水力机械旋转空化流的隐式SGS和非平衡空化模式的联合研究

本项目试图通过理论分析、并行计算和实验手段，深入研究水力机械内部空化两相湍流机理，发展强旋转空化两相流的计算模式。针对旋转湍流场是强各向异性湍流，结合隐式大涡模拟优势：处理复杂区域的复杂流动、适应各向异性湍流和计算工作量小，发展有效的旋转湍流的隐式SGS模式。研究分析空泡Rayleigh-Plesset动力学，根据空化的热力学机制，从不可逆热力学和非平衡相变的分子运动论，建立两相间的非平衡空化模型。然后，构建相间双向耦合的空化两相流的两流体模型，针对隐式SGS模型和空泡界面处的气液密度梯度大的特点，研究设计高分辨率、高精度的并行算法，精确、高效地模拟水力机械全流道的空化两相湍流，并与实验的PIV数据和空化泡进行比较分析，揭示水力机械内部强旋转空化流机理，为优化水力机械的设计计算，达到对空化流的预估和控制，提高水力机械的抗空化性能和运行稳定性，为解决其他的类似难题作技术储备。

空化现象经常出现于水力机械内，水力机械中的发生空化往往会引起水力机组运行特性的改变、空蚀破坏、振动和噪声等一系列问题，因此，研究发展适用于水力机械内部的旋转高湍流模型和空化流模型尤为重要。首先，针对水力机械内部强旋转湍流，发展了隐式大涡模拟（Implicit Large Eddy Simulation，ILES）模式，通过自适应局部去卷积方法（Adaptive Local Deconvolution Method，ALDM）来构建自适应网格的隐式SGS(Sub-Grid Scale)模型，即将滤波及离散过程中产生的截断误差作为SGS模型。然后，针对实际空化流动空泡的产生、成长、溃灭等热力学过程特点，根据空化的热力学机制，基于相变引起质量、动量和能量等输移的空化模型，构建了两相间的非平衡空化模型。针对隐式SGS模型和空化流等特点，基于Fluent CFD(Computational Fluid Dynamics)软件，研究设计UDF (User Defined Function)的高效并行算法。基于以上提出的隐式SGS湍流模型和空化流模型，进行了翼型绕流和离心泵全流道内部湍流/空化流的研究分析。最后，利用外特性实验手段，进行了小型离心泵的扬程-流量和效率-流量等实验，以及利用可视化PIV (Particle Image Velocimetry)来观测泵内部的流动规律和叶轮内部空化流的高速摄影，以上手段可用来揭示水力机械内部强旋转空化流机理，为优化水力机械的设计计算，达到对空化流的预估和控制，提高水力机械的抗空化性能和运行稳定性，为解决其他的类似难题作技术储备。