基于本征正交分解的动边界环形缝隙流场诊断分析

缝隙流动的流体应力脉动、流致振动等瞬态现象往往会对水力机械的稳定运行产生一定影响,以往的缝隙流动层流近似求解与边壁脉动压力测量无法对瞬态现象进行全场的定量描述。本文以有压有限域内的动边界环形缝隙为研究对象,对该流场在完全湍流状态下的物理试验结果进行了基于本征正交分解的全场诊断分析。结果表明:流体应力方面,流场前部的雷诺应力迅速增长,在流场中部维持一定幅值,在流场后部迅速沿程递减。主流沿径向的平均对流输运强度,高出同一工况时径向流沿周向的对流输运强度4~7倍,高出主流沿周向的对流输运强度6~14倍;流致振动方面,功率谱密度函数表示的流场流致振动频谱在同一流量时有着较为明显的分区趋势,对于低频段(0~10Hz)与高频段(120Hz以上)环隙宽度较小时功率谱密度较大;对于中频段(10~120Hz)则是环隙宽度较大时功率谱密度较大。对于环隙流场,环隙宽度的减小对于其较大尺度的流致振动抑制作用较强。此外,使用本征正交分解识别出了流场的拟序结构,并且使用低阶模态对雷诺应力进行重构可以较好的估计流场的雷诺应力。     

不同距径比下管道后车环隙螺旋流脉动强度特性

筒装料管道水力输送是现代物流业中出现的一种新型物料运送方式,有着特殊的优势。通过模型试验的方法,对管道双车在不同距径比S_D条件下后车所形成的同心环隙螺旋流的轴向、垂向、横向速度脉动强度分布特性进行了研究。结果表明:随着S_D的增加,轴向、垂向和横向速度脉动强度的平均值、极差基本保持稳定,标准差、变异系数呈现减小的变化规律;垂向速度脉动强度特征与横向的相似;无论在何种S_D条件下,垂向和横向速度脉动强度都比轴向脉动强度小1个量级,但其变异系数大约为轴向的3倍;管道双车合理距径比为5~7。研究结果可为此技术的工程实际应用提供参考。     

不同转速时贯流泵装置出水流道水力性能分析

为了研究不同转速时贯流泵装置出水流道水力性能的变化规律,采用CFD(computational fluid dynamics)方法对贯流泵装置进行全流道三维数值计算,分析了不同转速时出水流道水力损失及平均速度环量的变化规律,以及不同转速时出水流道内流场及进出口断面速度分布的变化规律,该文对比了物理模型试验与数值预测结果的差异性。结果表明:随流量系数的增加,出水流道进口的平均速度环量先减小后增大。在相同流量系数时,随转速的降低出水流道进口的平均速度环量逐渐减小。不同转速时出水流道进口的平均速度环量数值均不相同,出水流道的水力损失未与流量的二次方成线性关系。相同流量系数时,随转速的增加,出水流道的水力损失逐渐增大。转速通过改变出水流道进口平均速度环量的大小影响出水流道的内部流态,不同转速时贯流泵装置出水流道的内流场已不满足运动相似。     

同型管道双车在不同流量条件下的缝隙流轴向流速特性研究

为丰富筒装料管道水力输送理论,对同型管道双车在不同流量条件下的缝隙流流速特性进行了研究。结果表明:流量增大,缝隙流流速也随之增大;缝隙流轴向流速沿着水流方向呈现先逐渐增大,后趋于平稳,再逐渐减小的规律;在同一测环不同极轴角度上,缝隙流的轴向速度变化波动幅度较小,在棱角为180°时出现速度的最小值;管道双车的前车和后车断面缝隙流流速随着测环半径的增大,速度变化趋势先逐渐增大,后趋于平稳,再逐渐减小。     

不同直径比条件下同心环状缝隙流的水力特性

为了进一步探究动边界同心环状缝隙流的水力特性,采用理论分析与模型试验相结合的方法研究了直径比对动边界同心环状缝隙流轴向速度和动水压强的影响,结果表明:随着直径比k的增大,环状缝隙流的平均速度先增大后减小,且k=0.6时达到最大值。缝隙流的平均速度和圆柱体的运行速度在最优直径比ke处相交,且与管道水流的平均速度相差最小,当Re=137 094和Re=205 640时,ke值为0.7~0.8,且Re越大,ke越小。当k依次为0.5、0.6、0.7时,从圆柱体外壁到管道内壁环状缝隙流的轴向速度先增大后减小,压强先减小后增大;当k=0.8时,轴向速度逐渐减小,压强逐渐增大,并且随着直径比的增大,轴向速度最大值和压强最小值出现的位置都向圆柱体外壁移动。     

不同绕流结构体下水流水力特性试验研究

河道中存在绕流结构体时,水力特性会明显改变,不同结构体对水流水力特性影响有所差异。该文通过水槽试验,研究在同一流量下,丁坝和堆积体对河道水流水力特性影响,分析了不同绕流结构体下水面线变化,及不同绕流结构体对水流流态和偏转的影响。结果表明:在进占比完全一致下,梯形丁坝形态对水流作用最为强烈,水流流态影响最大。由于梯形丁坝存在第一回流区,增大阻流面积使水面线变化最大,方形丁坝次之,堆积体最小。受迎水面坡度影响,丁坝水流偏转最大,堆积体由于结构上更接近于流线型,对水流偏转影响最小,偏转趋势最弱,且随结构体越远水流偏转幅度越小。试验结果初步揭示了丁坝和堆积体对水流影响的差异性与统一性,可为数值模拟提供验证资料,也可对受堆积体影响河道的治理提供一定理论支持。     

立式轴流泵装置虹吸式出水流道水力特性CFD研究

虹吸式出水流道结构形式及内部流动特性对立式轴流泵装置水力性能影响较大,基于定常不可压缩流体的控制方程和重整化群湍流模型应用SIMPLEC算法,模拟了不同型式的虹吸式出水流道轴流泵装置内流动特性。定性地分析了几种经过型线优化的虹吸式出水流道内流场特征,定量地研究了多工况条件下虹吸式出水流道内水力损失及特征断面水流流态的差异。研究表明,在导叶体出口剩余还量的影响下,不同工况下虹吸式出水流道内水流流态存在明显差异;同一工况条件下,不同型式虹吸式出水流道内水流流态也存在一定差异;虹吸式出水流道内水力损失主要集中在驼峰断面前的流道上升段,流道整体水力损失与流量未呈二次方关系;轴向速度分布均匀度与速度加权平均角随着流量的变化呈现相同的波动趋势;随流道上升段倾角的增大(下降段倾角减小),驼峰断面速度加权平均角均值呈逐渐减小的趋势,变化范围在0.1°~2.8°之间,不同方案的驼峰断面轴向速度分布均匀性较好,均值的变化范围较小,在0.1%~2%之间。     

屈服假塑性流体轴向同心环空中速度及温度分布研究

赫谢尔-巴尔克莱(Herschel-Bulkley)流变模式是一个三参数模式，因其精度较高，近几年国内多采用其描述钻井液的流变性。本文将非牛顿流体动量方程、能量方程与H-B流体的本构方程相结合，推导出了流体在轴向同心环空中的速度及温度分布公式。数值研究结果表明，由于H-B屈服应力的作用，轴向同心环空内存在柱塞流动，柱塞的大小与H-B屈服应力孔成正比，与单位管长压力降Δp^*/L成反比。在其它相同条件下，柱塞速度随环空尺寸的增大而增大。随着流变指数L的增大，流核速度变小。柱塞内温度呈对数曲线变化，柱塞外侧温度与内侧温度不相同，从柱塞边界到管壁，温度逐渐减小。越靠近管壁，温度降低幅度越大。     

矩形断面压力管道汇流口局部能量损失

采用水动力学基本理论,对矩形断面有压管道汇流口的水力特性进行分析研究,提出收缩系数及局部能量损失系数的综合表达式,并与试验结果进行了比较。研究结果表明:正确描述管道汇流口水流特性,必须考虑主管和支管的面积、流量的相对大小和交汇角的影响;局部能量损失随流量比增大而增大,随面积比增大而减小,随交汇角增大而增大。     

跌坎型底流消能工淹没射流区流速衰变规律

跌坎型底流消能工消力池内的流态为淹没射流和淹没水跃的混合流态,为了解淹没射流区的水力特性,应用紊动射流理论,分析了淹没射流区主流的扩散规律、主流轴向最大时均速度的衰变规律。采用水力学试验方法,借鉴目前研究成果的基础上,开展了淹没射流区主流轴向最大时均速度衰变规律的研究。通过试验研究结果,推导出以入池角度为控制目标的跌坎型底流消能工淹没射流区主流轴向最大时均速度衰变的半经验公式。     

INVESTIGATION ON THE FLOW STABILITY OF NEWTONIAN FLUID IN ECCENTRIC ANNULUS VIA THE AXIAL RECIPROCATION OF THE INNER TUBE

The governing equation, together with the formulas of the averaged flux and the stability parameter for Newtonian fluid flowing in eccentric annulus via the axial reciprocation of the inner tube was established in the bipolar coordinate system. Numerical calculation was conducted for the measurement of water flow using the formulas above, of which the results agree well with the experimental data. It is shown that the flow instability can be induced by the increase of the stroke, the frequency, and the eccentricity of annulus, making the sucker rod more susceptible to partial abrasion. Some protecting methods, including adding centralizers, adjusting the stroke and frequency, are proposed to protect the sucker rod from the partial abrasion, and satisfactory results have been achieved in the oilfields.     

淹没垂直圆柱周围水流结构及紊流特性试验研究

淹没垂直圆柱虽在各工程领域中均有广泛的实际应用,但还没有关于其绕流场内水流结构及紊流特性的系统研究。通过室内变坡水槽试验对淹没垂直圆柱周围的瞬时流速场进行了精细测量,分析了淹没率对垂直圆柱上下游竖直对称面内三维流速、紊动强度等水力参数垂线分布的影响程度,研究了向下水流、马蹄形旋涡和尾流旋涡等典型水流结构的冲刷力随淹没率的变化规律,揭示了淹没率影响垂直圆柱周围清水局部冲刷的机理。研究结果表明:增大淹没率能够减小垂直圆柱出露于水体中的有效长度,使得垂直圆柱对水体的阻流和扰动作用减弱,也使得垂直圆柱上游迎水面处向下水流、柱周马蹄形旋涡和下游尾流旋涡的冲刷能力被有效削弱,降低了垂直圆柱周围床面泥沙被旋涡体系卷起后顺水流失的概率。     

Numerical Simulation of Unsteady Flow for Visco-Elastic Fluid in An Eccentric Annulus with Inner Rod Reciprocation

The equation governing the unsteady flow of viscoelastic fluids in an eccentric annulus was derived by using the common conversion Maxwell fluid constitutive equation and then discretized by the control volume method. The velocity distribution of flow field was computed by using the ADI method. The influences of the pressure gradient, eccentricity, stroke length, and stroke frequency on the velocity and flow capacity in the flow field was analyzed. The foundation for further research of the eccentric wear problem of the pumping rod in polymer-flood well was laid.     

偏心环空层流螺旋流动的近似解析解

本文分析计算了石油钻井工程偏心环空中内管转动的螺旋流动，将偏心环空的三维流动简化为环空薄层内的二维流动，从黎曼空间曲面张量表达的动量方程出发，求得了偏心环空层流螺旋流动速度的近似解析解。用此方程的同心环空表达式与精确解比较，精度较高。     

同轴套管间涡旋流动及强化传热数值模拟

相对旋转两同轴套管间的涡旋流动,能够带来二次流强化传热传质作用,在航空、水处理、生态保护、生物工程和膜分离等领域都具有广泛的应用价值。本文使用Fluent软件,对同轴套管间涡旋流动及传热特性进行数值模拟,考察了内管转速、内外管壁面温差等操作参数变化对同轴套管间流体传热性能的影响,分析了涡旋流动与传热效率之间的关联关系。模拟结果表明:内管转速增加在流场中形成泰勒涡,涡流扰动增大了高温壁面与流体间的热流密度,增强了流体传热效率。增大内外管壁面温差,也可加强流体传热性能,但其强化作用不及内管转速的强化作用显著。受流场中泰勒涡影响,流体速度、温度及热流密度沿轴向的分布都呈正弦状周期性波动,在相邻两涡交界面处,流体传热性能最好,在涡中心处的传热性能最差。     

大扩散角进水流道水力诊断及优化

为解决大型火电站循环泵顽固性振动,采用雷诺时均N-S方程和Realizable k-ε湍流模型,对1 000 MW超超临界火电机组并联泵循环水流道与循环泵内水力状况进行FLUENT三维数值诊断性分析,模拟研究了进水流道内的流体流动形态、流速分布以及泵体周围和喇叭口周围流场的水力问题,并依此对循环水道进行了优化整流方案研究。研究结果表明,循环水流道前池过短且为不规范矩形,由引水段冲入的流体无法在前池内得到充分发展扩散,吸水室内水流流态严重偏流乃至贴壁流动,近壁流体流速差可达0.3 m/s;喇叭口处截面流速严重不对称,循环水泵周围流场紊乱,来流两侧水流流速差异过大,流速差最大可达0.5 m/s,进水条件恶劣。采取针对性优化整流方案后,进水流道内水流流态分布更加均匀,水泵进水条件得到显著改善。     

不同长细比圆柱绕流的大涡模拟

自从人们对层流圆柱绕流现象有了系列研究及清楚的认识后,逐渐把目光投向湍流的圆柱绕流问题,但高雷诺数下的圆柱绕流具有很强的三维特性,因此在数值计算时模型轴向长度的选取是大家关心的问题。该文基于开源软件OpenFOAM运用LES计算了4种不同长细比圆柱的静止圆柱绕流(包括一个二维算例),重点分析和对比了结果中的一些基础参数如St数、平均阻力系数等,与实验结果吻合良好。文中还进一步分析了时均顺流向速度U在流场中沿流向和横向的分布,发现长细比为π的圆柱算例中,计算域的轴向尺度已经能满足圆柱下游靠近圆柱处的流场中的三维结构的发展。     

水流含沙量和流速对水轮机磨蚀性能的影响

水流含沙量和流速是影响水轮机磨蚀性能的非常重要的两大因素,其影响规律对水轮机磨蚀的防治有很重要的理论意义和参考价值.采用黄河原型沙,通过试验研究不同泥沙含量和不同水流流速条件下水轮机材料的磨蚀外貌、磨蚀失重量和磨蚀失重率.通过对试验结果进行定性和定量分析,得到水轮机磨蚀与水流含沙量、磨蚀与水流流速之间的关系,并得到数学回归式,找出水轮机磨蚀的基本规律,为多泥沙河流水轮机的参数选择与磨蚀防治提供了依据.     

水泥浆流变性分析及其环空流动的数值模拟

偏心环空流动的均匀性在固井工程中有重要影响。通过实验对三种不同配方的水泥浆进行流变性分析,得到适合水泥浆的最佳流变模式是赫切尔一巴尔克莱(H-B)模式。应用Fluent软件对外径0.24 m(9 1/2”),内径0.18 m(7”)的环空井筒内水泥浆流动进行了数值模拟,得到了偏心度、流速以及流体的流变参数对流动不均匀度的影响规律。模拟结果表明,偏心是引起环空流动不均匀的主要原因。随着偏心度的增加,流动均匀性降低;另外,提高流动速率以及降低流体的屈服应力、稠度系数和流性指数有利于环空流动的均匀性。     

浑水水力分离清水装置柱体高度对流场影响的数值模拟研究

基于Fluent软件对浑水水力分离清水装置的流速场进行数值模拟,分析了柱体高度对装置速度场的影响。结果表明:随着柱体区高度的增加,切向速度衰减,无法产生1 cm.s–1数量级的切向速度,并使得正向轴向流速增加,不利于泥沙沉降。当柱体区高度较小时,中心轴线两侧均存在明显的循环涡流,产生的回流将会降低泥沙颗粒向装置顶部清水溢出口流动的可能性,其径向速度数量级非常小,无明显特点。为了在装置内形成良好的弱旋流场,装置高度不宜过高,建议径高比在0.7～0.8之间。