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。     

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

为研究水泵水轮机在泵工况下的内部流态变化对压力脉动和转轮叶片受力的影响,采用SAS-SST湍流模型对某一模型水泵水轮机的多个非设计工况进行非定常数值模拟,分析了水轮机内部流态对导叶与转轮之间无叶区、尾水管内的压力脉动和转轮叶片径向受力的影响。结果表明:在流量为40%～80%设计流量时,导叶区内产生旋转失速,转失速涡团初生于固定导叶进口,并随着流量的降低向活动导叶进口发展,且覆盖区域逐渐增大。旋转失速使压力和过流沿周向不均匀分布,导致压力脉动和转轮径向受力波动大幅上升。在40%设计流量时,失速涡团发展最为充分,无叶区压力脉动和转轮受力波动的低频分量幅值最高。旋转失速产生的低频脉动可向尾水管传播,形成的低频压力脉动幅值约为无叶区低频脉动幅值的10%。当流量低于40%设计流量时,导叶区旋转失速消失,复杂的涡结构形成的压力脉动低频成分没有周期性。此外,转轮进口的流动分离使尾水管内产生复杂的回流涡结构,导致尾水管内形成频谱丰富的压力脉动;流量降低使转轮进口回流涡结构的湍动能增加,导致尾水管内压力脉动幅值大幅上升。小流量工况下,转轮进口的涡结构演变是转轮径向力波动的主要影响因素。     

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

为研究水泵水轮机在泵工况下的内部流态变化对压力脉动和转轮叶片受力的影响,采用 SAS－SST 湍流模型对某一模型水泵水轮机的多个非设计工况进行非定常数值模拟,分析了水轮机 内部流态对导叶与转轮之间无叶区、尾水管内的压力脉动和转轮叶片径向受力的影响。结果表明: 在流量为 40% ～80%设计流量时,导叶区内产生旋转失速,转失速涡团初生于固定导叶进口,并随着流量的降低向活动导叶进口发展,且覆盖区域逐渐增大。旋转失速使压力和过流沿周向不均匀分布, 导致压力脉动和转轮径向受力波动大幅上升。在40%设计流量时,失速涡团发展最为充分,无叶区 压力脉动和转轮受力波动的低频分量幅值最高。旋转失速产生的低频脉动可向尾水管传播,形成的低 频压力脉动幅值约为无叶区低频脉动幅值的10%。当流量低于 40%设计流量时,导叶区旋转失速消失,复杂的涡结构形成的压力脉动低频成分没有周期性。此外,转轮进口的流动分离使尾水管内产生复杂的回流涡结构,导致尾水管内形成频谱丰富的压力脉动; 流量降低使转轮进口回流涡结构的湍动 能增加,导致尾水管内压力脉动幅值大幅上升。小流量工况下,转轮进口的涡结构演变是转轮径向力波动的主要影响因素。     

不同工况下双吸泵湍流特性分析

为了研究双吸泵内部流场在不同流量工况下的湍流特性,选取SST k-ω湍流模型,利用ANSYS CFX软件对双吸泵内部流场进行多流量工况数值模拟,得到了不同工况下双吸泵叶轮以及蜗壳流道内的湍流流场。分析结果表明:叶轮和蜗壳内的湍动能在设计工况时最弱,涡粘系数同湍动能呈正相关;流量偏离设计工况越大则湍动能越大;正向涡量的存在有助于叶片与流体之间的能量转换,而叶轮流道内的Z向涡量随流量的增大而减小。     

核主泵压水室非定常流动特性分析

为改良核主泵水力性能,提高核主泵安全可靠性,探究不同流量下核主泵压水室流线变化规律,分析压水室压力分布特点,关注类隔舌位置水力压力的时域、频域特性,对混流式核主泵进行全流道仿真计算。计算结果表明,类球形蜗壳压力分布呈明显的梯度变化,且在其壁面靠近类隔舌位置有最大压力出现。设计工况下,压水室压力脉动主要受叶频影响,随着流量的减小,转频诱发水力振动的成分增加,但是压水室主频与转频、叶频都存在一定的偏差。若流量过小,压水室内流体湍流度增加,压水室出口段流线也将呈现螺旋状。     

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。     

水泵水轮机泵工况旋转失速压力脉动特性及转动机理

水泵水轮机在泵工况部分负荷下运行,叶道内易发生旋转失速,可诱发剧烈的低频压力脉动,严重影响水电站的安全稳定运行。本文采用尺度自适应(SST-SAS)湍流模型对某模型水泵水轮机泵工况进行全流道非定常数值模拟,得到不同工况点下旋转失速引起的压力脉动特性及失速涡团的周向转动机理。结果显示,在40%~80%设计流量下运行时,导叶区发生旋转失速,失速涡团的转动频率为叶轮转频的3.3%~8.1%。旋转失速发展强度越剧烈,转动越慢。旋转失速周向转动的机理是:失速与非失速相邻导叶流道内存在较大压力梯度,在其作用下,失速流道内流体从活动导叶与固定导叶之间通道流向非失速流道,加剧非失速流道内流动分离。被阻碍的水流与无叶区主流叠加流向下一流道,并在活动导叶吸力面进口前缘产生局部低压,导致当前非失速活动导叶流道在进口与出口之间的逆压梯度增强,使流体反向流动,流道产生失速。     

某低水头混流式水轮机叶道涡特性数值分析

采用数值模拟手段,研究低水头混流式水轮机叶道涡的水力特性,依托某低水头混流式水轮机模型转轮试验结果和数值计算结果,选取三个单位转速下出现叶道涡的工况,基于N-S方程及SST湍流模型对水轮机进行单流道、全流道、定常和非定常流动数值模拟,分析叶道涡复杂流动的水力特性和压力脉动。结果表明,在叶道涡初生工况,叶片上冠正背面均有部分脱流现象,随着水流在叶片内部运动,转轮出口处,靠近上冠区域有较明显的脱流漩涡和失速区,这部分区域也是叶道涡产生的集中区域。分析转轮内部各个监测点的压力脉动数据,发现转轮内部各个测点会出现有规律的1倍转频的低频脉动和24倍高频脉动,1倍低频脉动与转轮自身转速有关,24倍高频脉动与活动导叶数量有关,是动静干涉影响的结果。测点位置的流态越差,该测点的压力脉动幅值会越高。     

水泵水轮机甩负荷过渡过程中的压力脉动和转轮受力

水泵水轮机甩负荷过渡过程中,压力脉动和转轮受力剧烈变化,导致事故频发。本文采用动网格技术对某模型水泵水轮机的甩负荷过渡过程进行全流道三维数值模拟,分析了水轮机压力脉动和转轮受力变化特性及其演变的内流机理。结果表明:甩负荷过渡过程中,转轮进口回流的出现和发展显著增加了无叶区内流体的湍动能,使导叶与转轮之间的动静干涉明显增强,导致压力脉动幅值急剧上升,其最大值达到初始阶段的5倍以上;与此同时,转轮进口局部产生的回流使无叶区内的湍动能和压力脉动强度在高度方向不均匀分布;此外,转轮进口回流发展使叶道内流态分布失衡,产生低频旋转失速,导致转轮叶片所受力矩和径向力的波动幅值快速上升,最大波动幅值分别达到初始阶段的10倍和60倍,而尾水管涡带对其的影响处于次要地位。     

水泵水轮机内部流态特性及预应力模态分析

为研究抽水蓄能电站中水泵水轮机在不同水头下水轮机工况的稳定性,应用ANSYS Workbench平台进行了全流道数值模拟,研究了水泵水轮机的压力脉动机理并开展预应力模态分析,将模拟结果与试验结果对比,验证其可靠性。计算结果表明：额定水头下水泵水轮机流态较好,水流涡带现象与水压力脉动关联紧密,各部件监测点采集到的压力脉动呈现出一定的周期性;压力脉动的主频多为转频及其倍频,转轮与活动导叶间的动静干涉是无叶区压力脉动的主要来源;预应力下转轮的固有频率与各部件水力激振频率相差较大,因此发生共振的可能性较小。研究结果对水泵水轮机振动诱因分析及提高运行稳定性具有参考价值。     

NUMERICAL STUDY FOR THE NONLINEAR EVOLUTION OF VORTEX SHEET AND ITS APPLICATIONS: PART II. EVOLUTION OF WING SHEDDING VORTEX

1.　 INTRODUCTIONVortex sheet exists widely in a variety of nature and engineering problems,which isusually shed from airplane wing,ship propeller,swim ming fish,and so on.To study thebehaviour of vortex sheetevolution is much helpful to understand the physical mechanism ofthose flows.Therefore,many vortex m ethods[1 - 5 ] ,even involving viscous effects,weredeveloped to simulate the vortex sheet motion.As was discussed in Part I,asuperconvergence scheme based on Multhopp′s discretizati…     

NUMERICAL STUDY FOR NONLINEAR EVOLUTION OF VORTEX SHEET AND ITS APPLICATIONS: PART I. APPROACH AND PERIODICAL EVOLUTION OF VORTEX SHEET

1.　INTRODUCTIONThevortexsheetisaninviscidmodelofaparallelshearflowinwhichthethicknessofthetransitionregionbetweenthetwostreamsissmallcomparedwithatypicalstreamwiselengthscale.Someworkhasbeendonetoinvestigatethevortexsheetevolutionusuallybyusingtwoapproaches.Oneistousesimpleandhigh-orderaccuratenumericalmethodstosolvetheNavier-Stokesequations,andtheotheroneisbasedontheKelvin-Helmholtzinstabilitytheoryandstudiestheinstabilityandevolutionofaninfinitetwo-dimensionalstraightvortexsheetofcons…     

调距桨梢涡精细流场的数值模拟

为验证湍流粘度取为mk/的修正剪切应力输运(SST)湍流模型在螺旋桨梢涡精细流场粘性模拟中的适用性,对驱逐舰母型桨DTMB5168调距桨的梢涡流动进行了模拟与校验。结果显示:0.9R以上径向区域周向平均的轴向、周向和径向速度分量均与试验值吻合很好,但0.9R以下区域的径向速度分量存在一定偏差;0.7R和0.92R处沿周向变化的三个速度分量变化形态均与试验值一致,故可由此来确定梢涡涡核区,但周向和径向速度分量峰值比试验值略小;轴向0.3R距离内梢涡涡核运动轨迹的模拟结果与试验值吻合较好。由此证明了修正的SST湍流模型在螺旋桨梢涡流动模拟中的适用性,还表明由叶梢区的径向、周向和轴向方向以及桨叶近壁面法向、叶截面弦长方向和尾流轴向方向的网格节点密度来局部控制叶梢区流动的模拟效果的可行性。     

墩前角涡实验研究

本文通过流动显示研究了墩前角区流场的层流和湍流状态，并应用LDV对湍流状态下的角区流场进行了测量，得到了有关马蹄涡强度变化与流场参数的关系。     

The method to control the submarine horseshoe vortex by breaking the vortex core

The quality of the inflow across the propeller is closely related with the hydrodynamic performance and the noise characteristics of the propeller. For a submarine, with a horseshoe vortex generated at the junction of the main body and the appendages, the submarine wake is dominated by a kind of highly non-uniform flow field, which has an adverse effect on the performance of the submarine propeller. In order to control the horseshoe vortex and improve the quality of the submarine wake, the flow field around a submarine model is simulated by the detached eddies simulation （DES） method, and the vortex configuration is displayed using the second invariant of the velocity derivative tensor. The state and the transition process of the horseshoe vortex are analyzed, then a modified method to break the vortex core by a vortex baffle is proposed. The flow numerical simulation is carried out to study the effect of this method. Numerical simulations show that, with the breakdown of the vortex core, many unstable vortices are shed and the energy of the horseshoe vortex is dissipated quickly, and the uniformity of the submarine wake is improved. The submarine wake test in a wind tunnel has verified the effect of the method to control the horseshoe vortex. The vortex baffle can improve the wake uniformity in cases of high Reynolds numbers as well, and it does not have adverse effects on the maneuverability and the speed ability of the submarine.     

高水头大泄量旋涡竖井式泄洪洞的设计研究

通过几座水电站的导流洞改建旋涡竖井式泄洪洞的试验研究，优化结构体型，改善流态，降低流速防止结空蚀，避免出口冲刷和雾化现象。使研究成果能满足高水头、大泄量泄洪洞的设计要求。文中主要对此型式泄洪洞提出设计原理和系统的设计方法，并根据自由旋涡理论和能量方程导出旋涡竖井泄流能力、合成速度以及壁面压力等水力学计算公式。     

能量损失与涡漩相关矩关系的理论研究

本文从二次流能量损失的基础上研究，得到了涡漩相关矩与能量损失的关系，推导了涡漩雷诺应力方程，为进一步研究能量损失提供了新的依据。     

螺旋涡丝的运动问题

螺旋涡丝是实际流动中的一种重要流态，螺旋桨的尾迹，三维绕流物体的尾涡构成等都有这样的涡系存在。螺旋涡丝的运动内容包含两部分，第一部分是它诱导的速度场，特别是对自身诱导的速度，第二部分是螺旋涡丝的稳定性，但必须以第一部分为基础。本文具体推导螺旋涡丝对涡心一点的诱导速度公式，对各种螺距算出具体数值结果     

水工建筑物进水口自由表面漏斗旋涡消除措施的试验研究

水工建筑物进水口形成的自由表面漏斗旋涡,对工程危害极大。本文对自由表面漏斗旋涡的消除措施进行了试验研究,给出30种消涡措施(包括一些布置形式)。     

FORCE CHARACTERISTICS AND VORTEX SHEDDING OF A PITCHING FOIL IN SHEAR FLOWS

The objective of this study is to deal with unsteady force acting on a pitching foil in shear flow and to study the relation of the force characteristics with vortex shedding near the foil. The two-dimensional incompressible Navier-Stokes equations in the vorticity and stream-function formulation were solved with the fourth-order essentially compact finite difference schemes for the space derivatives and a fourthorder Runge-Kutta scheme for the time advancement. The force characteristics and vortex shedding of the pitching foil in shear flows were investigated. The effects of some typical factors, including the incoming flow shear, the oscillating frequency and amplitude, on the vortex shedding and force behavior were analyzed and discussed.