热力叶轮机械内部的全三维复杂流动数值模拟研究点滴

　　1 引 言

　　现代的热力叶轮机械要求能在非常复杂的设计或非设计工况的三维流动下运行。以往的设计系统的局限性主要在于对复杂流动过程的描述过于简单。这是由于叶轮机械内部流场的测试技术相当复杂,同时所需的投资大周期长、实验研究工作做得不充分的缘故,因此对于这类复杂流动的物理现象了解得还不够。这就造成了以往高性能的产品总体设计完成之后,需要对其反复调试修改才能研制出来。随着计算机技术、计算数学和信息产业的飞速发展,计算流体力学(CFD)首先在美国形成了一个独立的学科。迄今为止,数值计算已经能够相当准确地模拟真实流场。在研究领域,利用CFD来研究复杂流动现象,探明新的流动机理,尤其在工业界用于重大技术方案论证及优化比较、新产品设计研制和开发、老设备技术改造等方面,大大减少了人力、物力和财力的浪费,起着越来越重要的作用。

　　在叶轮机械CFD研究领域中,国际上Moore[1]、Dawes[2]、Denton[3]、Hah[4]、Rai[5]、Giles[6]、Delaney[7]、Adamczyk[8]和Arnone[9]等人已给出了令人鼓舞的研究成果,对大部分的数值模拟与实验结果作了对比。国内在这方面的研究很早就已开始,并积累了丰富的经验,达到或接近了国际先进水平。笔者多年来从事热力叶轮机械CFD研究,提出了一套有自己特色的高收敛率、高精度、高分辨率三维非定常粘性流动数值计算方法。该方法在热力叶轮机械复杂流动、多组分掺混、新能源利用及其他工业领域中的大量应用,已充分证明其先进性、有效性和高精度,得到国内外同行的高度评价与采纳。该方法包括:

　　1).首次提出了新型LU隐式格式。新格式是在当前国际上计算效率最高的LU-SGS隐式格式基础上发展起来的。除保留原格式的全部特色外,巧妙地利用了特殊的对角化和高斯消去等技术,确保了新格式的特征相容性,没有引入分解误差、多余数值耗项和自由参数,与原格式相比,可节省近一半的CPU时间。尤其是新格式中/精确分解的隐式格式完全矢量化编程算法0是国内外现有的隐式算法均无法做到的。

　　2).发展了改良型四(五)阶MUSCLTVD格式。主要克服流场中间存在奇异点时,由于附加的更高阶项作用而可能出现的数值振荡。尤其是该格式能/精确捕捉流场中的弱间断面和滑移面0的特色是国内外现有TVD类激波捕捉格式很难做到的,且具有更好的稳定性、更高的精度和分辨率。

　　3).改进了能有效模拟复杂流动、模型相对简单为工程实际所能接受的q-X和k-X双方程湍流模型,用以分析可压缩湍流。采用Crank-Nicholson方法和Newton迭代处理非定常流。

　　本文仅将笔者在清华大学和日本东北大学工作期间在热力叶轮机械CFD研究方面的部分工作作一个简要的回顾。