[科普中國]-三維非定常湍流

湍流是流體的一種流動狀態(tài)。當(dāng)流速很小時，流體分層流動，互不混合，稱為層流，也稱為穩(wěn)流或片流；逐漸增加流速，流體的流線開始出現(xiàn)波浪狀的擺動，擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增加，此種流況稱為過渡流；當(dāng)流速增加到很大時，流線不再清楚可辨，流場中有許多小漩渦，層流被破壞，相鄰流層間不但有滑動，還有混合。這時的流體作不規(guī)則運動，有垂直于流管軸線方向的分速度產(chǎn)生，這種運動稱為湍流，又稱為亂流、擾流或紊流。

在自然界中，我們常遇到流體作湍流，如江河急流、空氣流動、煙囪排煙等都是湍流。

湍流是在大雷諾數(shù)下發(fā)生的，雷諾數(shù)較小時，黏滯力對流場的影響大于慣性力，流場中流速的擾動會因黏滯力而衰減，流體流動穩(wěn)定，為層流；反之，若雷諾數(shù)較大時，慣性力對流場的影響大于黏滯力，流體流動較不穩(wěn)定，流速的微小變化容易發(fā)展、增強(qiáng)，形成紊亂、不規(guī)則的湍流流場。

非定常流動是流體的流動狀態(tài)隨時間改變的流動。若流動狀態(tài)不隨時間而變化，則為定常流動?，F(xiàn)實生活中，流體的流動通常幾乎都是非定常的。

按流動隨時間變化的速率，非定常流動可分為三類：

1）流場變化速率極慢的流動：流場中任意一點的平均速度隨時間逐漸增加或減小，在這種情況下可以忽略加速度效應(yīng)，這種流動又稱為準(zhǔn)定常流動。水庫的排灌過程就屬于準(zhǔn)定常流動?？烧J(rèn)為準(zhǔn)定常流動在每一瞬間都服從定常流動的方程，時間效應(yīng)只是以參量形式表現(xiàn)出來。

2）流場變化速率很快的流動：在這種情況下須考慮加速度效應(yīng)?；钊剿没蛘婵毡盟斐傻牧鲃?，飛行器和船舶操縱問題中所考慮的流動都屬這一類。這類流動和定常流動有本質(zhì)上的差別。

3）流場變化速率極快的流動：在這種情況下流體的彈性力顯得十分重要，例如瞬間關(guān)閉水管的閥門。閥門突然關(guān)閉時，整個流場中流體不可能立即完全靜止下來，速度和壓強(qiáng)的變化以壓力波（或激波）的形式從閥門向上游傳播，產(chǎn)生很大的振動和聲響，即所謂水擊現(xiàn)象。這種現(xiàn)象不僅發(fā)生在水流中，也發(fā)生在其他任何流體中。在空氣中的核爆炸也會發(fā)生類似現(xiàn)象。

除上述三類流動外，某些狀態(tài)反復(fù)出現(xiàn)的流動也被認(rèn)為是一種非定常流動。典型的例子是流場各點的平均速度和壓強(qiáng)隨時間作周期性波動的流動，即所謂脈動流，這種流動存在于汽輪機(jī)、活塞泵和壓氣機(jī)的進(jìn)出口管道中。直升飛機(jī)旋葉的轉(zhuǎn)動，飛機(jī)和導(dǎo)彈在飛行時的顫振，高大建筑物、橋墩以及水下電纜繞流中的卡門渦街等也都會形成這種非定常流動。流體運動穩(wěn)定性問題中所涉及的流動也屬于這種非定常流動。但是一般并不把湍流的脈動歸入這種流動。兩者之間的差別在于：湍流脈動參量偏離其平均值要比非定常流動小得多，變化的時間尺度也短得多。

固體火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)流場數(shù)值計算日趨完善，國外最新的計算模型已綜合考慮了兩相流動、化學(xué)反應(yīng)、燃燒、粒子沉積、湍流脈動等的影響，國內(nèi)的劉宇等人在這方面也有高深的造詣。以往在此類計算中由于受計算條件的限制，存在著計算網(wǎng)點數(shù)過少、計算精度偏低、收斂速度較慢、只能用于簡單幾何形狀等缺陷。向紅軍在SIMPLE方法的基礎(chǔ)上，以雙方程封閉湍流模型，求解了三維非定常不可壓流N-S方程，所選算例沿燃燒室軸向采取了較密網(wǎng)格，前后段分別帶翼的裝藥幾何模型更接近于工程實際，進(jìn)行了5個時間步的非定常計算，采取獨特的初場給定方法，大大加速了收斂速度，計算精度也有了大幅度的提高，已具備了適宜于工程粗略計算的能力。1

隨著計算機(jī)技術(shù)和計算流體動力學(xué)的發(fā)展及其應(yīng)用，及湍流理論和湍流模型的進(jìn)展，應(yīng)研究水輪機(jī)全流道三維非定常湍流的數(shù)值模擬的理論和方法，分析模型和真機(jī)的流道湍流特性，計算全流道非定常湍流的瞬時流場、葉片邊界層分離以及葉道渦、葉片脫流渦、葉片后卡門渦等的形成和運動規(guī)律，間隙湍流對主流的干擾和影響等，獲取水輪機(jī)全流道中的流場、壓力脈動分布以及流動變化對轉(zhuǎn)動部件的水動作用力。開展水輪機(jī)內(nèi)部非定常流動機(jī)理的研究，將有助于對水輪機(jī)內(nèi)部復(fù)雜非定常流動特性的理解和旋渦運動特性的認(rèn)識，并使設(shè)計者有意識地對水輪機(jī)內(nèi)部非定常流動加以控制，充分利用非定常流動中所帶來的益處，抑制非定常流動中可能引起的不利因素，對提高水輪機(jī)的整體性能和工作可靠性具有重要意義。

水輪機(jī)非定常流場中，流體振蕩的頻率成份與水輪機(jī)系統(tǒng)密切相關(guān)，如葉片振動的固有頻率、動靜葉柵相互干擾的擾動頻率及進(jìn)出口流動參數(shù)的波動頻率等都會產(chǎn)生流道內(nèi)同樣頻率成份的流體振蕩。從流體力學(xué)的觀點看，振蕩流意味著流體在流動過程中，流動的各種參數(shù)值隨時間而脈動的物理現(xiàn)象。隨著水輪機(jī)中葉片振動故障的不斷增加，人們越來越重視葉片所受到的非定常激振力及其對葉片振動影響的研究。但是因為這個課題具有跨學(xué)科的特點，它涉及到非定常水動力學(xué)和結(jié)構(gòu)動力學(xué)，所以開展研究非常困難。而且由于水動力學(xué)非定常分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)動力分析中的載荷壓力場相互不對應(yīng)，必須將水動力學(xué)非定常分析給出的流場壓力轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)動力分析中的壓力，才能進(jìn)行水力機(jī)械的流固藕合分析。所以主要困難就是如何把流體計算得出的非定常壓力轉(zhuǎn)換為適合于結(jié)構(gòu)動力計算的壓力，并引入有效的數(shù)值求解方法(如有限元)。由于這個課題的復(fù)雜性，固體(如葉片)在非定常流場擾動條件下的動力預(yù)測技術(shù)一直進(jìn)展緩慢。由非定常振蕩流導(dǎo)致的葉片高周疲勞問題乃至結(jié)構(gòu)安全性問題己成為進(jìn)一步提高水輪機(jī)各項性能的重大障礙。

水輪機(jī)中真實流動的非定常性不僅影響水輪機(jī)的效率、穩(wěn)定性，還能激發(fā)振動和噪聲，導(dǎo)致葉片等發(fā)生顫振失穩(wěn)產(chǎn)生過量附加動應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂破壞。隨著水輪機(jī)不斷向高比轉(zhuǎn)速、大容量的方向發(fā)展，對機(jī)組的穩(wěn)定性要求越來越高，非定常流動對機(jī)組穩(wěn)定性的影響也會更加凸顯。為了預(yù)測實際復(fù)雜流動，進(jìn)行水輪機(jī)內(nèi)由空間非均勻性和動靜部件相對運動所導(dǎo)致的非定常流動的數(shù)值模擬已成為現(xiàn)代水輪機(jī)研究的熱點問題和前沿方向。此外，還應(yīng)該研究水輪機(jī)內(nèi)部非定常渦流的形成和運動規(guī)律;水輪機(jī)內(nèi)部非定常流動機(jī)理及其控制;水輪機(jī)瞬態(tài)過程的內(nèi)部非定常流動的測試及內(nèi)流機(jī)理;水輪機(jī)典型瞬態(tài)過程的非定常流動的數(shù)值計算模型和仿真技術(shù);水輪機(jī)瞬態(tài)過程流固禍合振動機(jī)理和數(shù)值預(yù)測方法等。2