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泵内部流场几何形状和工况条件的复杂性的研究

水泵内部流体的流动状态包含了各种涡系的湍流运动,对于流体任何复杂的层流和湍流流动,描述流体运动的控制方程Navier-Strokes方程(即N-S方程)均适用。因此,采用对三维非定常的控制方程进行时间平均化,补充反应湍流特性的连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程等方程。


在研究高温流程泵在高温流体介质中的压力、温度和热传导问题可以分成两部分:一是流体运动及热传导的主区域,在该区域内,流体的控制方程求解的是ca88会员登录内部流场的压力、流体的运动速度,流体温度传导等参数。二是耦合热传导(CHT)固体区域,该区域内对流场及热场的求解采用能量方程求解。


由于湍流的流动在近壁面到壁面区域的影响很大,因此在计算模型的壁面上必须满足无滑移边界条件(壁面处流体的切向速度为零),在数值模拟过程中需要考虑壁面的粘性效应和边界层内快速变化的变量的求解。


大量试验表明,在近壁面处,流动可以分为三层,如图1所示。最靠近壁面的一层,称为黏性底层,在这层中,流体介质的黏性在流动中起着主导作用。最远离壁面的一层,称为完全湍流层(对数律层),在这层中,湍流起着主导作用。中间一层为过渡层,在这层中,黏性与湍流起着同等重要的作用。

图1:近壁面流动分层

近壁面流动分层

一般说来,模拟近壁面的流动有两种方法,即壁面函数法和近壁面模型法。近壁面模型法通过对湍流模型进行一定的修改以通过网格求解包括黏性底层在内的所有黏性影响区域。由于需要求解受黏性影响的层(黏性底层和过渡层),必须在黏性底层和缓冲层中布置较多的节点。显然,这种方法计算量是相对较大的,但是在壁面层可以获得较为精确的解。


壁面函数法并不求解受黏性影响的层,取而代之的,是引入一个半经验公式,即壁面函数。近壁面速度,是摩擦速度,是在距离壁面处的已知的壁面切向速度是到壁面的无量纲距离;是壁面切应力,是冯卡曼常数,是根据壁面粗糙度给定的常数。


壁面函数的优点是避免了修改湍流模型以适应壁面的存在,在网格划分时,无需对壁面区域的网格进行加密处理,节省计算资源,其主要缺点则是在低雷诺数区域模拟并不理想,且数值解的精度会随着壁面法向的网格加密而恶化。一般的,网格的第一个节点须放置在对数律成立的区域内,对应的值的取值范围在30-300之间,小于15的值将会逐渐导致切应力和热传递方面的错误。


对于流场数值计算的求解,ca88手机版厂采用SIMPLE算法进行处理,即压力耦合方程组的半隐式的方法,并通过“先猜想后修正”的方法得到压力场,并求解离散化的动量方程。假定初始速度分布;

假定压力场;

根据速度场与压力场计算动量离散方程的系数、常数项;

解出动量离散方程;

求得压力修正方程;

对压力和速度进行修正;

根据情况求解其他离散化方程;

判断是否收敛,不收敛的话则继续下一次迭代。


SIMPLE算法主要弱点在于:初始的速度和压力分别单独给出,互不相关;在推导速度修正方程时,忽略了邻点的影响,但是邻点系数的影响并没有消去,从而造成了计算的不协调。一般认为,SIMPLE算法的收敛速度较慢,但稳定性好。


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点击次数:  更新时间:2018-01-18 09:12:10  【打印此页】  【关闭