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随着计算流体动力学和计算机技术的飞速发展,数值模拟已经广泛应用到工程实践中。数值模拟中常用的雷诺时均方法对计算机性能要求较低且计算结果精度能够满足多数工程应用的要求,已成为当前乃至今后较长一段时间内工程数值计算的主要方法。湍流模型作为雷诺时均方法的重要组成部分,直接影响数值计算的稳定性和计算结果的精确性。目前湍流模型类型繁多,但没有一种湍流模型能够用于所有流动的计算,只能针对不同的流动选择不同的湍流模型。水泵内部流动为复杂的三维湍流且不同类型或不同比转数泵的内部流动存在着较大差异。现有的一些湍流模型在水泵数值计算中虽然得到了一定的应用且获得了较为满意的结果,但其计算的稳定性、普适性和计算结果的精确性还远不能满足现代工程更精细化的要求。因此,湍流模型的研究已成为水泵数值计算中的重要课题之一。本文主要研究内容有:
1.系统地归纳和总结了现有各种湍流模型的优缺点及适用范围。
2.针对水泵内流计算,选取泵数值计算中常用的标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型、k-ω模型及SST k-ω模型作为研究对象,采用Fluent软件对不同比转数的15台离心泵在0.8Qd、1.0Qd及1.2Qd工况下进行了内流数值计算；并从能量特性和内流场分布等方面进行了对比分析。从分析结果的总体趋势来看,SST k-ω模型的计算结果相对来说更为稳定和精确。
3.对SST k-ω模型进行了两种方案的改进。由于SST k-ω模型在边界层使用k-ω模型而在主流区使用标准k-ε模型,两者都没有考虑泵的旋转、大曲率等因素的影响。因此,采用考虑旋转和曲率影响的RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型对SST k-ω模型进行改进。(1)根据RNG k-ε模型的耗散率ε输运方程的系数来重新确定吴晓晶提出的SST k-ω改进模型的系数,将改进后的模型定义为PSST k-ω模型。(2)由于Realizable k-ε模型的耗散率ε输运方程中的模化项采用了更优的模化方法。因此,根据湍动能k、耗散率ε及比耗散率ω之间的转换关系对其进行转换,然后通过加权函数添加到SST k-ω模型的比耗散率ω的输运方程中,并将其定义为PRSST k-ω模型。
4.以开源代码库OpenFOAM作为开发平台对改进的湍流模型实现了程序化,并以此为基础进行水泵数值计算软件PCFD的开发,同时采用Qt4.4.3开发了PCFD软件的人机交互界面。基于PCFD软件对不同比转数的三台离心泵在0.8Qd、1.0d和1.2Qd工况下进行了数值模拟,并从能量特性方面分析了PSST k-ω模型和PRSSTk-ω模型的特性。分析结果表明:改进后的PSST k-ω模型和PRSST k-ω模型都能够提高离心泵的能量性能预测精度。