流體機械旋轉湍流計算模型研究進展

摘 要：旋轉湍流是水輪機、風力機以及壓縮機等流體機械中的典型流動現象，從目前的發展情況來看，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具體的實際需求進行選擇。本文從湍流模型的發展入手，具體闡述了多種不同的模擬方法，并且對湍流模型的發展趨勢進行了簡單的分析。

關鍵詞：流體機械；旋轉湍流；模型研究；發展

通過研究，我們不難發現，流體機械流動的重點是其葉輪內部的旋轉流動。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構，其能量的損失也不同。在眾多的流體力學中流體機械流動可以稱之為最復雜的流動之一，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。現在存在多種不同的湍流模型，但從目前的發展情況來看，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具體的實際情況來分析湍流模型的優缺點，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別在于，并不是直接通過計算瞬時的方程來進行研究，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出來。如今雷諾時均的模擬方法是最經常使用的一種湍流數值模擬方法。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象進行描述，因此在研究的過程中需要進行假設。渦粘模型的基本思想是引入湍動黏度μt，然后根據Boussinesq假定把雷諾應力表示成μt的函數。雷諾時均模擬方法被經常用于模擬穩態的流動，因為其特性在此研究方面更具優勢。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模型具有非常的優勢，在研究的過程中計算十分穩定，而且計算率較高，整個模型又十分簡單，因此被廣泛地應用在湍流模擬中。

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一定的問題，會導致整個計算精度不準確。其次如果在研究的過程中需要更多的瞬態信息，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流動的問題，同時也是較為經典的一種方法。其主要的原理是在Fourier空間或物理空間上對瞬態Navier-Stokes方程進行濾波處理。

三、轉捩模型

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各種意想不到的問題，其中層流到湍流的轉捩就是最為明顯的一個現象，因此在研究該問題的過程中就不能再繼續使用上述模型進行研究。此時則可以采用專門的轉捩模型進行研究。在研究的過程中不難發現，如果出現了轉捩問題再繼續使用湍流模型的研究方式，情況不嚴重的話可能會導致數值出現一些偏差，但是如果出現嚴重的問題，則會導致整個數據結構都是錯誤的。

之所以會出現轉捩的情況，最為主要的原因是受到了壓力梯度的影響。在研究轉捩問題的過程中需要注意的問題是，要對轉捩的長度進行判斷。根據目前的發展情況來看，由于轉捩具有一定的復雜性，因此在研究的過程中還沒有一個十分準確的模擬，因此主要通過經驗或者是半經驗方法進行研究，其中較為經典的模式是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行預測，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。

如今轉捩模型中γ-Reθt模型是當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，分為是轉捩模型，其次是間接轉捩模型。

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的新型湍流求解模式。想要對局部時均化模型進行更好的理解可以將其理解為一種準DNS方法。在研究過程中采用該種模型主要是通過兩個參數，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。該種模型湍流數值預測的計算中具有絕對的優勢，因此當前被廣泛的進行運用。該模型能夠還能夠被運用在其他領域，總體來說該模型是一種具有良好發展前景的求解模型。PANS模型最早由Girimaji等提出，基于標準κ-ε模型而建立。

五、結語

綜上所述，對于流體機械旋轉湍流計算模型的研究，應該從多個方面進行入手，要對其流動機理進行充分的了解，并且對流動進行提前預測。對整個流動進行控制從而再設計更加有意義的法方程設計。在這里值得一提的是，流場測試技術在快速的發展，傳統的模型中的被模化的部分可能在日后會被直接求解。

參考文獻：

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[2]王福軍.流體機械旋轉湍流計算模型研究進展[J].農業機械學報，2016，47（02）：1-14.

作者簡介：

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