思路的湍流模型。这种湍流模型模式化的主要思路是将湍流流动分区进行模式化。该模型利用控制函数F1对流动进行分区,贴近边界附近的流动利用k-o模化,而主流区的流动计算采用k-e模型完成,综合了k-o模型对边界层流动计算准确的特点,同时可以保证剪切力输运的准确。该模型考虑到湍流剪应力的影响以及正交发散项,修改了湍流粘性公式,更适合对流减压区的计算。−ko1.2改进的SST模型本阶段研究的湍流模型修正方法,是以SST−ko双方程模型为基础,利用类比的方法,加入RNGε−k模型中的修正项,作为改进策略。原有SST模型是基于变形后的标准ε−k模型以及模型完成的,而标准−okε−k模型对于分离流计算不够准确,本研究利用,将RNGε−k模型修正项加入,以提高预测的准确程度。ko−新的模型方程中方程是没有变化的,只对耗散率方程作以修正。下面给出具体推导过程,原有RNG模型的耗散率方程为:k212()()[]εεεεεερερεαμρ∂∂∂∂+=+−∂∂∂∂ikeffkijjuCGCtxxxkk−R利用ε和ω的关系式:,带入到上述方程,可以得到:/Ckμωε=213332()1()[()](1)2tkUFkPtkRωωωμρωωρωμωρωαβρωσσω∂+∇=∇+∇+−∇∇+−−∂ 30203(1/),/,4.38,0.012,,11μεμρηηηωηεηβμβηω−======+tCkRSkC这样就得到了改进的SST模型中的耗散率方程,可以用来进行计算。2.改进模型在离心泵计算中的应用2.1计算对象本文的第一个计算对象模型1的计算模型为低比转速的离心泵全流道模型,其几何计算模型和网格划分见下图:叶轮涡壳吸入管图1模型1几何示意图图2模型1网格示意图计算模型1为一个比转速46()的离心泵,包括转轮,吸入管和导流蜗壳。水流在转轮的作用下由吸入管进入转轮,做功后流入蜗壳导出,排出泵系统。不同通流部件之间利用流动交界面(interface)进行数据传递。/,/,radsmsm2.2计算条件计算给定的边界条件是:进口给定质量流量,出口给定压力;转轮区域给定转速,设为转动域。所有壁面给定无滑移条件。本文选用不同的湍流模型进行计算:SST−ko,RNGε−k和改进的SST三种,从设计流量13.86kg/s开始,逐步减小进口流量,得到离心泵的性能曲线进行对比。−ko2.3网格无关性验证为了验证网格的数量,本报告先进行了网格无关性的验证。本研究共选用了四种网格进行对比计算,计算的工况点为设计流量点。计算结果见下图所示:图3网格和计算扬程曲线从图3可以看出,离心泵的计算扬程随着网格的增加而上升,但增加到600000以后,增加的趋势逐步放缓,800000以后又有所降落,基本和600000的水平持平,因此可以认为600000以上的网格模型可以满足计算的要求。最终选用的计算模型的网格数为600000。2.4计算结果图4绝对扬程计算结果和实验的对比结果图4给出了前文介绍的新模型对该离心泵扬程的计算结果。可以看出新模型计算驼峰区的扬程下降比SST模型的结果更为明显,有一定的改进,基本趋势上也更加接近了试验的结果。蜗舌区a.RNG模型结果b.SST模型结果c.改进的SST模型结果图5小流量工况下泵内流线分布图5给出了小流量工况(进口流量4.2kg/s)下,不同湍流模型对泵内流场的计算结果,该流量点为试验中扬程下降的特殊工况点。从途中可以看出,RNG和SST模型计算得到的三维流线分布情况基本上差不多,没有反映出造成离心泵扬程突然下降的原因。而改进得SST模型计算得到的流线有所不同,在蜗舌区,明显计算出了穿过叶片的横向流动,说明在此处存在一定程度的旋涡流动,而这样的流动状态会造成流体能量的损耗,因此可以认为是造成离心泵扬程下降的一种原因。4结论本文对原始的SSTk-o模型进行改进,将变形后的RNGk-e和k-o模型结合,组成为改进的SSTk-o模型,并将这种湍流封闭模型应用于中、低比转速离心泵内部复杂流动的计算。数值模拟的结果表明,和试验结果相对比,改进后的SSTk-o模型能够更准确的计算离心泵曲线的驼峰现象,并且揭示了更多的流动细节信息,比原始SSTk-o模型和RNGk-e模型都有一定程度的改进,说明这种新的湍流封闭模式在改进计算精度和机理分析方面都有一定的可取之处。参考文献[1]赵家新,等。关于消除泵的驼峰现象的试验。见:流体机械,1992。[2]李强,等。高速泵性能曲线驼峰现象分析。见:通用机械,2007。[3]牟介刚,等。离心泵性能曲线产生驼峰的机理及消除措施。见:农业机械学报,2006。[4]Masamichilino,Numericalanalysisofunstablephenomenaandstabilitymodificationofanimpellerinacentrifugalpump.In:22ndIAHRSymposium,July,2004.[5]Miyagawa,Studyofinternalflowandperformanceimprovementforcentrifugalpump.In:22ndIAHRSymposium,July,2004.[6]Miyagawa,StudyonstayvaneinstabilityduetoVortexshedding.In:22ndIAHRSymposium,July,2004.改进的SSTk-o模型在旋转机械计算中的应用作者:吴晓晶,吴玉林,刘树红作者单位:水沙科学和水利水电工程国家重点实验室清华大学热能工程系,北京,100084相似文献(10条)1.学位论文张奎亭含砂水对离心泵磨损的研究1999黄河、长江流域的河水中泥砂含量较高,清水离心泵由于理论设计和运行实践的长期脱节,经常遇到含砂水流的磨损问题,从而严重影响了这些地区输水水泵的使用寿命,给国发经济造成了极大损失.另外,管道水力输送固体物料的工程应用,也使旋转机械中的两相流动成为一个近几十年来的研究热点.该文利用固液两相流水泵实验台和一般的清水离心泵,在不同流量、不同砂粒粒径、不同含砂浓度条件下进行了磨损实验,弄清了上述参数对水泵叶轮磨损部位和程度的影响.在此基础上,利用Phoenics计算软件,对简单的流道形状及二维离心泵叶轮流道内的湍流流场进行了数值模拟.湍流模型采用了k-ε湍流模型;然后采用多流体(拟流体)两相流模型,针对不同的流动条件,即不同固相浓度,不同砂粒粒径,不同流量,不同叶轮流道几何形状进行了固液两相流计算,得到了离心叶轮流道内两相各自的速度失量分布及固相浓度分布等信息.所揭示的流动特征与文献计算结果及该文实验结果进行了比较,从定性上来讲计算结果是合理的,定量方面有待做进一步深入的验证工作.2.学位论文厉世明上海石化水厂泵群状态监测与故障诊断系统的研究2007随着现代工业技术的发展,越来越多的大型旋转机械被应用到企业的生产当中,大型旋转机械的状态监测与故障诊断技术能保障这些机组设备的正常运转,该项技术已成为当前研究的热点。机器发生故障时,通过对振动信号的分析和处理,能够确定故障产生的原因。在机械设备维修中,采用振动分析法对设备进行监测是防止机械发生故障的一种有效方法。同时也能在不拆卸机械部件的情况下确定故障程度,甚至可以取代传统的定期维修制。本文详细研究了离心泵振动信号采集及预处理的方法,通过对上海石化水厂典型案例的分析,总结归纳了水泵常见故障所对应的振动信号特征,包括转子不平衡、转子不对中、滚动轴承故障等,基于虚拟仪器技术开发出了泵群状态监测与故障诊断系统,并对BP神经网络在水泵故障诊断中的应用进行了理论探讨。系统成功地应用于上海石化水厂,实际运行结果证明所开发的系统是准确可靠的。3.期刊论文高红俐.殷建军.项祖丰.童水光离心泵轴向力在线监控装置测力弹性元件的优化设计-流体机械2000,28(9)对离心式旋转机械轴向力在线监控装置做了简单介绍,然后详细介绍了一种离心泵轴向力在线监控装置测力弹性元件的优化设计,为了保证测力传感器的性能,采用有限元法计算了不同结构及尺寸的弹性元件在轴向力约为39.22kN时的应力、应变及垂直位移的分布,在此基础上优选了最佳的弹性元件结构及最佳的电阻应变片位置,显著地提高了测力传感器的灵敏度,并通过实验得到了验证.4.学位论文徐岩多级离心泵转子动平衡在线测试系统研究2006近年来,随着现代旋转机械向着高速化、精密化、自动化的方向发展,对转子动平衡精度的要求也愈加严格,因此研制开发方便、快捷、高精度的动平衡测试系统是当前的研究重点。同时,计
本文标题:改进的SST+ko模型在旋转机械计算中的应用
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