Применение PANS модели турбулентности для расчета течения в модельной радиально-осевой гидротурбине Francis‑99

Abstract

Закрученные течения широко распространены в различных областях техники. При высокой степени закрутки течение осложняется распадом вихря и формированием крупномасштабных нестационарных структур. В гидроэнергетике проявлением неустойчивости закрученного потока служит прецессирующий вихревой жгут в отсасывающей трубе. Эти нестационарные структуры обладают значительной турбулентной кинетической энергией и характеризуются достаточно большим временем существования, что вызывает серьёзные затруднения при численном моделировании течений в тракте гидротурбин. Цель работы – построение гибридной PANS модели турбулентности на основе модели второго порядка замыкания. С помощью этой модели с разными значениями параметра разрешения выполнены численные расчёты нестационарного течения в отсасывающей трубе в режиме частичной нагрузки. Предложенный вариант PANS модели турбулентности позволяет хорошо воспроизводить характеристики сильно анизотропных течений, при этом менее требователен к сеточному разрешению, чем метод моделирования крупных вихрей, и в рассмотренной реализации не содержит явной зависимости от шага пространственной сетки

Swirling flows are widespread in various fields of technology. At a high degree of swirling, the flow is complicated by the collapse of the vortex and the formation of large-scale unsteady structures. In hydropower engineering, the swirling flow instability is manifested by a precessing’s vortex bundle in the suction pipe. These non-stationary structures have a significant turbulent kinetic energy and are characterized by a sufficiently long lifetime, which causes serious difficulties in the numerical simulation of flows in the duct of hydraulic turbines. The aim of this work is to construct a hybrid PANS turbulence model based on a second-order closure model. Using this model with different values of the resolution parameter, numerical calculations of the unsteady flow in the draft pipe in the partial load mode were performed. The proposed version of the PANS turbulence model makes it possible to reproduce well the characteristics of highly anisotropic flows, while being less demanding on the grid resolution than the large eddy simulation method, and in the considered implementation does not contain an explicit dependence on the spatial grid spacing