管道内水流冲击滞留气团的二阶Godunov数学模型

长距离输水、城市供排水等工程管道系统中常存在水流冲击滞留气团的现象,极可能产生异常压力波动,严重时甚至发生爆管事故。对此,提出将一种准确高效的非恒定摩阻模型引入水流冲击滞留气团的计算中,建立了考虑非恒定摩阻的二阶Godunov模型;并采用"虚拟单元"处理上游入口边界及下游水气交界面,实现了边界通量和内部单元通量的统一计算,避免了以往分别计算两种通量的繁琐,以及追踪水气交界面时数值插值的复杂求解。将该模型计算结果与恒定摩阻模型计算结果及试验数据进行比较分析,结果表明考虑非恒定摩阻的二阶Godunov有限体积模型能准确预测瞬变过程中压力波动和能量衰减情况。     

管内水流冲击滞留气团的CFD模拟方法验证

在输/排水管道的快速填充过程中常会出现含滞留气团的复杂气—水两相瞬变流,极有可能引发异常的压力波动,从而导致严重的水力过载甚至爆管事故。目前,对于这种特殊瞬变流现象的研究基本采用一维方法或观测视角,无法准确反映气团的动态特性。为此,基于计算流体力学(CFD)模拟方法,采用5种湍流模型对该瞬变流问题进行了二维(2D)数值模拟,并将其瞬态压力、水气耦合分布模拟与试验结果进行比较。结果表明,CFD模拟方法能有效模拟水气分布及压力动态变化;标准κ-ε和标准κ-ω模型计算的最大压力误差较小,RNG模型的压力波动周期吻合度最好,两种κ-ω模型的气团模拟效果欠佳。     

水电站压力引水系统瞬变流数学模型

本文建立的水电站压力引水系统瞬变流数学模型,可回答机组在各种运行工况下沿管线各断面的最大、最小水锤压力及其压力波动过程,调压井最大、最小涌浪高程及其涌浪衰减过程线,系统稳定时间,穿井水锤压力等,并可优化导叶启闭规律。     

阀门的流量特性对系统瞬变流分析的影响

阀门在水利水电工程中应用广泛且型式多样,不同的流量特性影响设置阀门系统的瞬变流分析与控制。结合设置阀门的水库—有压管道—阀门系统,分别考虑具有典型流量特性的阀门,在分析相应过流特性的基础上,建立了阀门节点的水力模型,进一步结合压力管道瞬变流分析的特征线法,详细开展了阀门流量特性对系统瞬变流分析及其控制的影响。结果表明,对于有压输供水系统中设置的阀门,应在充分掌握阀门流量特性的基础上,开展必要的系统瞬变流分析及阀门的调节控制分析,以保证系统的安全稳定运行,同时也为工程阀门的选型提供了参考依据。     

考虑水电站水力瞬变流特性的水轮机选型

针对不同的水轮机比选型式对长引水式水电站水力—机械系统的水力瞬变流分析与控制存在不同程度影响的问题,基于水力瞬变流计算和稳定性分析仿真模型,从水电站水力—机械系统瞬变流特性角度探讨了水轮机选型中的关键技术问题和研究方法,以全面掌握不同水轮机比选型式的水力特性及其对水力瞬变流的影响。结合长引水式水电站,考虑两种不同的水轮机比选型式,分析了同一水轮机在不同工况点及不同水轮机在相近工况点运行对调节保证参数和运行稳定性分析的影响程度,为水轮机的优化选型提供了可靠依据。     

小水电增效扩容改造过渡过程调节保证建模仿真分析

为掌握水轮机调节特性并优选调节保证措施,基于有压输水系统瞬变流特征线求解法,联合Matlab仿真模型库,构建机组甩负荷过渡过程数字仿真模型,对蜗壳末端压力上升值和机组转速上升率进行数值模拟。仿真结果表明,增设调压阀可有效约束水压和转速上升趋势,改善机组过渡过程调节条件,实现与导叶的协联启闭。建立的非线性数字仿真模型,经学习训练生成能反映机组过渡过程调节特性的瞬变值及波动曲线,可为机组调节保证设计及控制决策提供数据支撑。     

含引水和尾水明渠输水的水电站过渡过程分析

鉴于无压明渠的水力特性直接影响含明渠引水式水电站的过渡过程和运行控制,结合有压输水系统的特征线法,采用明渠瞬变流分析的特征隐式格式和相应的边界条件,构建含非自动调节引水明渠、压力前池、尾水池和尾水明渠的引水式水电站的过渡过程分析模型,研究了明渠流水力特性对水电站过渡过程和稳定性的影响。结果表明,在大波动过渡过程中,明渠流水力特性对机组蜗壳进口内水压力和转速极值的影响很小,而尾水渠水力特性及尾水池最低涌波水位决定了尾水管进口的最小内水压力;考虑明渠瞬变流特性的影响,水力干扰下受扰机组的调节品质变化较为明显,而水力-机械系统小波动调节品质变化较小。     

低流阻系数轴流式止回阀的内部流场分析

为了设计公称直径为DN200的低流阻系数轴流式止回阀,并准确分析其压力损失和流阻特性,在其原有的结构基础上,用汇源法设计止回阀的阀芯结构,得到结构优化后的轴流式止回阀。基于FLUENT(商用计算流体力学)软件提供的标准k-ε两方程湍流模型,对结构优化后的轴流式止回阀进行三维流道数值模拟,求解出不同工况下的压力云图和速度流线图,计算出优化后的止回阀流阻系数在0.272以下,小于优化前的0.4。最后,总结出进口压力、进口速度与流阻系数之间的关系。计算结果表明:在止回阀流道结构保持不变的情况下,影响止回阀流阻系数的主要因素是进口平均速度,随着进口流速的增大,止回阀的流阻系数呈逐渐减小的趋势;在进口速度保持不变的情况下,进口压力的变化对止回阀的流阻系数影响较小。     

基于浸没边界—格子Boltzmann方法的带自由液面的水力学问题模拟

为了高效、准确地通过数值方法研究涉及自由液面的流固耦合问题,将单相自由液面格子Boltzmann方法与浸没边界法相结合,提出可计算水流的液面波动及其与刚体相互作用的耦合模型,该耦合模型通过对耦合作用力的迭代,可确保浸没边界的无滑移条件的实现,并可提高耦合模型计算的稳定性和准确性。进而通过该耦合模型模拟和分析了宽顶堰溢流和自由拍门过流两种常见的水力学问题,验证了该模型的可行性和正确性。     

基于浸没边界—格子Boltzmann方法的带自由液面的水力学问题模拟

为了高效、准确地通过数值方法研究涉及自由液面的流固耦合问题,将单相自由液面格子Boltzmann方法与浸没边界法相结合,提出可计算水流的液面波动及其与刚体相互作用的耦合模型,该耦合模型通过对耦合作用力的迭代,可确保浸没边界的无滑移条件的实现,并可提高耦合模型计算的稳定性和准确性。进而通过该耦合模型模拟和分析了宽顶堰溢流和自由拍门过流两种常见的水力学问题,验证了该模型的可行性和正确性。     

转静盘腔中蒸汽/空气瞬态响应特性对比

为对比蒸汽和空气在转静盘腔中的瞬态响应特性,建立了转静盘腔数值计算模型,基于用户自定义函数编程编写了非稳态边界条件,通过CFD非稳态数值模拟方法研究了进口压力以阶跃函数和斜坡函数变化时蒸汽和空气流动的瞬态响应特性。研究表明:蒸汽的瞬态响应特性明显优于空气;同一无量纲跃升幅值下,两种介质瞬态响应过程的总体趋势基本相同;当无量纲跃升幅值由1. 05增至1. 25时,蒸汽总温的超调量比空气平均低45. 9%;斜坡时间由0. 025 s增至0. 16 s时,蒸汽总温的超调量比空气平均低39. 4%;对于同一流动参数,蒸汽的响应时间要明显少于空气。     

无压引水渠道及前池非恒定流计算模型构建原理与方法

为计算水电站在负荷变动下渠道和压力前池的水位波动过程、分析渠道末端扩散段和压力前池对明渠水位波动的影响,基于明渠和有压管非恒定流理论,采用特征线法求解明渠和压力管道的圣维南方程组、变时步特征线法解决无压渠道和压力管道不同时间步长,构建了“无压引水渠道+扩散段+压力前池+压力钢管”数学模型,并利用Matlab软件编制相应的计算程序。     

斯特林发动机瞬态模型及特性分析

为获得斯特林发动机的动态特性和优化方案,将损失机制和压力梯度耦合进控制方程中,提出一维瞬态斯特林循环分析模型及分析方法,并针对GPU-3斯特林发动机进行模型验证和特性分析.模型的指示功率相对误差平均值约为4.8％,热效率的相对误差小于1％.当氦气工质在热源温度为977 K、平均压强为2.76 MPa时,输出功率随转速的...     

1000MW直接空冷机组风机运行研究

针对某1 000MW直接空冷机组,基于η-NTU法,建立了直接空冷机组变工况数学模型。通过考虑排汽管道压降及机组对环境散热量等因素,得到机组凝汽器压力与风机风量间关系曲线,分析了在一定凝汽器压力下风机运行所需风量和风机运行频率对机组的影响,为空冷机组的经济运行提供参考。     

中低压缸连通管数值模拟与导流叶片可靠性分析

对中低压缸连通管内某典型导流叶片形式进行了定常计算,从而得出连通管内的流动具有非定常特性。为进行非定常计算,确定了非定常的周期,从非定常结果分析了导流叶片上压力周期性变化,进一步分析了影响叶片可靠性的主要因素是非定常性引起的共振。     

管道非恒定流特征线法计算中短管问题的处理

针对特征线法用于管网非恒定流数值计算存在的不足不利于处理短管问题,采用调整波速、刚化短管、隐式差分三种方法处理特征线法计算中的短管,设计了一个带阀门的简单管路,并通过计算非恒定流过程中三种方法对阀门端压力值的影响,分析了精度及适用条件,得出采用隐格式处理短管适用范围最广,精度最高。     

Performance investigation of a novel near-isothermal compressed air energy storage system with stable power output

As one of the grid-scale energy storage technologies, compressed air energy storage (CAES) is promising to facilitate the permeability of renewable energies. By integrating CAES into renewable sources, the fluctuation and intermittence of renewable energies could be effectively restrained. Among various CAES system configurations, isothermal CAES (I-CAES) is considered as a most competitive technology with expected high efficiency. However, most of the existing I-CAES systems have trouble in keeping a stable power output. To address this issue, a novel near-isothermal CAES system is proposed in this article to acquire a near stable power output. Imitating the concept of hydraulic accumulator, a two pressure vessels structure is employed to maintain the gas pressure stable during discharging. Besides, the turbine power output can be controlled by adjusting the liquid flow rate of the Pelton turbine under this near constant pressure condition. Based on the system transient model and economic model, the system components transient behavior, parametric analysis, off-design performance analysis and economic evaluation issues are also conducted. Results show that system round trip efficiency (RTE) with 61.42% and energy density (ED) with 0.2015 kWh/m³ can be achieved under design condition. In the discharge process, the gas pressure in vessel varies in a small range, from 68 to 72 bar, which is relatively stable. The power output from Pelton turbine can be maintained around 1 kW. Meanwhile, the initial pressure, the pipe diameter, and the spraying flow rates of circulating pumps have significant effects on system RTE and ED. Furthermore, the Pelton turbine power output level can be adjusted by adding jets number, and the higher storage pressure can make the power output unsteady.     

Unsteady flows of a scroll expander under various types of expansion process

本工作采用计算流体力学（CFD）的方法对适应于微型压缩空气储能（micro-CAES）系统的涡旋膨胀机工作过程进行非定常数值模拟,得到膨胀机内部压力场、速度场和温度场的分布,研究了相同排气背压下外膨胀比对涡旋膨胀机非稳态性能的影响规律及工作腔流场结构分布,结果显示：排气背压一定时,外膨胀比的变化对进气质量流量的脉动规律影响较小,外膨胀比的增加,增大了出口质量流量脉动程度、增大了膨胀机内压缩空气的热量利用程度、增大了膨胀机非稳态驱动力矩、增大了背压腔内二次流旋涡的强度和尺度,背压腔中存在明显局部高温区。