摇臂式喷头内流道流动分析与数值模拟

应用CFD通用软件Fluent模拟了PY140型摇臂式喷头的内流道在安装两种常用稳流器和不安装稳流器情况下的三维黏性流场,分析了三种稳流器情况下喷头流量、内流道静压力分布以及出口断面平均湍动能随进口工作压力的变化规律,并进行了试验验证。研究结果表明不同进口工作压力下喷头流量的计算值要高于实测值约11%,但两者的变化趋势非常一致。喷头安装稳流器有助于消除内流道中的涡流和横向流,降低喷头出口湍动能值,但在一定程度会增加内流道阻力损失,影响喷头的过流能力。此外,常用的90°出口扩散角的圆锥形喷嘴容易在喷嘴出口附近产生逆流。数值模拟和试验表明,减少喷嘴出口扩散角可改善喷嘴出口流态,提高喷头流量。     

几种隧洞出口泄流特性的试验研究

基于回收动能的概念，设计了三种不同型式的隧洞出口，以期改善隧洞的泄流特性．通过水力学试验表明，在明流情况下，具有8°扩散角、2倍洞高的渐扩型式的出口可以增加一定的泄流量．通过分析认为，在淹没出流情况下，断面积渐阔的出口可以较为有效地回收隧洞的出口动能。文中还指出，扩散出口的上游侧容易出现负压现象．     

旋流泵内部不稳定流动数值模拟

为深入了解旋流泵内部不稳定流动情况,基于RNG k-ε湍流模型,运用CFX软件对3种流量下的旋流泵进行非定常计算,分析了不同流体域的涡核、湍动能分布情况以及内部压力脉动特性。结果表明：随着流量的增加,进口管路涡核逐渐减少;无叶腔内圈首尾相连的圆形涡带直径和流速逐步变大,无叶腔外圈涡核逐步分散;无叶腔向扩散管过渡区域的涡核尺度显著增大,隔舌处的涡核尺度亦逐步增大。小流量和额定流量下,高亮湍动能集中于无叶腔内圈,内部压力脉动主频为叶频;大流量下,高亮湍动能集中于无叶腔向扩散管过渡区域,主频为轴频。叶轮中非涡核区多集中于叶片迎水面,随着流量的增加,涡核分布逐步分散,非核区域增多;高亮湍动能在小流量下分布在叶片入口,额定流量下分布在流道中部,大流量下分布在叶片出口;叶片流道内的压力脉动主频始终为轴频。     

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。     

双喷嘴摇臂式喷头喷洒水滴运动模拟与验证

本文以ZY-1(5.5mm×3.1mm)、ZY-2(7.0mm×3.1mm)双喷嘴摇臂式喷头为研究对象,利用喷洒水滴弹道轨迹运动模型分开模拟了喷头主、副喷嘴水滴的飞行轨迹,并将模拟值与实测值进行了比对,结果表明喷洒水滴飞行距离模拟值与实测值的总体分布趋势相近,尤其对于1.0~2.0mm水滴飞行距离的模拟值与实测值较为接近,模拟效果较好,但对于大直径水滴飞行距离的模拟尚存在较大差异。选择风速、喷头工作压力、流速系数、喷头安装高度、喷射仰角、空气温度作为主要因素进行喷洒水滴飞行轨迹敏感性分析,结果表明,对喷洒水滴飞行轨迹影响程度由大到小依次为流速系数、喷头工作压力、风速、然后是喷射仰角和喷头安装高度,受空气温度的影响最小。     

圆形喷灌机低压阻尼喷头水滴直径分布规律的试验研究

为了提高机组喷洒均匀性、降低对土壤作物的打击强度,近几年国内圆形喷灌机逐渐安装低压阻尼旋转喷头,以替代非旋转低压喷头。本文采用面粉法对R3000和A3000低压阻尼喷头在安装3种喷嘴(直径为2.98、4.96和6.95 mm)和2种工作压力(100和140 kPa)下的水滴直径分布规律进行了试验,分析了水滴平均直径和总体水滴直径分布,探讨了水滴直径与喷头转速、喷嘴直径及工作压力的关系。结果表明,在相同工作压力和喷嘴直径下,A3000喷头转速要快于R3000喷头,但射程和末端水滴直径均有所减小。在相同喷嘴直径下,两种喷头随着工作压力的增大,射程均有所增大,但末端水滴直径呈变小趋势;在相同工作压力下,随着喷嘴直径增大,喷头射程均呈增大趋势,但末端水滴直径变化不显著。A3000喷头总体水滴直径分布范围比R3000喷头窄,不同工况下测得的A3000喷头水滴中数直径比R3000喷头小3.6%~8.9%。两种喷头径向不同位置处的水滴平均直径与喷头距离呈指数关系,中数直径随工作压力增大或喷嘴直径减小而变小。     

小流量工况下蜗壳式混流泵内部流动数值解析

为了探索蜗壳式混流泵在小流量工况下的流动特性,基于RNG k-ε湍流模型对一台比转速为585的双蜗壳混流泵进行数值计算,并预测了其外特性,利用外特性试验验证了数值计算方法的可靠性,结果表明:小流量工况下叶轮进口处无法满足无撞击入流,流体质点不断冲叶片压力面前缘,导致该部位存在一个局部高速低压区域;0.6Qd工况下,叶轮进口截面位置产生明显的涡核,此时泵内部无法满足无预旋入流;设计工况下蜗壳截面上流线光滑平顺,随着流量不断减小至0.6Q_d工况,隔舌部位、蜗壳隔板进口处以及蜗壳出口部位产生3处明显的漩涡,同时这3个部位的湍动能明显高于其他部位;蜗壳隔板内侧的湍动能明显大于隔板外侧,蜗壳内部流线图中的漩涡均发生在隔板内测,从而说明隔板内侧流动的不稳定性较大。     

基于冲蚀耦合动网格方法的摇臂式喷灌喷头冲蚀变形数值模拟研究

喷灌喷头长期冲蚀磨损引起的喷嘴结构变形是影响其水力性能的主要原因之一。为了探究喷头的冲蚀变形及变形对其水力性能的影响规律,基于冲蚀耦合动网格方法以PY1-20sh型喷头为研究对象,利用标准k-ε湍流模型与Generic冲蚀模型建立喷头固-液两相流数值模型,针对3组不同水流含沙量工况开展喷头运行160 h内的冲蚀变形数值模拟研究。结果表明：喷头的冲蚀磨损主要发生在主喷嘴处,持续地冲蚀磨损使其质量减小,主喷嘴冲蚀变形表现为管壁向外不均匀扩张使得出口直径增大,变形程度与喷头运行时长及水流含沙量均呈正相关,变形速率随运行时间的延长而减缓,形状系数变大说明出口断面逐渐偏离圆形。喷头水力性能的变化表现为冲蚀变形使出口流量增加但流量系数减小,且由理论分析发现喷头射程随运行时长逐渐缩短,末端水滴直径逐渐减小但变化幅度不大。研究结果可为喷头的合理使用与结构设计提供参考依据。     

摇臂式喷头喷嘴结构改进及水力性能试验研究

为了降低摇臂式喷头在工程应用中的运行成本、提高喷灌质量,本文针对8034D摇臂式喷头主、副喷嘴结构进行了优化改进,并研究了喷嘴结构改进后对喷头流量、径向水量分布和组合喷灌均匀度的影响。结果表明,主喷嘴内腔锥度角对喷头流量的影响呈显著水平,内腔锥度角越大,喷头流量越小;当工作压力相同时,改进副喷嘴结构对喷头流量的影响不大。随着测点与喷头水平距离的逐渐增加,不同内腔锥度角和圆柱段长度下的径向喷灌强度均呈递减趋势。组合2(1 mm#54°主喷嘴与改进后副喷嘴组合)在4种组合方式中的喷灌均匀性较好,其在喷头正方形布置下7种组合间距(12 m×12 m～18 m×18 m)时的平均喷灌均匀系数为87.8%,其中17 m×17 m时的喷灌均匀系数峰值达到89.3%。综合考虑喷灌质量和经济性两方面,在实际工程设计时,建议8034D摇臂式喷头主、副喷嘴的组合方式优先选用组合2,喷头工作压力设置为250 kPa,且组合间距以17 m×17 m为宜。     

高大空间场所自动喷水灭火系统布水性能试验研究

为研究工作压力、安装高度等对喷头布水性能的影响,以K161喷头为研究对象,在安装高度分别为8m、12m和18m,工作压力分别为0.05MPa、0.10MPa、0.15MPa和0.20MPa的条件下,共计开展了12次喷头布水性能试验。试验结果显示,喷头集水率受安装高度的影响较小,在相同工作压力下,12m和18m高度下实测喷水强度基本一致,但随着工作压力的增加,喷头集水率逐渐增加,与理论计算值趋于一致,但均小于理论计算值;工作压力越高,喷头布水均匀性越差。     

机械通风冷却塔风筒内流场数值模拟研究

在机械通风冷却塔风机出口设置风筒可以降低出口动压,降低风机能耗。本文利用流体计算软件FLUENT进行数值模拟,研究了风筒内空气流动,发现风筒内空气呈旋转紊流射流流动;不同风筒高度与扩散角研究结果表明,随着风筒扩散角增大,风机风量和风筒动能回收率都呈现先增大后减小的变化规律;风筒高1/2D时,最佳扩散角为18°;风筒高1/3D时,最佳扩散角可以增大到20°;扩展了规范规定的最大扩散角不大于15°的限制。研究结果可供风机风筒设计改造时参考。     

掺气坎射流出射角的修正方法

掺气坎后射流出射角受到来流水深和射流紊动扩散的影响,不等于挑坎的挑角,计算掺气空腔长度时,应该对出射角进行修正。而目前采用的考虑紊动扩散对出射角影响的修正方法存在不合理的假设。考虑到坎末水流流态为充分发展的紊流,射流边缘处于紊动能耗散区,提出了一种紊动扩散对出射角影响的修正方法。采用该方法计算的射流紊动扩散角与试验结果更吻合。对出射角修正后,结合简单的抛射体公式,就能较精确地估算掺气空腔长度。     

EXPERIMENTAL STUDIES AND NUMERICAL CALCULATION ON TURBULENT BOUNDARY LAYER OF WATER FLOW ALONG CURVED SURFACE

This paper will introduce experimental studies and numerical calculation onturbulent boundary layer of water flow along curved surface in our country in recent years.Onthe basis of the experimental studies,the effects of curvature and roughness on velocitydistribution and pressure distribution and the change of turbulent flow boundary layer onoverflow bucket concave surface is discussed.We proposed the empirical formula of velocity,pressure and the change of turbulent flow boundary layer on outlet bucket concave.According tothe momentum principle,we have deduced the momentum integral equation full water depthboundary layer and using the element as control unit inside the boundary layer on concavesurface of bucket.Combining with continuity equation,we have computed the boundary layerdevelopment on the bucket of a spillway.Compared with the field experimental data,thecalculation results are available.Under polar coordinates,a mathematical model for simulatingtime-averaged flow characteristics in concave surface of bucket is established.The turbulent flowfield on concave surface of bucket is calculated by SIMPLE method and this mathematicalmodel.The flow velocity field,pressure field,distribution of turbulent kinetic energy,distribution of turbulent energy dissipating rate and distribution of shear stress are available.Thecalculation value is consistent with measured test data.     

浓度及温度场问题三维数值模拟及应用

研究温度和污染物的扩散规律,对于健康河流具有十分重要的意义。在排水口附近,温度和污染物的扩散具有很强的三维性。在已开发的三维紊流水动力模型基础上,研制了浓度及温度场三维数学模型。在模型中,空度用来处理不规则边界,VOF用来处理自由面。另外,模型还采用了k-ε紊流模型和壁面函数。利用建立的模型,对水槽和天然的排水口附近的水位、流场、紊动能及其扩散率、温度场和浓度场的分布规律等进行了模拟和研究。通过研究进一步认识了排水口局部三维水流运动规律,浓度和温度扩散规律及分布。     

混流式水轮机飞逸过程瞬态流动与能量耗散研究

水轮机经历飞逸过程时,其内部将出现流动分离、涡漩及高振幅压力脉动等瞬态水力特性。为明确其在飞逸过程的不稳定流动特性,本文以某典型水头段混流式模型水轮机为研究对象,对其由额定转速过渡至飞逸转速的瞬态流动过程开展研究,数值计算获得的飞逸单位转速及流量与试验测试结果吻合较好。结果表明:飞逸过程中,转轮进口处水流在大冲角作用下形成较强的流动分离,诱发转轮叶片通道产生大尺度的涡漩结构,且随转速升高,涡漩体积逐渐增大,对主流形成强烈扰动。过流部件内均捕捉到低频、宽频特征的高振幅压力脉动,频率范围在0.5倍叶频以下,且对应的转轮域压力幅值最高。进一步,本文基于能量平衡方程分析水轮机能量耗散特性,发现各过流部件能量耗散主要发生在转速上升的初始阶段,且转轮和尾水管内的能量耗散之和超过耗散总量的90%。此外,湍动能生成项和雷诺应力做功项远大于黏性耗散项和黏性力做功项,表明不稳定飞逸过程中的能量输运和耗散主要由湍流主导。转轮内的主要能量耗散位置与涡漩结构位置对应,表明转轮内流动分离诱导的复杂涡漩结构是引起能量耗散的根源,为进一步揭示水轮机飞逸过程的能量耗散机制研究指明了方向。     

高压喷嘴流场及熵产数值研究

为解决喷嘴高压射流过程中的综合性能问题,探索高压水流动物理场,利用计算流体力学理论,改变主动流体的压强,对高压嘴进行数值计算。结果表明:内部产生的熵产值占全部熵产总和的2.64%,熵产产生一种"壁面现象";内部产生的湍流动能值占全部湍流动能总和的13.9%;湍流动能在渐缩段2、3的表面加大,在渐缩段1的增加值较大;且湍流动能随入口压力的增大而增大。在喷口直径范围内,水流动压、出口速度基本都在一个恒定值。轴向动压、速度在渐缩段1、渐缩段2梯度较大,渐缩段3梯度较小,在稳流段1、2梯度最小。     

叶片包角对高比转速离心泵水力性能的影响研究

高比转速离心泵流道宽大,包角的大小将直接影响其水力性能。基于N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对5种不同的叶片包角模型在多种工况下分别进行了数值模拟计算分析,以对不同包角下的外特性变化趋势、叶轮内部的三维流线以及湍动能变化规律进行研究。研究结果表明:(1)随着叶片包角的增大,离心泵的最高效率点表现为先增加后减小,扬程随着流量的增大而下降,当包角增大到一定限值时,下降的幅度最为明显;(2)离心泵叶轮流线在相同的流量下,随着叶片包角的增大,流线愈发平顺光滑且越趋于叶片线型时,叶轮的总压随包角的增大而逐渐减小;(3)在设计工况下,低速区主要集中在叶轮进口的叶片工作面处,随着叶片包角的增大,湍动能逐渐减小;(4)当叶片包角在110°附近时,该泵的水力性能即达到最优。研究结果可为今后对高比转速离心泵的研究提供一定的参考。     

水锤泵内部流道优化及性能研究

水锤泵是一种不用电和油的自动泵水机械,在缺电、无电的山区、农村具有广阔的应用前景。为解决传统设计过程中难以对流道进行评析、研发周期长以及产品性能低的难题,提出了水头损失系数、阀瓣升力系数、阀瓣受力偏心距和出口流速分布均匀度的水锤泵内部流道评价指标和相应的数学模型,建立了采用前扩式和后扩式流道的水锤泵数值模型,并进行了分析对比。前扩式和后扩式流道的水头损失系数分别为4.51和3.72,泄水阀的升力系数分别为4.11和2.23,泄水阀受力来流方向的偏心距分别为0.21 mm和2.02 mm,泄水阀出口的流速分布均匀度分别为47.8%和69.2%。经对比,后扩式流道的水头损失系数和泄水阀升力系数小,受力偏心距大,出口流速分布均匀度高,是一种较为合理的布置形式。选择后扩式流道制造生产了新型水锤泵,在不同作用水头和扬程下进行多工况性能测试,建立了扬水量评估公式,给出了所需的来水量。     

NUMERICAL SIMULATION ON 2-D WATER-AIR TWO-PHASE FLOW OVER TOP OUTLET

Flood discharge over top outlet of dam is simu-lated by 2-dimension water-air two-phase mathematical model.Distribution of dynamic pressure, turbulent kinetic energy (k), turbulent dissipation rate (ε) , free water surface and veloci-ty field have been obtained. The simulated results were testedby physical model, which shows that the computed results areidentical with that of the physical model.     

INTRINSIC FEATURES OF TURBULENT FLOW IN STRONGLY 3-D SKEW BLADE PASSAGE OF A FRANCIS TURBINE

The turbulent flow, with the Reynolds number of 5.9× 105, in the strongly 3-D skew blade passage of a true Francis hydro turbine was simulated by the Large Eddy Simulation (LES) approach to investigate the spatial and temporal distributions of the fully developed turbulence in the passage with strongly 3-D complex geometry. The simulations show that the strong three-dimensionality of the passage has a great amplification effect on the turbulence in the passage, and the distributions of the turbulence are diversely nonuniform, for instance, the rise of turbulent kinetic energy in the lower 1/3 region of the passage is more than 45%, whereas its rise in the upper 1/3 region is less than 1%. With the LES approach, the details of the flow structures at the near-wall surfaces of the blades could be obtained. Several turbulent spots were captured.