《水轮机非定常流动及多相流特性研究》聚焦当前**“双碳”背景下清洁可再生能源的持续**利用，围绕当前水轮机研究领域中前沿热点课题开展研究，系统地介绍了水轮机非定常瞬态水动力学及空化、泥沙磨损多相流特性的数值模拟方法和*新研究成果，对水电站性能预估及优化设计具有重要参考价值。

目录 前言 第1章 绪论1 1.1 引言1 1.2 水力机械流体力学概述3 1.2.1 工程现代流体力学概述3 1.2.2 水力机械现代流体力学概述5 1.2.3 水力机械流固耦合动力学概述8 1.3 现代水轮机领域主要研究课题11 1.3.1 水轮机的非定常、瞬态流动研究12 1.3.2 水轮机的空化、泥沙磨损与多相流研究13 1.3.3 水轮机的振动、过渡过程和稳定性研究14 第2章 混流式水轮机全流道定常及非定常湍流模拟16 2.1 定常及非定常流动微分控制方程的有限体积法离散16 2.2 水轮机物理模型的建立及网格划分18 2.3 计算边界条件21 2.4 湍流计算模型22 2.4.1 标准k-ε模型22 2.4.2 RNGk-ε模型23 2.5 水轮机性能预估24 2.5.1 能量性能预估模型24 2.5.2 空化性能预估模型25 2.5.3 原型混流式水轮机性能预估结果26 2.6 原型混流式水轮机三维定常湍流计算结果及分析27 2.6.1 蜗壳流场计算结果及分析27 2.6.2 导水机构流场计算结果及分析30 2.6.3 转轮流场计算结果及分析32 2.6.4 尾水管流场计算结果及分析40 2.7 原型混流式水轮机三维非定常湍流计算结果及分析45 2.7.1 引水部件流场随时间的变化45 2.7.2 转轮流道内流场随时间的变化46 2.7.3 尾水管内非定常涡带形态49 2.8 本章小结49 第3章 基于大涡和分离涡模拟的水轮机瞬态湍流模拟51 3.1 **湍流模拟技术概述51 3.1.1 湍流理论发展概况51 3.1.2 湍流的数值模拟52 3.3 水力机械非定常流动模拟方法60 3.3.1 水力机械叶轮中流体运动方程61 3.3.2 动静干扰的滑移网格技术62 3.4 不可压缩非定常流动控制方程的分离求解63 3.4.1 非定常流动的SIMPLEC算法63 3.4.2 PISO算法64 3.5 基于大涡模拟的水轮机内瞬态湍流场特性分析66 3.5.1 计算模型及数值实现66 3.5.2 计算结果及分析67 3.6 基于分离涡模拟的水轮机内非定常流精细模拟73 3.6.1 计算模型及数值实现73 3.6.2 计算结果及分析73 3.7 本章小结78 第4章 基于混合模型的水轮机空化和泥沙磨损湍流场数值模拟80 4.1 水力机械中的多相湍流问题80 4.1.1 水力机械中的空化流动及空蚀81 4.1.2 水力机械中泥沙磨损的固液两相湍流83 4.2 常用的多相流计算模型概述85 4.2.1 多相流模拟方法85 4.2.2 VOF模型86 4.2.3 混合模型86 4.2.4 欧拉模型87 4.3 基于混合均匀多相流模型的水轮机空化湍流场数值模拟87 4.3.1 数值模拟方法87 4.3.2 计算结果及分析89 4.4 基于代数滑移混合模型的水轮机泥沙磨损湍流场数值模拟93 4.4.1 数值模拟方法93 4.4.2 计算结果及分析95 4.5 本章小结99 第5章 基于动网格与重叠网格的槽道内活动导叶绕流数值模拟101 5.1 有运动边界的非定常流动研究现状101 5.2 水力机组水力过渡过程概述103 5.2.1 水力过渡过程的概念104 5.2.2 导叶的合理控制104 5.3 动网格与重叠网格技术106 5.3.1 动网格模型简介106 5.3.2 动网格模型控制方程106 5.3.3 动网格模型更新方法107 5.3.4 重叠网格技术简介109 5.4 基于动网格的槽道内导叶不同关闭规律的数值模拟110 5.4.1 计算对象和网格设计110 5.4.2 边界条件111 5.4.3 结果及分析111 5.5 基于动网格的槽道内导叶绕流水动力特性大涡模拟131 5.5.1 计算对象和网格设计131 5.5.2 边界条件132 5.5.3 结果及分析132 5.6 基于重叠网格的槽道内导叶尾流水动力特性数值模拟137 5.6.1 计算对象和网格设计137 5.6.2 边界条件139 5.6.3 结果及分析139 5.7 本��小结144 第6章 基于浸入边界法的水轮机导叶动态绕流的大涡模拟146 6.1 浸入边界法概述146 6.1.1 浸入边界法的基本概念146 6.1.2 不可压缩流体浸入边界法和大涡模拟的结合149 6.2 湍流拟序结构研究概述151 6.2.1 湍流拟序结构概况151 6.2.2 流场中拟序结构的识别方法153 6.3 全隐式耦合算法155 6.4 浸入边界法在水轮机导叶动态绕流模拟中的应用155 6.4.1 槽道内活动导叶动态绕流的IBM-LES模拟156 6.4.2 槽道内双列线性动静叶栅动态绕流的IBM-LES模拟171 6.4.3 导水机构双环列非线性叶栅动态绕流的IBM-LES模拟177 6.5 本章小结182 第7章 基于离散相颗粒流的水轮机内泥沙磨损研究184 7.1 引言184 7.2 基于离散相模型水轮机内泥沙磨损研究186 7.2.1 计算对象186 7.2.2 边界条件与计算方法187 7.2.3 结果及分析189 7.3 混流式水轮机冲蚀-动网格耦合泥沙磨损演化特性研究195 7.3.1 计算模型195 7.3.2 颗粒冲蚀-动网格耦合模型196 7.3.3 数值模拟方法验证197 7.3.4 计算结果及讨论199 7.4 本章小结208 第8章 基于DEM-CFD的水轮机内泥沙磨损研究209 8.1 引言209 8.2 离散单元法与多物理场颗粒动力学仿真软件Rocky210 8.2.1 接触力模型212 8.2.2 滚动阻力模型214 8.3 水轮机泥沙颗粒流体系统DEM-CFD建模及仿真215 8.3.1 水轮机流体CFD计算215 8.3.2 水轮机泥沙颗粒离散元DEM计算215 8.3.3 水轮机DEM-CFD耦合计算217 8.4 结果及分析217 8.4.1 水轮机内泥沙颗粒运动特性分析217 8.4.2 水轮机导水机构泥沙磨损分析220 8.4.3 水轮机转轮泥沙磨损分析223 8.4.4 水轮机尾水管泥沙磨损分析227 8.5 本章小结228 参考文献229 附录 槽道内双列线性动静叶栅绕流的IBM-LES模拟243 彩图