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1、精品论文紊流模型对双向进出水口数值模拟的影响雷兴春 1，梅飞朋 1，丁华凯 21 河海大学水利水电学院，江苏南京（210098）2 河海大学水文水资源学院，江苏南京（210098）E-mail：leixingchun , chunge摘要：运用四种不同的紊流计算模型对抽水蓄能电站上库侧式进出水口的水力特性进行数 值计算，得到不同紊流模型下的进出水口流速分布、水头损失等水力特性，并将计算结果与模型试验结果进行比较，得到不同的紊流模型对进出水口流速分布、水头损失等水力特性的影响，计算结果表明四种紊流模型均适合于进出水口数值计算。 关键词：紊流模型；数值模拟；水力特性中图分类号：TV7321. 引言
2、随着数值计算和计算机技术的发展,数值模拟技术以其成本低、速度快、精度高等优势 受到广大科研学者的重视,活跃于各个领域,应用数值计算方法求解水力学问题已经成为一种趋势。 刘健，高学平等利用 k 模型对西龙池抽水蓄能电站进出水口进行了二维和三维数值模拟1，程伟平等应用雷诺应力模型（RSM）和 VOF 法对马山抽水蓄能电站进出水口抽水工况时竖井扩散段、孔口及防涡梁下的水流特性进行了研究。C.Forkel 和 K.Rettemeier， G.Demny 等运用大涡模拟方法分别对 Bakun 和 Wintrich 水电站进水口流场进行了模拟2， 所得结果与实验吻合很好。不同的紊流模型由于采用了不同的数值
3、模拟方法又各有其特点和适用场合，本文主要研究了 Standard k 、RNG k 、Realizable k 和 RSM 等四种紊流模型对进出水口数值模拟的影响。2. 各种模型的 k 方程和 方程Standard k 模型假定 Reynolds 应力的各个分量粘度系数 是相同的，即假定 是各btt相同性的标量，其 k 和 的输运方程为3：- 6 -( k ) + ( kui ) = k ( + t )+ G + G Y + Stxx x kbMki j k j （1）( )(u ) 2+tx= x ( + ) x + C1 k (Gk + C3 G ) C2 k+ Si ti j j（2）R
4、NG k 模型通过大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响，而使这些小尺度运动有系统地从控制方程中去除，其 k 和 的输运方程为：x ( k ) + ( kui ) = k + G+ txix jk eff kj （3）( )(u ) C* 2+ i = + 1 G C txxk eff xkk2ki j j （4）Realizable k 模型认为湍流粘度计算式中的系数C不应是常数，而应该与应变率联系起来，其 k 和 的输运方程为：( k ) + ( kui ) = k ( +t )+ G ktxix j k x j （5）( )( u ) 2+=txx( +) + C1E C2xkvi
5、t i j j +（6）RSM 模型对 Reynolds 方程中的湍流脉动应力直接建立微分方程式并进行求解，其 k 和的输运方程为：( k ) + ( kui ) = k 1( + t ) + ( P + G ) txx x 2iiiiijkj （7）( )( u ) 1 2+tx= x ( + ) + C1 ( Pii + C3 Gii ) C2 x2 kit（8）ijj3. 进出水口数值计算及结果分析3.1 模拟范围及边界条件设置本次计算采用商用流体力学计算软件 FLUENT，对国内某抽水蓄能电站上进（出）水 口在上库水位 120.00m 时进流工况进行了模拟，相应引用流量为 120.20
6、 m3 / s 。网格划分详 见图 1。图 1.网格划分图图 2. 模拟范围及边界条件设置边界条件设置如下：以上游事故检修闸门井上游渐变段始端圆管断面为速度出口边界， 流速按管中平均速度给出；所模拟上库部分库区水体的左、右及后侧在进流工况时均设为压 力进口，出流工况时则设为压力出口，压力按静水压强给出；自由水面采用刚盖假定；固壁 边界采用无滑移条件,壁面采用光滑壁面函数；速度出口和压力进口边界上的湍流参数按式3.1 和 3.2 给出。边界条件设置见图 2U res = 1 ln( y* E)UDHI = u / u = 0.16 (Re)1/ 8（9）(10)采用有限体积法对控制方程进行离散，
7、用 SIMPLE 算法实现压力-速度耦合求解，计算 过程中收敛条件为所有计算变量的残差小于 10-3。3.2 进出水口流速分布数值模拟流速分布按照逆发电水流方向，由左向右四通道依次命名为第一、第二、第三、第四通 道，各通道中央沿水深方向自下往上均分为 7 个测点。试验数据及模拟结果如图 3、表 1。图 3.不同紊流模型的流速计算结果与物理模型实验结果的比较表 1. 不同紊流模型对应的计算误差紊流模型通道一通道二通道三通道四Standard k RNG k (%)21.175.26 7.8621.87 (%)25.915.7410.9527.12Realizable k %)31.258.717
8、.8422.3RSM (%)24.263.19.5124.17从四种模型计算结果与实验的对比可以看出：单就流速分布趋势而言，RSM 的计算结果是四种模型中最好的，四个通道分布趋势均与实验定性一致，其中又以二通道最为吻合；Standard k 和 Realizable k 模型计算的各通道分布趋势基本相同，与实验也比较接近；RNG k 模型计算结果稍差，四通道与实验略有出入。从精度方面看：Standard k 、Realizable k 和 RSM 等三种模型的计算值在各通道测点 4 以下各点相差不大，只是在一、二、三通道顶部差别略大一些。比较而言，RNG k 模型计算精度要差一些，通道一中下部
9、、通道三顶部和通道四中部各点与实验的差距是四种模型中最大的。总体上，四种模型流速计算值差别不是很大，比较表 1 中相应数据即可看出。3.3 进出水口水头损失系数计算水头损失总压量测断面 1 位于拦污栅槽前平直流道上，断面 2 位于方变圆渐变段末端与 上游事故检修闸门井上游渐变段始端中间。从计算结果与模型实验结果的比较可以看出：运用四种紊流模型的计算结果都略小于模 型试验结果，这是由于数值计算本身对一些项的省略以及模型试验的比尺效应两方面原因造成的；比较而言，Standard k 、RNG k 模型与模型实验最接近，Realizable k 模型误差稍大，但是都很接近，即计算模型对水头损失的影响
10、不大。表 2 不同紊流模型计算的进水口水头损失系数紊流模型计算值实验值误差standard k RNG k realizable k 0.172-0.0120.172-0.0120.1840.170-0.014RSM0.171-0.0134. 结论Standard k 、RNG k 、Realizable k 、RSM 等四种紊流模型对抽水蓄能电站双向进出水口水力特性计算结果影响不大，表明它们均适合于进出水口数值计算。Standardk 等两方程模型计算结果并不比理论上更加完备的雷诺应力模型差，一般使用计算量相 对较小的 k 两方程模型即可满足进水口数值模拟的需要。参考文献1 高学平 , 张校
11、先 , 李昌良等, 西龙池抽水蓄能电站竖井式进出水口水力学试验研究 , 水力发电学 报,2002,(1):52-602 P.Moin, Progress in large eddy simulation of turbulence flows, AIAA paper, 97-15761,1997 3 王福军,计算流体动力学分析,北京:清华大学出版社,2004,9The Effect of Turbulence Model on Numerical Study ofIntake with Two-Direction FlowLei Xingchun, Mei Feipeng, Ding Huak
12、aiHohai Univ, Jiangsu Nanjing (210098 )AbstractThe hydraulic characteristics of pumped storage power plant lateral intake such as velocity distribution and the head loss has been studied by four different turbulence models, Obtained the hydrauliccharacteristics such as velocity distribution and the head loss, the results has been compared with the model test results, get the impact of turbulence model to the hydraulic characteristics, the results showed that four turbulence model suitable for access points are calculated.Key words: turbulence model; numerical study; hydraulic characteristic
