可逆转轮三维流动的涡动力学诊断研究

本文将涡动力学理论引入可逆转轮内的双向三维流动诊断中，从叶片对流体做功能力分析过流部件的设计状况，通过对沿流线的截面上总压流积分的分解，找到产生对总压不良影响的动力学根源和位置，并利用叶片表面的边界涡量流分布来分析对叶片力矩产生不良影响的区域，为改进转轮流动设计提供直接的诊断依据。     

混流式水轮机转轮的涡量场分析

本文利用涡量场和边界拟涡能流BEF（boundary enstrophy flow）,对混流式水轮机转轮叶片进行了性能评价和优化。在转轮三维湍流数值计算基础上,通过控制拟涡能在叶片表面的分布,能够提高转轮最优工况下的水力效率。优化后转轮叶片表面的拟涡能比原型有明显改善,转轮流场的流动状况也明显改善,说明基于涡量场的分析对于混流式水轮机转轮叶片优化能够起到一定的作用。边界拟涡能流BEF能够从能量角度反映流体和固体之间的相互作用关系。     

浸没边界方法在翼型绕流大涡模拟中的应用研究

本文首先给出了有限体积数值离散中,采用双线性速度插值的直接强迫力浸没边界方法的数值实现公式推导;采用该方法对翼型绕流进行了大涡数值模拟的初步研究,大涡模拟的亚格子应力采用基于Germano等式和尺度相似假设的SDP动力模式,模拟结果与文献的DNS结果一致,表明SDP模式于本文的浸没边界方法的结合可以实现对复杂流动的精确模拟。     

混流式转轮内部流场的涡动力学分析

本文通过理论分析,推导了水轮机叶片所受力矩的涡动力学表达式,阐述了用涡动力学分析从全局和局部诊断水轮机内部流动的原理。用数值方法对混流式水轮机的转轮内部流场进行了计算,采用了全三维全流道的湍流计算方法,基于标准k-ε湍流模型和SIMPLEC数值方法,从导叶进口到尾水管出口,包含所有流道在内的整体一次完成计算。根据得到的流场数据,对转轮内部流场进行了涡动力学分析,得到了叶片表面的BVF分布和表面摩擦力线的分布,进行了全局和局部流场诊断,通过和用压力、速度等传统分析方法的对比,结合试验数据,验证了涡动力学分析方法的实用性。     

涡旋射流控制扩压器分离流动的大涡模拟

为研究涡旋射流对湍流边界层分离控制的机理,基于大涡模拟方法建立了具有涡旋射流、扩张角为14°的圆锥扩压器数值分析模型,计算结果与相应试验数据吻合良好,验证了计算模型的合理性与精确性。通过对特征截面上流场参数的详细分析,获得了射流导致的复杂涡系形成过程,发现了射流孔附近的强涡来源于剪切层涡,剪切层涡经过破碎和耗散,在射流下游近区发展为强弱不对称的反向涡对,在下游远区形成一个纵向涡旋,该涡旋将主流流场边界层外的高能流体卷入到边界层内,增加了边界层内部的流动能量,从而延缓或抑制了流动分离。与相同条件下未采用涡旋射流控制的扩压器相比,其压力恢复系数增加19.8%,表明涡旋射流是一种有效的边界层分离控制方法。文中还分析了不同射流孔数和射流倾斜角对于压力恢复系数的影响,发现选择合适的涡旋射流孔数及其射流倾斜角等参数,可以更有效的控制扩压器内流动分离。     

大涡模拟在水力机械内流数值模拟中的应用

分析了大涡模拟湍流模型的优点极其二维简化形式,推导了弱可压缩流体流动控制方程.在此基础上对射流泵内非定常流动进行了数值模拟,得到了合理的计算结果.计算中采用了不同的大涡模拟系数.     

气膜冷却流场的大涡模拟

采用LES(大涡模拟)对单个圆形喷孔横向紊动射流流动进行了数值研究，模拟了吹风比M=2.0工况下的不同截面上的涡量随时间发展变化的过程,并对各种涡的流动机理进行了分析。结果表明：对称面的正反涡和垂直截面的马蹄形涡的两翼交替周期性地脱落成新的涡；由于尾迹涡的进入，在近下游X/D<4.0区域内，反向涡旋对的旋涡强度沿流向没有明显衰减，而在 X/D>4.0的区域，其旋涡强度沿流向单调衰减；反向涡旋对的正反向涡旋形状不对称，且正向涡旋里夹有反向旋转的涡，反向涡旋里夹有正向旋转的涡。     

水力机械内部弱可压缩流体模型

介绍了小马赫数下弱可压缩流体流动的模型,对该模型的数值求解方法和应用情况也做了叙述。     

流体机械非定常流动的涡方法数值模拟

本文描述了一种建立在拉格朗日框架下涡方法的具体算法,主要包括：涡量边界条件的给定,涡量输送方程中拉伸项及粘性扩散项的数值处理,以及根据流场中离散涡元的分布计算流场压力的积分方法。利用该方法对有代表性的流体机械非定常流动现象进行了数值模拟,结果表明基于涡方法基础上的数值模拟法是非常适合于数值模拟流体机械非定常流动。     

戽流的三维大涡模拟研究

本文采用大涡模型和VOF模型对台江水电站模型戽流消能试验进行了三维数值模拟,数值仿真所得到的水位流量关系曲线、水面线与试验结果吻合得比较好,可作为工程设计、运行管理的依据。同时计算结果还能反映水面波动,与试验观测到的现象基本符合,为进一步深入研究水力波动和下游冲刷的大涡数值模拟提供了基础。     

材料氢脆涡流评价的有限元仿真研究*

针对扩散氢在材料内部渗透和聚集引起的氢脆问题,提出了一种基于涡流信号的表征方法。以电化学充氢试样为研究对象,首先基于Fick定律计算了电化学充氢过程中试样的氢分布,然后基于电磁感应原理运用COMSOL Multiphysics建立了不同氢分布状态下材料氢脆的涡流检测有限元模型,通过数值计算分析时谐电磁场激励下试样的感生涡流场分布及检测线圈的电磁场量图,并通过原位拉伸实验定量表征氢脆程度,最后分析了氢脆指数-涡流响应信号之间的关联机制,进行实验验证。研究结果表明,金属材料的氢脆程度与所含氢含量密切相关,时谐电磁场作用下的涡流信号与氢脆程度呈现线性相关,验证了材料氢脆涡流评价的有限元模型的有效性。     

突扩突跌侧空腔掺气水力特性大涡模拟

基于模型试验和大涡模拟紊流模型及具有自由面追踪功能的VOF单流体模型,对中闸室出口处突扩突跌掺气设施侧空腔长度和侧墙上的水力特性进行了试验和数值模拟研究。试验与数值模拟结果表明：大涡模拟可以更为精细地揭示近壁水流特性。本文的掺气设施可形成较长的侧空腔,水流与侧墙接触后侧墙上未见负压区存在,水流对侧墙的动态冲击会在靠近侧墙的下游水流中形成大量气泡;较大的水翅不利于侧空腔的掺气,并会引起下游水流产生不利的流态。     

大宽深比变曲率弯道水动力结构大涡模拟研究

弯曲型河流是自然界常见的河流形态，弯曲引起主流、二次流与湍流紊动相互作用，产生复杂的水动力结构，影响河流演变和物质输运。目前相关数值模拟及试验研究多针对小宽深、常曲率弯道，与天然河流大宽深、变曲率形态存在较大差异，为了揭示与天然河流相近的弯道水流运动特性，本文针对大宽深比正弦派生曲线弯道三维水流运动进行大涡数值（LES）模拟研究，结果表明：零曲率断面中心区域二次流沿河宽方向分布最为均匀，回流区范围最大，在大宽深比弯道中，回流区范围最大可达断面面积的15.5%。大宽深比弯道中部流动受到弯曲边界约束较弱，主流区内顺流向流速分布较小宽深比工况更接近于顺直矩形明渠，大宽深比情况下，主流核心区集中在弯道中线附近0.5 ~ 1倍水深范围，随着宽深比增大，弯顶附近涡量绝对值增大，对下游的影响范围增大。大宽深比弯道中水流紊动能整体水平较低，紊动能等值线分布和顺流向时均流速等值线一样，均受二次流影响，主流区中心紊动能最小，主流和局部回流区间的剪切层紊动能最大。     

大型发电机定子排间绝缘老化的热性能分析

针对大型电机排间绝缘可能发生的绝缘老化或故障情况,分别采用了等效和实际处理的方法对其进行了分析。建立了定子径向通风沟内的二维流体场的物理模型和数学模型,采用有限体积法对其进行了求解,确定了各散热表面的散热系数;建立了定子三维温度场的物理模型和数学模型,采用有限元法计算了不同处理情况下的定子温度场,明确了定子排间绝缘对定子温度场的影响。     

基于沉浸边界法的轴流泵内鱼体运动数值模拟

为精细分析鱼类在水力机械流道中的运动特性,本文以轴流泵为例,采用沉浸边界(immersed boundary,IB)与流固耦合(fluid-structure interaction,FSI)及大涡模拟(large eddy simulation,LES)相结合的方法,对泵内流场及鱼体通过泵流道的运动过程进行了数值模拟...     

三峡水轮机的非定常湍流计算及整机压力脉动分析

本文对三峡原型混流式水轮机进行了三维非定常湍流计算，得到了水轮机的非定常流场，预测了尾水管内、转轮前、活动导叶前、固定导叶前和蜗壳进口的压力脉动。通过与模型试验结果进行比较可以看出，本文提供的计算结果能够准确预测水轮机内的压力脉动。分析结果表明，尾水管内涡带及转轮与活动导叶间的动静干扰是产生压力脉动的两个主要脉动源，并在整个水轮机流道内传播。     

有限元和有限体积法结合的油浸式变压器温度场计算方法

油浸式电力变压器是电网中的重要设备。为了准确得到油浸变压器的温度场,文章经过对比有限元和有限体积法的各自优点,提出了一种新的变压器温度场分布的混合计算方法;以一台110 kV/31.5 MVA变压器为例建立立体模型,并利用有限元和有限体积混合方法,得到变压器的温度场分布结果。通过对比运行监测到的变压器顶层油温数据和混合方法得到的计算结果,结果表明,混合计算方法的计算结果与监测数据的平均误差只有1.6℃,证明了这种计算方法能更准确计算油浸式变压器的温度场。     

大型立式泵站簸箕型进水流道三维紊流数值模拟

针对典型的簸箕型进水流道 ,应用紊流模型对流道内部流态及水泵吸水管各断面流速分布进行了数值模拟 ,计算结果符合实际情况。数值计算揭示了簸箕型进水流道内流动规律 ,进水流道吸水管下方存在奇点 ,如相关设计参数不当易产生漩涡。根据计算分析 ,提出大型泵道簸箕型控制参数 ,对于工程设计有重要参考价值     

原型水轮机的非定常湍流计算和尾水管压力脉动分析

本文对三陕原型混流式水轮机进行了三维非定常湍流计算,得到了水轮机的非定常流场,预测了尾水管内的压力脉动。通过与模型试验结果进行比较可以看出,本计算能够比较准确地预测尾水管内的压力脉动。本文还根据计算结果分析了尾水管内非定常涡带产生和传播的原理。