CFD技术在水力机械研究中的应用路径

在水力机械研究过程的CFD技术应用中，气液两相流计算、泥沙磨损预测研究、转轮性能优化与预测、相互结合的流体和强度计算、非定常流计算均属于其中代表。为更好发挥CFD技术优势，满足水力机械研究需要，正是本文围绕该课题开展具体研究的原因所在。

CFD技术在水力机械研究中的应用路径

1. 常用方式

在水力机械的研究中，气液两相流计算、泥沙磨损预测研究、转轮性能优化与预测、相互结合的流体和强度计算、非定常流计算均属于其中代表。以气液两相流计算为例，气液两相流问题属于自然界中很多工程问题的具体表现，该问题广泛存在于水力机械内部，水泵和水轮机的空化流动便属于典型的气液两相流问题。对于部分负荷条件下运行的混流式水轮机来说，不稳定流很容易产生于尾水管内部，呈螺旋状摆动的涡带也会因此出现，最终引发低频压力脉动，并造成空蚀、噪音、功率摆动、厂房与机组振动现象，水电站因此受到的危害同样需要得到重视。气液两相流动属于尾水管涡带流与空化流动的本质，因此必须深入研究气液两相流动，才可以实现对尾水管流动规律的理解和掌握，满足水力机械研究需要。在基于CFD技术开展的以气液两相流计算研究中，结合已有的相关计算模型，如基于贴体坐标和有限体积法的气液两相湍流两流体计算模型，配合CFD技术，即可通过数值模拟获得相关数据，为开展空化流动和尾水管涡带气液两相流动奠定坚实基础。在水力机械水力稳定性预测领域，CFD技术做出的预测仅可以作为参考，这是由于CFD计算天然存在计算效率和计算精度层面的限制所致，CFD技术在水力不稳定机理与特性、缩短计算时间、提高计算精度方面存在的更高追求也需要得到重视。

2.发展方向

为保证CFD技术更好地服务于水力机械研究，近年来学界围绕CFD在水力机械研究中的应用开展了大量理论研究和实践探索，CFD技术的应用发展方向也因此逐渐明确，如加强LES方法应用、提高数值模拟精度、加强重点部位流动计算等。在加强LES方法应用中，需重点研究水力机械流动精准数值预测过程当中LES方法的应用，如以有限体积法离散过程作为研究切入点，提出针对性的滤波方案满足水力机械湍流计算精度控制需要;提高数值模拟精度同样可以为水力机械研究提供支持，如两相流研究与水力稳定性研究均可由此实现长足推进，具体研究需关注计算方法和计算模型的提出和优化。以上文提及的气液两相流计算为例，为基于CFD计算实现计算的优化，需重点关注空泡生成、发育、溃灭和回弹的动态过程，水气之间、气泡之间的相互影响也需要得到重视，结合复杂的能量、动量、质量交换机理，即可推进空化流理论和数值模型的发展，这一过程还需要考虑水力机械的运行特色、流道特色;水力机械研究涉及的重点部位较为多样化，如间隙、近壁区，围绕这类部位开展的CFD研究需关注水力机械及主流区的整体流动，并深入分析迷宫环、间隙、近壁区等部位流动带来的影响，由此作为研究切入口，即可保证CFD技术的应用可实现从“粗放”向“精细”发展的内部流场数值研究，水力机械流动特性可由此实现更为全面的研究，CFD技术的优势也可由此实现最大程度发挥。