流体机械旋转湍流计算模型研究进展

摘 要：旋转湍流是水轮机、风力机以及压缩机等流体机械中的典型流动现象，从目前的发展情况来看，存在多种湍流模型，不同的湍流模型适用于不同的情况，目前并没有一种湍流模型适用于所有情况，因此想要正确的使用湍流模型需要根据具体的实际需求进行选择。本文从湍流模型的发展入手，具体阐述了多种不同的模拟方法，并且对湍流模型的发展趋势进行了简单的分析。

关键词：流体机械；旋转湍流；模型研究；发展

通过研究，我们不难发现，流体机械流动的重点是其叶轮内部的旋转流动。通过对流动的分析我们能够分辨其速度压力等物理量都有不同的分布。对于一些不同的漩涡结构，其能量的损失也不同。在众多的流体力学中流体机械流动可以称之为最复杂的流动之一，其在流动的过程中受到各种不同因素的影响，一个非常小的因素就可能直接决定流体机械的流动情况，因此在具体的使用过程中要多加注意。现在存在多种不同的湍流模型，但从目前的发展情况来看，并没有一个湍流模型适用于各种情况，因此在选择时一定要根据具体的实际情况来分析湍流模型的优缺点，从而才能选择合适的湍流模型。

一、雷诺时均模拟方法

雷诺时均模拟方法又可以简称为RANS模拟方法。雷诺时均模拟方法与其他模拟方法的区别在于，并不是直接通过计算瞬时的方程来进行研究，而是通过研究瞬时的脉冲动量，将瞬时的脉冲动量通过方程的形式表现出来。如今雷诺时均的模拟方法是最经常使用的一种湍流数值模拟方法。在采用雷诺时均模拟方法的时候，由于在研究的过程中没有一种特定的物理定律来对整个现象进行描述，因此在研究的过程中需要进行假设。涡粘模型的基本思想是引入湍动黏度μt，然后根据Boussinesq假定把雷诺应力表示成μt的函数。雷诺时均模拟方法被经常用于模拟稳态的流动，因为其特性在此研究方面更具优势。但是在具体的研究过程中仍然存在一些物理问题，其中时间的非稳定性就是最大的一个问题。

κ-ε模型简单地说就是通过引入相应的湍动能k和湍动耗散率ε来完成整个方程的运算，该模型是十分典型的一个雷诺时均模型，同样也是非常典型的涡粘模型。κ-ε模型具有非常的优势，在研究的过程中计算十分稳定，而且计算率较高，整个模型又十分简单，因此被广泛地应用在湍流模拟中。

二、尺度解析模拟方法

上文提到的雷诺时均模拟方法虽然受到了广泛的欢迎，但是在具体的研究过程中仍然存在一些不可避免的问题。其中最为严重的两个问题就是，如果水泵失速流场，雷诺时均模拟方法的计算就会出现一定的问题，会导致整个计算精度不准确。其次如果在研究的过程中需要更多的瞬态信息，那么就不能使用雷诺时均的模拟方法。面对这种情况，则可以选择尺度解析的模拟方法。面对以上两个问题，尺度解析模拟方法均能很好的进行解决。尺度解析模拟方法简称为SRS，简单地说就是对小部分的湍流进行直接性的求解。虽然这种方法看似较为简单，但是在具体的使用过程中无法保证计算效率。

尺度解析模拟方法中包括大涡模拟模型，大涡模拟模型可以用在求解瞬态流动的问题，同时也是较为经典的一种方法。其主要的原理是在Fourier空间或物理空间上对瞬态Navier-Stokes方程进行滤波处理。

三、转捩模型

上述提到的一些模型都是湍流模型，因此适用的范围较小，仅仅适用于湍流的数值模拟研究中，简单地说就是一种理想化的研究方式。但是在具体的研究过程中会出现各种意想不到的问题，其中层流到湍流的转捩就是最为明显的一个现象，因此在研究该问题的过程中就不能再继续使用上述模型进行研究。此时则可以采用专门的转捩模型进行研究。在研究的过程中不难发现，如果出现了转捩问题再继续使用湍流模型的研究方式，情况不严重的话可能会导致数值出现一些偏差，但是如果出现严重的问题，则会导致整个数据结构都是错误的。

之所以会出现转捩的情况，最为主要的原因是受到了压力梯度的影响。在研究转捩问题的过程中需要注意的问題是，要对转捩的长度进行判断。根据目前的发展情况来看，由于转捩具有一定的复杂性，因此在研究的过程中还没有一个十分准确的模拟，因此主要通过经验或者是半经验方法进行研究，其中较为经典的模式是eN方法。在采用eN方法的过程中需要注意的是，一定要尽可能多的利用振动演化的理论进行预测，这是研究的一种重点，因此在研究的过程中一定要多加注意。

如今转捩模型中γ-Reθt模型是当前被使用最为广泛的一个模型。该种模型主要分为两种形式，分为是转捩模型，其次是间接转捩模型。

四、局部时均化模型

以上提到的一些模型均有较长时间的研究历史，但是局部时均化模型是近几年才出现的新型湍流求解模式。想要对局部时均化模型进行更好的理解可以将其理解为一种准DNS方法。在研究过程中采用该种模型主要是通过两个参数，未分解湍动能与总湍动能的比率fk和未分解耗散与总耗散的比率 fε。该种模型湍流数值预测的计算中具有绝对的优势，因此当前被广泛的进行运用。该模型能够还能够被运用在其他领域，总体来说该模型是一种具有良好发展前景的求解模型。PANS模型最早由Girimaji等提出，基于标准κ-ε模型而建立。

五、结语

综上所述，对于流体机械旋转湍流计算模型的研究，应该从多个方面进行入手，要对其流动机理进行充分的了解，并且对流动进行提前预测。对整个流动进行控制从而再设计更加有意义的法方程设计。在这里值得一提的是，流场测试技术在快速的发展，传统的模型中的被模化的部分可能在日后会被直接求解。

参考文献：

[1]周佩剑，王福军，姚志峰.离心泵叶轮旋转失速团特性分析[ J].水利学报，2015，46（ 9） ： 1128 -1134.

[2]王福军.流体机械旋转湍流计算模型研究进展[J].农业机械学报，2016，47（02）：1-14.

作者简介：

戴容江（1999-），男，江苏南京人，江苏大学本科在读，研究方向：流体机械及工程。