不同导叶开度下混流式水轮机尾水管内部流动及压力脉动分析

为探究活动导叶开度对混流式水轮机尾水管内部流动及压力脉动的影响,通过建立西南某电站混流式水轮机三维全流道模型进行定常和非定常条件的数值模拟,研究混流式水轮机在额定水头不同导叶开度下的尾水管流动特性及压力脉动。结果表明：随着导叶开度的增加,尾水管直锥段出现明显的交替旋涡并引起尾水管低频压力脉动,尾水管内压力及速度分布的均匀性逐渐变差,尾水管弯肘段监测点压力脉动主频幅值先增大后减小。尾水管涡带是引起尾水管产生低频高幅特征压力脉动的原因。     

大型混流式水轮机组尾水管压力脉动模型试验研究

为研究大型混流式水轮机组尾水管压力脉动,选择了不同的水头和导叶开度组成不同的工况稳态和过渡过程工况.研究表明,稳态工况下,压力脉动的频率主要受导叶开度的影响,相同工况下,压力脉动频率非常相近;不同频率对应的振幅中,频率为3 Hz左右的振动振幅明显比其他频率对应的振幅大;水头对振幅的影响,高水头比中低水头的大.在过渡过程中,2台机组先后甩负荷时,震荡波明显大于1台机组甩负荷的情况.1台机组甩负荷过程中,水头对震荡波影响不大.不同半径处的压力脉动在导叶刚关闭时会有所不同,有些半径处的压力脉动会出现短时间的突然增加,这个值甚至大于震荡波中最大的压力值.     

混流式鱼友型水轮机导叶优化设计研究

鱼类通过传统混流式水轮机时会因为其流道尺寸狭小受到撞击而出现伤亡。以计算流体力学方法为基础对混流式鱼友型水轮机导叶区进行优化设计,旨在保证水轮机出力及效率的同时减小过机鱼所受伤害。为了对比分析两组导叶(含固定导叶、活动导叶)设计方案的运行性能,分别对水轮机全流道进行不同工况下的稳定场数值模拟,分析水轮机能量特性及流动特性。模拟结果表明,两组导叶设计方案的最优导叶开度相同,均为28°;综合考虑水轮机运行性能,导叶设计方案一优于方案二。     

混流式水泵水轮机转轮径向间隙对周围流场特性的影响

混流式水泵水轮机转轮周围流场的特性会影响机组的稳定性,以某机组真机尺寸的全流体域k-ω模型进行CFX非定常仿真研究,共设置5组间隙组合模型,模拟机组在3个导叶开度下的运行状态。通过对无叶区、顶盖下腔和底环上腔内各个测点压力数据的分析,揭示了不同转轮径向间隙对周围流场特性的影响程度,明确了无叶区和顶盖下腔、底环上腔内压力脉动在机组运行过程中的变化规律和相关性,从而为混流式水泵水轮机的结构优化和水力优化提供了一定依据。     

混流式蓄能机组水轮机工况全流道流动数值模拟研究

利用ANSYS CFX14.5软件,对某一抽水蓄能电站的混流式水泵水轮机全流道应用RNG k-ε湍流模型,进行了68.9%、51.5%、19.5%等3个不同导叶开度下水轮机工况的三维定常湍流数值模拟。通过与现场试验数据进行对比,可知:(1)不同导叶开度下,压力的模拟值与试验值最大误差不超过7.5%;(2)在设计开度下,水泵水轮机内部流动比较平稳,流体流经各过流部件间过渡顺畅,没有明显的撞击发生,整个流道水力损失较小;随着导叶开度减小,水泵水轮机流道内流动变紊乱,稳定性变差;(3)随着导叶开度减小,活动导叶及转轮进口的撞击现象变严重,转轮内和尾水管内的涡带逐渐扩散到整个流道。     

长短叶片混流式水轮机三维非定常流数值模拟

为探究长短叶片混流式水轮机在不同导叶开度下运行时内部水流流动的特点,基于流场数值模拟的计算方法对长短叶片混流式水轮机进行了全流道三维非定常湍流计算。结果表明,在不同开度下,转轮与导叶交界面处压力脉动主频皆为转轮转频与叶片数的乘积,且在小流量工况下主频振幅最大。当水轮机在小流量工况下运行时,尾水管涡带呈螺旋形,且绕转轮转轴顺时针旋转,与转轮旋转方向相同;当水轮机在额定工况下运行时,尾水管无涡带产生;当水轮机在大流量工况下运行时,尾水管涡带呈细长的圆锥形。     

混流式水轮机压力脉动特性研究

为探究不同长短叶片比例对混流式水轮机压力脉动特性的影响,基于流场数值模拟的计算方法,对不同长短叶片比例的混流式水轮机进行全流道三维非定常湍流计算。计算结果表明,混流式水轮机内部的压力脉动主要由转轮和导叶的动静干扰以及尾水管的低频压力脉动所致;当短叶片出口离转轮旋转轴最近点处与长叶片直径之比为0.6时,混流式水轮机效率最高,为92.66%,且该混流式水轮机各过流部件对应的压力脉动幅值以及振动幅值也最小,水力稳定性最好。对研究背景、计算方法与步骤,以及计算结果的分析等情况均作了较为详细的介绍。     

混流式水轮机压力脉动模型试验研究

利用模型试验的方法,分别在蜗壳进口、转轮与顶盖间、转轮与活动导叶间、尾水管等位置选取五处测点,在四个特征水头下对某比转速的混流式水轮机进行压力脉动测试,分析其脉动特性,为原型水轮机稳定性研究和部分结构的错频设计提供参考。测试结果表明:小开度区,以蜗壳进口处测点压力脉动幅值最为突出;脉动显著区(部分负荷区)以尾水管处测点D_1、D_2的0.47倍转频的低频脉动最为突出,并向上游传递至蜗壳进口;运行高效率区,各测点所测压力脉动幅值最小,且运行稳定;大开度区,各测点压力脉动幅值随导叶开度的增大呈上升的趋势。此外,偏心的螺旋状涡带相比稳定的柱状涡带更易引发机组振动,需要对此加以重视。     

水泵水轮机极小开度反水泵工况压力脉动与内流特性分析

混流式水泵水轮机普遍存在S特性区,水轮机工况启动时机组常不能由空载直接带负载,容易进入反水泵区,导致机组并网困难。本文以模型水泵水轮机为对象,对极小导叶开度下的多个反水泵工况点进行了整体流道三维流动计算,探讨极小导叶开度下反水泵区机组的非定常流动特性。数值计算采用SAS SST-CC湍流模型,5个定常工况点计算的外特性曲线与模型试验数据吻合较好。对流量较小的工况进行非定常计算,旋转转轮9个叶道各8个测点的压力脉动结果显示,相似位置测点间的压力脉动混频幅值和频率均存在明显差异,峰峰值的差异最大达到4.2%,说明此时转轮内的流态分布很不均匀。测点离导叶越近,低频脉动的主频从0.19 fn逐渐增加到1.07 fn;动静干涉引起的20 fn脉动幅度会逐渐增强,但转轮出口位于出流与入流过渡区的测点趋势则不同。结果显示在反水泵工况区运行,转轮各叶道间的流态分布极不对称,充满了严重的流动分离和漩涡。     

混流式水轮机低水头工况流动特性探究

为研究混流式水轮机在低水头工况下内部空化流动特性,采用ANSYS CFX软件,基于SST k-ω湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型对某混流式水轮机在70m低水头条件下的3种不同导叶开度工况进行数值模拟分析。结果表明:随着开度增大,负压区域面积逐渐减小,同时,最大开度下转轮叶片压力面进口边附近出现明显的低压带;随着开度增大,涡带形态由不稳定的螺旋涡带转变为沿尾水管轴心线分布的稳定涡柱;叶片吸力面气相分布主要集中在下环靠出水边处,且气泡分布面积随开度增大而增大。     

小型混流式水泵水轮机水力设计

采用二元理论结合螺旋势流设计了混流式水泵水轮机,并利用Pro/ENGINEER建立三维几何模型。通过对不同曲率导叶的CFD数值模拟计算,分别得到水泵工况和水轮机工况下的流场流线图、速度图以及压力图,证实标准导叶更适用于混流可逆式机组。效率估算结果显示,机组效率在水轮机工况达到85%,水泵工况达到88%,说明设计方法可行。     

基于 FBM 模型的轴流泵空化流动特性 CFD 分析

轴流泵运行工况多变,容易发生空化,会严重影响泵的水力性能。为研究轴流泵空化工况下的流动特性,进行了全流道空化流动数值模拟和压力脉动分析,通过比较实验数据和不同湍流模型的计算结果,验证了FBM模型在预测轴流泵外特性和空化性能方面的优越性。研究结果表明:FBM模型预测非设计条件下的数值误差最小,特别是在具有小流量条件的流场中误差最小,其中平均扬程误差1.19%,平均效率误差5.31%;FBM在预测空泡体积数、含气量上的精度均大于其他三种湍流模型,与实验结果最接近;在NPSH=5.25m空化刚开始阶段,叶片上的压力脉动的主要频率位于fn及其倍频处,叶片吸力面的压力监测点由于受到空泡溃灭影响出现大量低频幅值,导叶出口监测点的压力脉动受到导叶片背面流动状态的影响出现大量低频信息。     

双动力源冷却塔设计研究

通过对冷却塔进行循环冷却水节能分析并对进塔水流的富裕能量进行研究,开发了一种低比转速混流式水轮机。考虑到冷却塔循环冷却水水流不稳定而出现水轮机输出动力不足或富裕的问题,选用与该微型水轮机相匹配的电动机作为其备用动力源,并通过自动离合装置与微型水轮机相连接,同时在进水管道上安装了旁通阀。通过智能控制器控制电动机以及旁通阀来调整水轮机与电动机的工作方式以满足冷却塔风机的需求并达到了节能的目的。     

滑坡涌浪下斜坡波压力经验估算方法的对比

斜坡波压力计算公式经验性较强,计算公式种类繁多。为了探讨经验公式在预测滑坡涌浪对斜坡作用力的适用性问题,构建几何比尺为1∶70的滑坡涌浪三维物理模型,试验研究了不同工况时滑坡涌浪最大波与有效波下斜坡作用力的变化规律,采用3种常用的斜坡波压力经验公式,对比分析了滑坡涌浪下滑坡入水点正对岸斜坡波压力大小、作用点位置及分布特性。结果表明,3种经验公式计算结果有较大的差异,基于试验结果,路基公式经修正后可用于预测滑坡涌浪下斜坡波压力大小;向金公式经修正后可用于预测滑坡涌浪破碎作用点位置;波压力在斜坡上的分布趋势与苏联公式是一致的。     

用于水厂微水头发电的灯泡贯流式水轮机开发

在自来水供水过程中,存在着一些依靠水位差进行自流供水的环节。随着常规水能资源逐渐被开发殆尽,利用这部分微水头进行发电受到了关注。由于水厂工况基本不变、装置场地复杂多样等原因,常规水轮机并不适用,因此,开发新型水轮机就势在必行。结合某自来水厂安装灯泡贯流式水轮机进行发电的案例,通过传统水轮机设计理论对其进行设计,并运用计算流体动力学软件,选择SIMPLEC算法,采用基于雷诺平均N-S方程的Spalart-Allmaras湍流模型对该水轮机进行数值模拟和优化,得出在不影响水厂原有水处理工艺的前提下,在水厂安装水轮发电机组利用微水头进行发电从而达到节能减排目的的较优方案。     

长距离高落差重力流供水工程的关阀水锤

对长距离高落差重力流供水工程中阀门动作规律进行了研究,分析了关阀的水锤特性,运用特征线法推导了在已知阀门关闭规律时管道首相水锤压力的解析公式以及在已知管道控制压力时阀门最快直线关闭规律的解析公式,并结合数值计算对公式的正确性进行检验。结果表明:推导出的首相水锤压力解析公式和水锤直线关阀规律解析公式计算均与数值计算结果吻合较好,精度较高,可为高落差重力流供水工程的管道设计及运行调度提供参考。     

旋流环形堰竖井泄洪洞三维流场数值模拟

旋流环形堰竖井泄洪洞是一种新型的环境友好的内消能工, 跟传统环形堰竖井泄洪洞相比, 泄洪洞的流态和 消能防蚀机理明显不同。作为一种新型布置形式, 其复杂的水流特性并不是十分清楚。依托于广东清远抽水蓄能 电站下水库泄洪洞工程, 基于RNG k2E双方程湍流数学模型, 并结合VOF( Volume Of Fluid) 方法, 对下库旋流环形 堰竖井泄洪洞进水口、竖井旋流泄洪洞、出口的复杂水流进行了三维数值模拟, 并对部分水力参数的特性进行了解 析计算, 获得了流态、压力、流速、空化数等水力要素的变化规律。模拟结果表明, 数值计算结果与物理模型试验成 果吻合较好。并通过数值模拟验证了该新型内消能工的泄流能力和高消能效率。     

不同空化条件下轴流泵反向发电压力脉动特性研究

以南水北调某泵站为模型,对该泵站大型轴流泵反向发电发生空化条件现象进行全流道数值模拟。对反向发电工况下空化现象进行定常与非定常研究,并与试验结果做比较,得出了水泵反向发电时发生不同空化条件下的气泡体积分布规律,并预测了叶片发生空化的发展特性。在反向发电工况下对三个监测面的压力脉动进行研究,得出压力脉动幅值在导叶进口处最小,转轮出口处幅值最大,约为转轮进口处7倍,水流受转轮转动影响严重,主频为转频。不同空化数下转轮前后的压力脉动幅值随着空化系数减小而增大,压力脉动主频不受空化系数影响。空化数越小,叶片受到的径向力减小,轴向力增加,加剧转轮的不稳定性。为确保轴流泵反向发电运行的稳定与高效,应使得装置在较高的空化系数下运行。     

长距离多泵联合运行输水系统停泵水锤防护措施

运用水锤理论和特征线法,结合工程实例,对采用缓闭式蝶阀、空气阀和单向调压塔等防护措施的长距离多泵联合运行输水系统停泵水锤进行计算和分析,得到了管道沿程的水头包络线以及泵端性能参数相对值的变化曲线。计算结果表明,无防护措施下最小水锤水头较低,泵端性能参数变化较大;泵端蝶阀防护可以有效地控制泵端性能参数流量和转速变化幅度,但水头的变化出现了振荡,最小水锤水头值降低;采用空气阀+泵端蝶阀防护可以有效地增加最小水锤水头值,只在管道局部出现负压,但与泵端蝶阀防护相比性能参数变化有所增大;单向调压塔+泵端蝶阀对停泵水锤防护效果最为明显。为了减小单向调压塔数目,最终选择单向调压塔+空气阀+泵端蝶阀的组合作为最终的防护措施,与无防护措施相比,组合防护下整个管道不出现负压,泵端水头虽出现了振荡,但幅度不大,流量最大变化幅度下降0.15,转速最大变化幅度下降0.7,转矩振荡时间变短。     

水位波动作用下软土的变形强度特性研究

在我国沿海地区,过量抽取利用地下水引发了明显的地面沉降,限制开采量、人工回灌地下水对减轻地面沉降具有显著效果。开采与回灌地下水促成了地下水位的大幅波动,使得沿海地区广泛分布的软土层发生了明显的沉降与回弹变形。为了研究软土在水位波动作用下的变形和强度特性,利用沉降柱试验装置模拟地下水位波动,对不同水位波动次数作用后的软土试样进行了高压固结试验、直剪试验和三轴试验,研究了水位波动次数对软土变形性状的影响,给出了用初始强度指标和含水量表示的、不同水位波动次数作用后的软土残余强度表达式。试验结果表明:随着水位波动次数的增加,软土的变形特性增强而强度特性降低,黏聚力和内摩擦角随波动次数的增加呈近似线性降低;相同水位波动次数下软土试样的强度指标随含水量的增加呈明显下降趋势。研究成果对于探索城市地下水位波动对地面沉降和承载力变化的作用机理,提高科学决策水平及减轻环境地质灾害有着重要实际意义和应用价值。