葉輪機(jī)械中若干非定常流動(dòng)特征的初步研究

葉輪機(jī)械中若干非定常流動(dòng)特征的初步研究一、本文概述隨著科技的不斷進(jìn)步和工業(yè)的快速發(fā)展，葉輪機(jī)械在各種工程領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，如航空航天、能源動(dòng)力、石油化工等。這些機(jī)械在運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常面臨非定常流動(dòng)的挑戰(zhàn)，這些流動(dòng)特征不僅影響機(jī)械的性能和穩(wěn)定性，還可能引發(fā)振動(dòng)、噪聲和疲勞失效等問(wèn)題。對(duì)葉輪機(jī)械中非定常流動(dòng)特征的研究具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。本文旨在對(duì)葉輪機(jī)械中若干非定常流動(dòng)特征進(jìn)行初步研究。文章將簡(jiǎn)要介紹葉輪機(jī)械的基本工作原理和分類，為后續(xù)研究提供背景知識(shí)。重點(diǎn)分析非定常流動(dòng)的產(chǎn)生原因、表現(xiàn)形式及其對(duì)葉輪機(jī)械性能的影響。在此基礎(chǔ)上，文章將綜述國(guó)內(nèi)外在非定常流動(dòng)研究方面的主要成果和進(jìn)展，為后續(xù)研究提供參考和借鑒。文章將提出自己的研究方法和思路，以期在葉輪機(jī)械非定常流動(dòng)特征的研究方面取得新的突破和進(jìn)展。二、葉輪機(jī)械概述葉輪機(jī)械是一類廣泛應(yīng)用于能源、航空、化工等領(lǐng)域的重要設(shè)備，其核心部件——葉輪，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)流體能量的轉(zhuǎn)換。葉輪機(jī)械種類繁多，包括但不限于離心泵、軸流泵、透平、壓縮機(jī)等。這些設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，流體在葉輪葉片的導(dǎo)引下，產(chǎn)生離心力或升力，從而實(shí)現(xiàn)流體壓力、溫度、流速等參數(shù)的改變。在葉輪機(jī)械的運(yùn)行過(guò)程中，流體流動(dòng)往往呈現(xiàn)出非定常特性。非定常流動(dòng)指的是流體流動(dòng)狀態(tài)隨時(shí)間發(fā)生變化的流動(dòng)，這種變化可能源自外部激勵(lì)（如周期性變化的驅(qū)動(dòng)力），也可能源自內(nèi)部流動(dòng)的不穩(wěn)定性（如渦流、激波等現(xiàn)象）。非定常流動(dòng)的存在對(duì)葉輪機(jī)械的性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，對(duì)葉輪機(jī)械中非定常流動(dòng)特征的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。非定常流動(dòng)的研究涉及流體動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、控制理論等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。在研究過(guò)程中，需要運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量等多種手段，全面深入地了解非定常流動(dòng)的特性和機(jī)理。通過(guò)這些研究，可以優(yōu)化葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)，提高設(shè)備的運(yùn)行效率，減少能量損失，提升設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，從而推動(dòng)葉輪機(jī)械在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。三、非定常流動(dòng)的基本概念與特點(diǎn)非定常流動(dòng)，指的是流體在流動(dòng)過(guò)程中，其速度、壓力、密度等物理量隨時(shí)間發(fā)生變化的流動(dòng)狀態(tài)。在葉輪機(jī)械中，非定常流動(dòng)現(xiàn)象廣泛存在，如旋轉(zhuǎn)葉片產(chǎn)生的周期性尾跡、進(jìn)口導(dǎo)葉與葉片間的相互作用等。這些非定常流動(dòng)特征對(duì)葉輪機(jī)械的性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。周期性變化：由于葉輪機(jī)械的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，許多非定常流動(dòng)現(xiàn)象具有周期性變化的特征。例如，葉片尾跡的周期性脫落，導(dǎo)致下游流場(chǎng)的不穩(wěn)定。流動(dòng)不穩(wěn)定性：非定常流動(dòng)往往伴隨著流動(dòng)不穩(wěn)定性的增加。這種不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致流體產(chǎn)生渦旋、激波等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對(duì)葉輪機(jī)械的性能和壽命造成不利影響。流場(chǎng)相互作用：非定常流動(dòng)中的各流場(chǎng)之間會(huì)發(fā)生相互作用。例如，上游流場(chǎng)的變化可能對(duì)下游流場(chǎng)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致流場(chǎng)的復(fù)雜化和不穩(wěn)定化。動(dòng)態(tài)載荷：非定常流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致葉輪機(jī)械葉片承受動(dòng)態(tài)載荷。這種動(dòng)態(tài)載荷可能引發(fā)葉片的振動(dòng)和疲勞損傷，影響葉輪機(jī)械的安全性和可靠性。對(duì)葉輪機(jī)械中非定常流動(dòng)特征的研究具有重要意義。通過(guò)深入了解非定常流動(dòng)的基本概念和特點(diǎn)，可以為葉輪機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能提升提供有力支持。四、非定常流動(dòng)在葉輪機(jī)械中的影響非定常流動(dòng)在葉輪機(jī)械中的影響是多方面的，涉及性能優(yōu)化、穩(wěn)定性增強(qiáng)以及設(shè)備壽命的延長(zhǎng)等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。非定常流動(dòng)對(duì)葉輪機(jī)械的性能具有顯著影響。由于流場(chǎng)的不穩(wěn)定，葉輪的受力情況會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響到機(jī)械的輸出功率和效率。例如，在某些非定常流動(dòng)情況下，葉輪可能會(huì)受到額外的沖擊載荷，導(dǎo)致功率輸出不穩(wěn)定，甚至引發(fā)振動(dòng)和噪聲。深入理解非定常流動(dòng)的特征，對(duì)于優(yōu)化葉輪機(jī)械的性能至關(guān)重要。非定常流動(dòng)對(duì)葉輪機(jī)械的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。由于流場(chǎng)的不穩(wěn)定，葉輪可能會(huì)受到周期性的擾動(dòng)，這些擾動(dòng)可能激發(fā)機(jī)械內(nèi)部的共振，導(dǎo)致機(jī)械失穩(wěn)。研究非定常流動(dòng)的特征，有助于預(yù)測(cè)和避免這類穩(wěn)定性問(wèn)題，提高葉輪機(jī)械的運(yùn)行穩(wěn)定性。非定常流動(dòng)還會(huì)對(duì)葉輪機(jī)械的壽命產(chǎn)生影響。非定常流動(dòng)可能導(dǎo)致葉輪受到交變應(yīng)力，從而引發(fā)疲勞破壞。非定常流動(dòng)還可能加劇機(jī)械內(nèi)部的磨損和腐蝕，進(jìn)一步縮短機(jī)械的使用壽命。研究和控制非定常流動(dòng)，對(duì)于延長(zhǎng)葉輪機(jī)械的使用壽命具有重要意義。非定常流動(dòng)在葉輪機(jī)械中具有重要的影響，涉及到性能優(yōu)化、穩(wěn)定性增強(qiáng)以及設(shè)備壽命的延長(zhǎng)等多個(gè)方面。對(duì)于葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，必須充分考慮非定常流動(dòng)的影響，以實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)化和穩(wěn)定性的最大化。五、非定常流動(dòng)特征的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究在非定常流動(dòng)的研究中，實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬是相輔相成的重要手段。通過(guò)精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，我們可以獲得實(shí)際的流動(dòng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，并為模型修正提供實(shí)際依據(jù)。而數(shù)值模擬則可以提供全面的流場(chǎng)信息，幫助我們深入理解非定常流動(dòng)的特性和機(jī)理。實(shí)驗(yàn)方面，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套先進(jìn)的非定常流動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，包括高速攝像技術(shù)、粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)以及壓力傳感器等。這些設(shè)備可以精確地捕捉到葉輪機(jī)械內(nèi)部非定常流動(dòng)的瞬態(tài)信息，如速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)以及渦旋結(jié)構(gòu)等。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們針對(duì)不同的工況和參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)地研究了非定常流動(dòng)的演化過(guò)程及其對(duì)葉輪機(jī)械性能的影響。數(shù)值模擬方面，我們采用了先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，對(duì)葉輪機(jī)械內(nèi)的非定常流動(dòng)進(jìn)行了三維、非穩(wěn)態(tài)的模擬。為了更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際流動(dòng)，我們對(duì)湍流模型進(jìn)行了改進(jìn)，并考慮了流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和粘性效應(yīng)。通過(guò)數(shù)值模擬，我們得到了詳細(xì)的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，包括速度、壓力、渦量等，并對(duì)非定常流動(dòng)的產(chǎn)生、發(fā)展和消散過(guò)程進(jìn)行了深入的分析。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)兩者在整體趨勢(shì)上是一致的，但在局部細(xì)節(jié)上存在一定差異。這可能是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的測(cè)量誤差、模型簡(jiǎn)化以及邊界條件處理等因素所致。針對(duì)這些差異，我們對(duì)數(shù)值模擬模型進(jìn)行了修正，并進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證。通過(guò)本章節(jié)的研究，我們初步掌握了葉輪機(jī)械中非定常流動(dòng)的特征和演化規(guī)律，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能提升提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。同時(shí)，我們也意識(shí)到在非定常流動(dòng)的研究中，實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的緊密結(jié)合是不可或缺的，兩者相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)，共同推動(dòng)葉輪機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展。六、非定常流動(dòng)控制策略與優(yōu)化方法非定常流動(dòng)在葉輪機(jī)械中帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)，包括效率降低、穩(wěn)定性減弱和機(jī)械損傷增加等。為了應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題，研究者們已經(jīng)提出并實(shí)踐了多種非定常流動(dòng)控制策略與優(yōu)化方法。流動(dòng)控制策略：一種常見(jiàn)的流動(dòng)控制策略是通過(guò)主動(dòng)或被動(dòng)的方式改變流場(chǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。被動(dòng)控制方法通常涉及到對(duì)流道形狀的優(yōu)化，例如引入渦流發(fā)生器、葉片形狀修改或增加附面層抽吸等。這些修改旨在改善流動(dòng)分離、增強(qiáng)混合或引導(dǎo)流動(dòng)路徑。主動(dòng)控制方法則包括使用射流、吹吸、振動(dòng)壁面或電磁場(chǎng)等手段，以實(shí)時(shí)響應(yīng)流場(chǎng)變化，從而控制流動(dòng)狀態(tài)。優(yōu)化方法：優(yōu)化方法主要涉及到對(duì)葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)和操作參數(shù)的調(diào)整，以達(dá)到改善非定常流動(dòng)特性的目的。傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，如梯度下降法和遺傳算法，已被廣泛應(yīng)用于尋找最優(yōu)的葉片形狀、進(jìn)口和出口幾何參數(shù)以及操作條件。隨著計(jì)算能力的增強(qiáng)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)的進(jìn)步，基于CFD的優(yōu)化方法已成為主流。這些方法能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)流動(dòng)行為，并在設(shè)計(jì)早期階段識(shí)別出潛在的流動(dòng)問(wèn)題。實(shí)時(shí)控制與優(yōu)化：為了進(jìn)一步提高葉輪機(jī)械的性能和穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)控制與優(yōu)化技術(shù)正在受到越來(lái)越多的關(guān)注。通過(guò)集成傳感器、控制器和執(zhí)行器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流場(chǎng)參數(shù)，并根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)整控制策略。這種閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠更好地應(yīng)對(duì)流場(chǎng)中的非定常變化和不確定性。未來(lái)展望：雖然非定常流動(dòng)控制策略與優(yōu)化方法已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，但仍有許多挑戰(zhàn)需要解決。未來(lái)的研究應(yīng)關(guān)注如何將這些方法整合到實(shí)際的葉輪機(jī)械中，并在保持高效率和穩(wěn)定性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)低成本和易于維護(hù)。隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的快速發(fā)展，這些新興方法有望為非定常流動(dòng)控制提供新的思路和解決方案。七、非定常流動(dòng)在葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用非定常流動(dòng)的研究在葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。了解和掌握非定常流動(dòng)的特征，可以為優(yōu)化葉輪機(jī)械的性能、提高效率和穩(wěn)定性提供重要的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。非定常流動(dòng)的研究對(duì)于改善葉輪機(jī)械的啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程具有重要意義。在啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中，由于流體的非定常特性，葉輪機(jī)械可能會(huì)受到較大的沖擊和振動(dòng)。通過(guò)對(duì)非定常流動(dòng)的研究，可以優(yōu)化啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中的流體控制策略，減少?zèng)_擊和振動(dòng)，從而提高葉輪機(jī)械的使用壽命和穩(wěn)定性。非定常流動(dòng)的研究有助于優(yōu)化葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)參數(shù)。在葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮到流體的非定常特性對(duì)葉輪機(jī)械性能的影響。通過(guò)對(duì)非定常流動(dòng)的研究，可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和評(píng)估不同設(shè)計(jì)參數(shù)下葉輪機(jī)械的性能表現(xiàn)，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，提高葉輪機(jī)械的性能和效率。非定常流動(dòng)的研究還可以為葉輪機(jī)械的故障診斷和預(yù)警提供重要依據(jù)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，葉輪機(jī)械可能會(huì)因?yàn)楦鞣N原因出現(xiàn)故障。通過(guò)對(duì)非定常流動(dòng)的研究，可以更加準(zhǔn)確地識(shí)別和診斷故障的原因和位置，從而為及時(shí)的維修和更換提供重要依據(jù)，避免故障對(duì)生產(chǎn)造成不必要的影響。非定常流動(dòng)的研究在葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)深入研究和掌握非定常流動(dòng)的特征和規(guī)律，可以為優(yōu)化葉輪機(jī)械的性能、提高效率和穩(wěn)定性、延長(zhǎng)使用壽命、提高故障診斷和預(yù)警能力等方面提供重要的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。在未來(lái)的葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)中，應(yīng)更加注重非定常流動(dòng)的研究和應(yīng)用。八、結(jié)論與展望本文對(duì)葉輪機(jī)械中的若干非定常流動(dòng)特征進(jìn)行了初步研究，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究等手段，深入探討了非定常流動(dòng)對(duì)葉輪機(jī)械性能的影響及其機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，非定常流動(dòng)在葉輪機(jī)械中廣泛存在，對(duì)葉輪機(jī)械的性能和穩(wěn)定性有著重要影響。通過(guò)對(duì)非定常流動(dòng)特征的分析，我們可以更好地理解葉輪機(jī)械的工作原理，優(yōu)化其設(shè)計(jì)，提高其性能。本研究取得了一些重要的成果。通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，揭示了非定常流動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素，為非定常流動(dòng)的研究提供了理論基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，并深入探討了非定常流動(dòng)對(duì)葉輪機(jī)械性能的影響。根據(jù)研究結(jié)果，提出了一些有效的優(yōu)化措施，為提高葉輪機(jī)械的性能提供了有益的參考。雖然本文對(duì)葉輪機(jī)械中的非定常流動(dòng)特征進(jìn)行了初步研究，并取得了一些成果，但仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步探討。非定常流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象，其影響因素眾多，需要更加深入的研究。隨著葉輪機(jī)械的不斷發(fā)展，對(duì)其性能的要求也越來(lái)越高，因此需要更加精確地模擬和預(yù)測(cè)非定常流動(dòng)對(duì)葉輪機(jī)械性能的影響。未來(lái)，我們將繼續(xù)深入研究非定常流動(dòng)的機(jī)理和影響因素，探索更加有效的優(yōu)化措施，提高葉輪機(jī)械的性能和穩(wěn)定性。同時(shí)，我們也將關(guān)注新技術(shù)、新材料和新工藝的發(fā)展，為葉輪機(jī)械的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供更多的可能性。相信在不久的將來(lái)，葉輪機(jī)械的性能和可靠性將得到進(jìn)一步提升，為工業(yè)生產(chǎn)和能源利用等領(lǐng)域的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。參考資料：湍流是流體的一種流動(dòng)狀態(tài)。非定常流動(dòng)是流體的流動(dòng)狀態(tài)隨時(shí)間改變的流動(dòng)。三維流動(dòng)的流動(dòng)參數(shù)表示為三個(gè)空間坐標(biāo)的函數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展及其應(yīng)用，及湍流理論和湍流模型的進(jìn)展，應(yīng)研究水輪機(jī)全流道三維非定常湍流的數(shù)值模擬的理論和方法，分析模型和真機(jī)的流道湍流特性，計(jì)算全流道非定常湍流的瞬時(shí)流場(chǎng)、葉片邊界層分離以及葉道渦、葉片脫流渦、葉片后卡門(mén)渦等的形成和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，間隙湍流對(duì)主流的干擾和影響等，獲取水輪機(jī)全流道中的流場(chǎng)、壓力脈動(dòng)分布以及流動(dòng)變化對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的水動(dòng)作用力。湍流是流體的一種流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)流速很小時(shí)，流體分層流動(dòng)，互不混合，稱為層流，也稱為穩(wěn)流或片流；逐漸增加流速，流體的流線開(kāi)始出現(xiàn)波浪狀的擺動(dòng)，擺動(dòng)的頻率及振幅隨流速的增加而增加，此種流況稱為過(guò)渡流；當(dāng)流速增加到很大時(shí)，流線不再清楚可辨，流場(chǎng)中有許多小漩渦，層流被破壞，相鄰流層間不但有滑動(dòng)，還有混合。這時(shí)的流體作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，有垂直于流管軸線方向的分速度產(chǎn)生，這種運(yùn)動(dòng)稱為湍流，又稱為亂流、擾流或紊流。在自然界中，我們常遇到流體作湍流，如江河急流、空氣流動(dòng)、煙囪排煙等都是湍流。湍流是在大雷諾數(shù)下發(fā)生的，雷諾數(shù)較小時(shí)，黏滯力對(duì)流場(chǎng)的影響大于慣性力，流場(chǎng)中流速的擾動(dòng)會(huì)因黏滯力而衰減，流體流動(dòng)穩(wěn)定，為層流；反之，若雷諾數(shù)較大時(shí)，慣性力對(duì)流場(chǎng)的影響大于黏滯力，流體流動(dòng)較不穩(wěn)定，流速的微小變化容易發(fā)展、增強(qiáng)，形成紊亂、不規(guī)則的湍流流場(chǎng)。非定常流動(dòng)是流體的流動(dòng)狀態(tài)隨時(shí)間改變的流動(dòng)。若流動(dòng)狀態(tài)不隨時(shí)間而變化，則為定常流動(dòng)?，F(xiàn)實(shí)生活中，流體的流動(dòng)通常幾乎都是非定常的。1）流場(chǎng)變化速率極慢的流動(dòng)：流場(chǎng)中任意一點(diǎn)的平均速度隨時(shí)間逐漸增加或減小，在這種情況下可以忽略加速度效應(yīng)，這種流動(dòng)又稱為準(zhǔn)定常流動(dòng)。水庫(kù)的排灌過(guò)程就屬于準(zhǔn)定常流動(dòng)?？烧J(rèn)為準(zhǔn)定常流動(dòng)在每一瞬間都服從定常流動(dòng)的方程，時(shí)間效應(yīng)只是以參量形式表現(xiàn)出來(lái)。2）流場(chǎng)變化速率很快的流動(dòng)：在這種情況下須考慮加速度效應(yīng)。活塞式水泵或真空泵所造成的流動(dòng)，飛行器和船舶操縱問(wèn)題中所考慮的流動(dòng)都屬這一類。這類流動(dòng)和定常流動(dòng)有本質(zhì)上的差別。3）流場(chǎng)變化速率極快的流動(dòng)：在這種情況下流體的彈性力顯得十分重要，例如瞬間關(guān)閉水管的閥門(mén)。閥門(mén)突然關(guān)閉時(shí)，整個(gè)流場(chǎng)中流體不可能立即完全靜止下來(lái)，速度和壓強(qiáng)的變化以壓力波（或激波）的形式從閥門(mén)向上游傳播，產(chǎn)生很大的振動(dòng)和聲響，即所謂水擊現(xiàn)象。這種現(xiàn)象不僅發(fā)生在水流中，也發(fā)生在其他任何流體中。在空氣中的核爆炸也會(huì)發(fā)生類似現(xiàn)象。除上述三類流動(dòng)外，某些狀態(tài)反復(fù)出現(xiàn)的流動(dòng)也被認(rèn)為是一種非定常流動(dòng)。典型的例子是流場(chǎng)各點(diǎn)的平均速度和壓強(qiáng)隨時(shí)間作周期性波動(dòng)的流動(dòng)，即所謂脈動(dòng)流，這種流動(dòng)存在于汽輪機(jī)、活塞泵和壓氣機(jī)的進(jìn)出口管道中。直升飛機(jī)旋葉的轉(zhuǎn)動(dòng)，飛機(jī)和導(dǎo)彈在飛行時(shí)的顫振，高大建筑物、橋墩以及水下電纜繞流中的卡門(mén)渦街等也都會(huì)形成這種非定常流動(dòng)。流體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題中所涉及的流動(dòng)也屬于這種非定常流動(dòng)。但是一般并不把湍流的脈動(dòng)歸入這種流動(dòng)。兩者之間的差別在于：湍流脈動(dòng)參量偏離其平均值要比非定常流動(dòng)小得多，變化的時(shí)間尺度也短得多。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算日趨完善，國(guó)外最新的計(jì)算模型已綜合考慮了兩相流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)、燃燒、粒子沉積、湍流脈動(dòng)等的影響，國(guó)內(nèi)的劉宇等人在這方面也有高深的造詣。以往在此類計(jì)算中由于受計(jì)算條件的限制，存在著計(jì)算網(wǎng)點(diǎn)數(shù)過(guò)少、計(jì)算精度偏低、收斂速度較慢、只能用于簡(jiǎn)單幾何形狀等缺陷。向紅軍在SIMPLE方法的基礎(chǔ)上，以雙方程封閉湍流模型，求解了三維非定常不可壓流N-S方程，所選算例沿燃燒室軸向采取了較密網(wǎng)格，前后段分別帶翼的裝藥幾何模型更接近于工程實(shí)際，進(jìn)行了5個(gè)時(shí)間步的非定常計(jì)算，采取獨(dú)特的初場(chǎng)給定方法，大大加速了收斂速度，計(jì)算精度也有了大幅度的提高，已具備了適宜于工程粗略計(jì)算的能力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展及其應(yīng)用，及湍流理論和湍流模型的進(jìn)展，應(yīng)研究水輪機(jī)全流道三維非定常湍流的數(shù)值模擬的理論和方法，分析模型和真機(jī)的流道湍流特性，計(jì)算全流道非定常湍流的瞬時(shí)流場(chǎng)、葉片邊界層分離以及葉道渦、葉片脫流渦、葉片后卡門(mén)渦等的形成和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，間隙湍流對(duì)主流的干擾和影響等，獲取水輪機(jī)全流道中的流場(chǎng)、壓力脈動(dòng)分布以及流動(dòng)變化對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的水動(dòng)作用力。開(kāi)展水輪機(jī)內(nèi)部非定常流動(dòng)機(jī)理的研究，將有助于對(duì)水輪機(jī)內(nèi)部復(fù)雜非定常流動(dòng)特性的理解和旋渦運(yùn)動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)，并使設(shè)計(jì)者有意識(shí)地對(duì)水輪機(jī)內(nèi)部非定常流動(dòng)加以控制，充分利用非定常流動(dòng)中所帶來(lái)的益處，抑制非定常流動(dòng)中可能引起的不利因素，對(duì)提高水輪機(jī)的整體性能和工作可靠性具有重要意義。水輪機(jī)非定常流場(chǎng)中，流體振蕩的頻率成份與水輪機(jī)系統(tǒng)密切相關(guān)，如葉片振動(dòng)的固有頻率、動(dòng)靜葉柵相互干擾的擾動(dòng)頻率及進(jìn)出口流動(dòng)參數(shù)的波動(dòng)頻率等都會(huì)產(chǎn)生流道內(nèi)同樣頻率成份的流體振蕩。從流體力學(xué)的觀點(diǎn)看，振蕩流意味著流體在流動(dòng)過(guò)程中，流動(dòng)的各種參數(shù)值隨時(shí)間而脈動(dòng)的物理現(xiàn)象。隨著水輪機(jī)中葉片振動(dòng)故障的不斷增加，人們?cè)絹?lái)越重視葉片所受到的非定常激振力及其對(duì)葉片振動(dòng)影響的研究。但是因?yàn)檫@個(gè)課題具有跨學(xué)科的特點(diǎn)，它涉及到非定常水動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，所以開(kāi)展研究非常困難。而且由于水動(dòng)力學(xué)非定常分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中的載荷壓力場(chǎng)相互不對(duì)應(yīng)，必須將水動(dòng)力學(xué)非定常分析給出的流場(chǎng)壓力轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中的壓力，才能進(jìn)行水力機(jī)械的流固藕合分析。所以主要困難就是如何把流體計(jì)算得出的非定常壓力轉(zhuǎn)換為適合于結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算的壓力，并引入有效的數(shù)值求解方法(如有限元)。由于這個(gè)課題的復(fù)雜性，固體(如葉片)在非定常流場(chǎng)擾動(dòng)條件下的動(dòng)力預(yù)測(cè)技術(shù)一直進(jìn)展緩慢。由非定常振蕩流導(dǎo)致的葉片高周疲勞問(wèn)題乃至結(jié)構(gòu)安全性問(wèn)題己成為進(jìn)一步提高水輪機(jī)各項(xiàng)性能的重大障礙。水輪機(jī)中真實(shí)流動(dòng)的非定常性不僅影響水輪機(jī)的效率、穩(wěn)定性，還能激發(fā)振動(dòng)和噪聲，導(dǎo)致葉片等發(fā)生顫振失穩(wěn)產(chǎn)生過(guò)量附加動(dòng)應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂破壞。隨著水輪機(jī)不斷向高比轉(zhuǎn)速、大容量的方向發(fā)展，對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定性要求越來(lái)越高，非定常流動(dòng)對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性的影響也會(huì)更加凸顯。為了預(yù)測(cè)實(shí)際復(fù)雜流動(dòng)，進(jìn)行水輪機(jī)內(nèi)由空間非均勻性和動(dòng)靜部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的非定常流動(dòng)的數(shù)值模擬已成為現(xiàn)代水輪機(jī)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題和前沿方向。還應(yīng)該研究水輪機(jī)內(nèi)部非定常渦流的形成和運(yùn)動(dòng)規(guī)律;水輪機(jī)內(nèi)部非定常流動(dòng)機(jī)理及其控制;水輪機(jī)瞬態(tài)過(guò)程的內(nèi)部非定常流動(dòng)的測(cè)試及內(nèi)流機(jī)理;水輪機(jī)典型瞬態(tài)過(guò)程的非定常流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算模型和仿真技術(shù);水輪機(jī)瞬態(tài)過(guò)程流固禍合振動(dòng)機(jī)理和數(shù)值預(yù)測(cè)方法等。離心葉輪機(jī)械是廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域的重要設(shè)備，如泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和渦輪機(jī)等。這些設(shè)備的主要工作原理是利用旋轉(zhuǎn)的葉輪來(lái)產(chǎn)生壓力和流量，以滿足各種工藝和生產(chǎn)過(guò)程的需求。離心葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)的復(fù)雜性使得其性能受到諸多因素的影響，如旋轉(zhuǎn)速度、流量、壓力、溫度等。對(duì)離心葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)的研究是提高設(shè)備性能、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及減少故障和維護(hù)成本的關(guān)鍵。近年來(lái)，隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，離心葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)的研究取得了顯著的進(jìn)展。通過(guò)數(shù)值模擬，可以詳細(xì)地研究離心葉輪機(jī)械內(nèi)部的流場(chǎng)分布、壓力變化、湍流狀態(tài)等，從而預(yù)測(cè)設(shè)備的性能并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)研究也得到了廣泛的開(kāi)展，通過(guò)粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）、高速攝影技術(shù)等手段，可以直觀地觀察到離心葉輪機(jī)械內(nèi)部的流動(dòng)情況，為理論分析和數(shù)值模擬提供了有力的驗(yàn)證和支持。除了傳統(tǒng)的CFD和實(shí)驗(yàn)研究方法，隨著人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的快速發(fā)展，這些先進(jìn)的技術(shù)也正在被應(yīng)用于離心葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)的研究。例如，深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法可以被用于建立離心葉輪機(jī)械內(nèi)部的流場(chǎng)模型，并預(yù)測(cè)設(shè)備的性能。這種方法可以大大縮短模型的開(kāi)發(fā)時(shí)間和提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，為離心葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了新的途徑。離心葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)的研究在數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究和人工智能等方面都取得了顯著的進(jìn)展。這些研究成果對(duì)于提高離心葉輪機(jī)械的性能、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及減少故障和維護(hù)成本具有重要的意義。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，離心葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)的研究將會(huì)取得更加深入和全面的進(jìn)展。例如，更高精度的數(shù)值模擬方法、更高效的優(yōu)化算法以及更強(qiáng)大的計(jì)算能力都將會(huì)被應(yīng)用到離心葉輪機(jī)械的研究中。同時(shí)，隨著對(duì)離心葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)機(jī)制理解的深入，更高效、更環(huán)保的設(shè)計(jì)方案也將會(huì)被提出。除了在技術(shù)層面上的進(jìn)步，離心葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)的研究也將促進(jìn)不同領(lǐng)域之間的交叉融合。例如，可以將離心葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)的研究與生物醫(yī)學(xué)工程、微電子制造等領(lǐng)域相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出更具針對(duì)性的離心泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備。通過(guò)對(duì)離心葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)的研究，也可以促進(jìn)對(duì)其他復(fù)雜流體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的理解和研究。在實(shí)際應(yīng)用中，研究成果也將會(huì)直接轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。通過(guò)預(yù)測(cè)設(shè)備的性能并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使得離心葉輪機(jī)械在提高效率、降低能耗的也能夠適應(yīng)更廣泛的工作環(huán)境和工況。這將極大地推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步，并為社會(huì)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，離心葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)的研究進(jìn)展將會(huì)在技術(shù)、理論和應(yīng)用等多個(gè)層面推動(dòng)離心葉輪機(jī)械的發(fā)展，并為工業(yè)和社會(huì)的進(jìn)步做出重要的貢獻(xiàn)。我們有理由相信，隨著科研技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，離心葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)的研究將會(huì)在未來(lái)取得更大的突破和成就。流體的流動(dòng)狀態(tài)隨時(shí)間改變的流動(dòng)。若流動(dòng)狀態(tài)不隨時(shí)間而變化，則為定常流動(dòng)?，F(xiàn)實(shí)生活中，流體的流動(dòng)通常幾乎都是非定常的。1）流場(chǎng)變化速率極慢的流動(dòng)：流場(chǎng)中任意一點(diǎn)的平均速度隨時(shí)間逐漸增加或減小，在這種情況下可以忽略加速度效應(yīng)，這種流動(dòng)又稱為準(zhǔn)定常流動(dòng)。水庫(kù)的排灌過(guò)程就屬于準(zhǔn)定常流動(dòng)?？烧J(rèn)為準(zhǔn)定常流動(dòng)在每一瞬間都服從定常流動(dòng)的方程，時(shí)間效應(yīng)只是以參量形式表現(xiàn)出來(lái)。2）流場(chǎng)變化速率很快的流動(dòng)：在這種情況下須考慮加速度效應(yīng)?；钊剿没蛘婵毡盟斐傻牧鲃?dòng)，飛行器和船舶操縱問(wèn)題中所考慮的流動(dòng)都屬這一類。這類流動(dòng)和定常流動(dòng)有本質(zhì)上的差別。例如，用伯努利方程（見(jiàn)伯努利定理）描述這類流動(dòng)，就須增加一個(gè)與加速度有關(guān)的項(xiàng)，成為：式vs中為理想流體沿流線的速度分布；A和B表示同一流線上的兩個(gè)點(diǎn);p為壓強(qiáng);ρ為密度；g為重力加速度；z為重力方向上的坐標(biāo)；ds為流線上的長(zhǎng)度元。3）流場(chǎng)變化速率極快的流動(dòng)：在這種情況下流體的彈性力顯得十分重要，例如瞬間關(guān)閉水管的閥門(mén)。閥門(mén)突然關(guān)閉時(shí)，整個(gè)流場(chǎng)中流體不可能立即完全靜止下來(lái)，速度和壓強(qiáng)的變化以壓力波（或激波）的形式從閥門(mén)向上游傳播，產(chǎn)生很大的振動(dòng)和聲響，即所謂水擊現(xiàn)象。這種現(xiàn)象不僅發(fā)生在水流中，也發(fā)生在其他任何流體中。在空氣中的核爆炸也會(huì)發(fā)生類似現(xiàn)象。除上述三類流動(dòng)外，某些狀態(tài)反復(fù)出現(xiàn)的流動(dòng)也被認(rèn)為是一種非定常流動(dòng)。典型的例子是流場(chǎng)各點(diǎn)的平均速度和壓強(qiáng)隨時(shí)間作周期性波動(dòng)的流動(dòng)，即所謂脈動(dòng)流，這種流動(dòng)存在于汽輪機(jī)、活塞泵和壓氣機(jī)的進(jìn)出口管道中。直升飛機(jī)旋葉的轉(zhuǎn)動(dòng)，飛機(jī)和導(dǎo)彈在飛行時(shí)的顫振，高大建筑物、橋墩以及水下電纜繞流中的卡門(mén)渦街等也都會(huì)形成這種非定常流動(dòng)。流體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題中所涉及的流動(dòng)也屬于這種非定常流動(dòng)。但是一般并不把湍流的脈動(dòng)歸入這種流動(dòng)。兩者之間的差別在于：湍流脈動(dòng)參量偏離其平均值要比非定常流動(dòng)小得多，變化的時(shí)間尺度也短得多。非定常流動(dòng)的研究有兩種方法：實(shí)驗(yàn)研究和理論研究。實(shí)驗(yàn)研究包括對(duì)自然現(xiàn)象作長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),以及在實(shí)驗(yàn)設(shè)備（如水洞,風(fēng)洞）中進(jìn)行測(cè)量和研究。主要目的是弄清非定常流動(dòng)的物理結(jié)構(gòu)，建立正確的概念，并測(cè)出真實(shí)的數(shù)據(jù)。理論研究一般是從納維－斯托克斯方程出發(fā)，根據(jù)具體要求進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后求解。對(duì)于可以線性化的情況，如運(yùn)動(dòng)的無(wú)限平板所造成的粘性流，渦絲在粘性流內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程，非定常庫(kù)埃特流和?？寺鞯?，曾得出極少量的解析形式的結(jié)果。電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用以及理論流體力學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了非定常流動(dòng)的理論研究。線性位勢(shì)流理論在工程上應(yīng)用較為方便，但對(duì)許多復(fù)雜外形和流動(dòng)環(huán)境，其適用范圍需作進(jìn)一步研究。納維－斯托克斯方程的三維非定常差分方法對(duì)計(jì)算機(jī)的容量和速度要求太高，在短時(shí)期內(nèi)還不易實(shí)現(xiàn)。只有不可壓縮流動(dòng)、二維和線性三維非定常流動(dòng)問(wèn)題的研究較有成就?？缏曀倭鲃?dòng)來(lái)受到重視，其中大量的非線性非定常流動(dòng)數(shù)值分析先于實(shí)驗(yàn)測(cè)量。由于新的實(shí)驗(yàn)研究籌辦不易，而數(shù)值計(jì)算則比較方便，非定常流動(dòng)邊界層計(jì)算就是在幾乎沒(méi)有實(shí)驗(yàn)配合下進(jìn)行的，在湍流研究中也是如此。三維非線性非定常流動(dòng)研究的趨勢(shì)是：根據(jù)具體問(wèn)題尋求特殊的求解方法。主要的研究課題是：非線性、分離造成的渦流、復(fù)雜的邊界條件、跨聲速流動(dòng)、三維流動(dòng)、有激波和有粘性的流動(dòng)等。對(duì)分離的渦流做了許多實(shí)驗(yàn)研究，比如用活塞式的裝置在液體中造一個(gè)或一串渦進(jìn)行觀察和測(cè)量；用多分量激光測(cè)速儀測(cè)量二維非定常分離流動(dòng)的速度分布；用氦氣泡流動(dòng)顯示技術(shù)研究三個(gè)三角機(jī)翼相互作用時(shí)的前緣分離現(xiàn)象，等等。對(duì)磁場(chǎng)中導(dǎo)電流體的非定常流動(dòng)以及太陽(yáng)風(fēng)中某種脈動(dòng)機(jī)制也作了一些新的實(shí)驗(yàn)研究。理論方面用準(zhǔn)渦格法計(jì)算了具有分離渦流的單獨(dú)機(jī)翼上的非定常流動(dòng)；用特征面上的相容關(guān)系計(jì)算了無(wú)粘性可壓縮三維流動(dòng)；用積分關(guān)系法或有限元法簡(jiǎn)化差分格式產(chǎn)生一些混合方法，計(jì)算了有激波的一維非線性問(wèn)題。還得到幾個(gè)新的解析解：有抽吸的多孔平板運(yùn)動(dòng)造成的二維不可壓縮非定常流動(dòng)納維－斯托克斯方程的解析解；靜止液體內(nèi)球狀或柱狀渦的運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散軌跡的解析解。由于非定常流動(dòng)范圍很廣，涉及因素很多，因此非定常流動(dòng)的研究顯得分散。隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展以及理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)一步配合，非定常流動(dòng)的研究會(huì)有更快的發(fā)展。非定常流，運(yùn)動(dòng)不平衡的流動(dòng)，在流場(chǎng)中各點(diǎn)流速隨時(shí)間變化，各點(diǎn)壓強(qiáng)，黏性力和慣性力也隨著速度的變化而變化。若流動(dòng)狀態(tài)不隨時(shí)間而變化，則為定常流動(dòng)。流體通常的流動(dòng)幾乎都是非定常的。主要目的是弄清非定常流動(dòng)的物理結(jié)構(gòu)，建立正確的概念，并測(cè)出真實(shí)的數(shù)據(jù)。在流場(chǎng)中的任何一點(diǎn)處，如果流體微團(tuán)流過(guò)時(shí)的流動(dòng)參數(shù)——速度、壓力、溫度、密度等隨時(shí)間變化，這種流動(dòng)就稱為非定常流。①流場(chǎng)變化速率極慢的流：流場(chǎng)中任意一點(diǎn)的平均速度隨時(shí)間逐漸增加或減小，在這種情況下可以忽略加速度效應(yīng)，這種流動(dòng)又稱為準(zhǔn)定常流。水庫(kù)的排灌過(guò)程就屬于準(zhǔn)定常流動(dòng)?？烧J(rèn)為準(zhǔn)定常流動(dòng)在每一瞬間都服從定常流動(dòng)的方程，時(shí)間效應(yīng)只是以參量形式表現(xiàn)出來(lái)。②流場(chǎng)變化速率很快的流：在這種情況下須考慮加速度效應(yīng)?；钊剿没蛘婵毡盟斐傻牧鲃?dòng)，飛行器和船舶操縱問(wèn)題中所考慮的流動(dòng)都屬這一類。這和定常流有本質(zhì)上的差別。例如，用伯努利方程（見(jiàn)伯努利定理）描述這類流動(dòng)，就須增加一個(gè)與加速度有關(guān)的項(xiàng)，成為：式中為理想流體沿流線的速度分布；A和B表示同一流線上的兩個(gè)點(diǎn);p為壓強(qiáng);ρ為密度；g為重力加速度；z為重力方向上的坐標(biāo)；ds為流線上的長(zhǎng)度元。③流場(chǎng)變化速率極快的流動(dòng)：在這種情況下流體的彈性力顯得十分重要，例如瞬間關(guān)閉水管的閥門(mén)。閥門(mén)突然關(guān)閉時(shí)，整個(gè)流場(chǎng)中流體不可能立即完全靜止下來(lái)，速度和壓強(qiáng)的變化以壓力波（或激波）的形式從閥門(mén)向上游傳播，產(chǎn)生很大的振動(dòng)和聲響，即所謂水擊現(xiàn)象。這種現(xiàn)象不僅發(fā)生在水流中，也發(fā)生在其他任何流體中。在空氣中的核爆炸也會(huì)發(fā)