基于DEM数据的河道水动力过程数值模拟

河道横断面形状数据是应用数值模型模拟水动力过程必不可少的基础数据之一,然而在我国很多河道缺少断面数据,若进行野外补充测量,须要耗费大量的人力、物力,而且耗时较久。数字高程模型(DEM)数据可以免费下载,获取途径方便,但若直接通过DEM获取断面数据存在两个问题,即水面上数据不精确和无法得到水下地形,就此,作者对获得的DEM数据进行校正以获取河道水面以上断面数据,同时本文首次提出采用三次样条对水面以上数据插值得到水面以下断面数据,从而合成完整的河道断面。将所得断面与实测断面同时代入一维水动力和水质模型THU-River1H进行模拟计算,两者模拟得到的流量和水位过程均吻合良好。本文证明了当径流流量较大或水位较高时,若缺少河道横断面数据,可将基于DEM获取的河道断面代替实测断面进行一维水动力计算,所得结果具有较高的可信度。     

大型立式混流泵装置水动力特性数值模拟

应用k-ε和k-ω相结合的SST湍流模型封闭控制方程,对立轴蜗壳式混流泵装置的内部流动结构进行数值模拟。采用全隐式网格耦合求解,计算中考虑了叶轮叶顶间隙的影响。通过计算获得了泵装置全流场,分析了蜗壳出水室的流态和叶轮的水力特性,预测了泵装置性能并与试验值进行了比较。结果表明：蜗壳出水室内的流动为轴向流动与环向旋转的合成流动,静压分布较对称,出口断面轴向流速分布均匀度和速度加权平均角相对较低;叶片表面的静压分布呈现较为清晰的规律,叶片表面静压分布比较均匀,压力面的静压整体上比吸力面要高;随着流量的增大,叶轮承受的轴向力渐小,而径向力则先减小后增大;数值模拟预测的性能结果与试验的性能结果相比较,前者高于后者,趋势基本一致。     

赣江下游水动力数值模拟研究

赣江下游受江湖关系顶托影响,水流运动极为复杂,水位流量关系年际变化显著。通过建立正交曲线坐标系平面二维浅水方程ELADI（Eulerian-Lagrangian alternating direction implicit method）有限差分方法的水动力模型对赣江河流下游进行了水位,流速与东西河分流比验证和连续十年的分流比模拟,分析了水位流量关系和分流比的变化特征。模拟与分析结果表明,模型高效稳定,计算结果与实测资料吻合良好,可用于河流水动力的数值模拟与预测。     

风机翼型气动特性数值模拟研究

本文基于计算流体力学对风机S809翼型进行了数值模拟,计算了不同攻角下的压力系数分布,结果表明不同攻角下模拟结果与实验数据吻合较好,证明所提模拟方法预测气动性能的可行性,为进一步对翼型进行三维流动模拟奠定了理论基础.     

PEM水电解池反应特性参数的三维模型数值模拟

通过耦合电化学和传质物理场,建立了稳态、单相、三维质子交换膜(PEM)水电解池模型.讨论了不同形式的流场(平行、单通道蛇形、多通道蛇形和交指形流场)对电流密度分布、氧气浓度分布以及压力分布的影响,从而影响对水电解池的性能,并分析了在平行流场中化学计量数对水电解池性能的影响.结果表明,在相同的工况下,交指形流场的性能最差,平行流场的性能最好.同时,增大化学计量数可以明显提高质子交换膜水电解池的性能.     

小山电站下游河道壅冰综合治理

经过实地考察及研究分析,小山电站下游河道壅冰主要由气温、河道地形、发电泄流等因素造成。通过对各种因素进行分析,采取相应措施较大程度减轻了冬季河道壅冰现象,确保了下游沿岸村民的正常生活及下游新建机组的施工,取得了良好的效果。     

冷却塔内冷却水特性三维数值模拟研究

采用三维数值模拟方法对自然通风逆流湿式冷却塔塔内的流场特性进行模拟,可为冷却塔设计改进提供参考。基于Fluent软件和传热传质学原理,应用欧拉-拉格朗日法及标准壁面函数法,采用标准k-ε湍流模型进行封闭,建立了逆流式自然通风冷却塔三维热态数学模型。以9 000 m²的自然通风逆流式冷却塔为例,对无侧风工况塔内空气动力场的三维流场进行数值仿真模拟。首先,对冷却塔出塔水温进行模拟,将计算值与实测数据进行对比,吻合良好,证明所建模型正确合理;继而对塔内冷却水的分布特性进行了三维数值模拟研究,得出水滴下降速度和水滴温度随时间和位置高度的变化及填料层、集水池液面水温分布情况,所得结果有助于塔内配水系统的优化设计。     

卧式旋风燃烧器燃烧特性数值模拟研究

以某液态排渣卧式旋风燃烧器为研究对象,对卧式旋风燃烧器内燃烧特性进行了数值模拟研究,分析了燃烧器旋风筒几何结构尺寸及二次风布置方式对燃烧特性的影响。结果表明,旋风燃烧器的旋风筒长度及尾部缩口直径对燃烧器燃烧特性影响明显,旋风筒长度及尾部缩口直径过长或过短,均会影响煤粉停留时间及旋风筒外圈气流大小,进而影响燃烧器燃烧强度及整体温度水平;本次数值模拟工况下,旋风筒最佳相对长度Lx/Dx=1.3,旋风筒缩口直径相对长度ds/Dx=0.4;二次风布置相对位置旋风筒内流场起主导作用,二次风布置离旋风筒前锥角越远,卷吸回流较弱,燃烧强度较弱,因此升温较慢;尾部回流因二次风喷口后移而加强,燃烧强度大高温区前移,整体温度水平下降,因此二次风布置位置相对靠前燃烧强度及整体温度水平更有益。     

复合绝缘子积污特性的数值模拟研究

为研究棒形悬式复合绝缘子的积污特性,利用COMSOL对其在笔者所在学校风洞条件下的积污特性进行了数值模拟,并将模拟结果与华北电力大学风洞试验结果进行了对比分析。结果表明:两者积污量数量级相同,整体上随直流电压的变化趋势一致且呈"V"形分布,验证了该模拟方法的合理性。藉此,对复合绝缘子自然积污特性进行了模拟研究,分析了污秽质量分数和电压类型对其自然积污特性的影响。结果表明:绝缘子表面积污量随污秽质量分数的增大而增大;污秽质量分数较小时,积污量的增加速度较大,质量分数较大时,反之。在相同条件下,绝缘子表面积污量无论是整体上还是沿各伞裙分布均在施加直流电压时最大,交流电压与无电压情况相似;直流电与无电压情况下各伞裙积污量的差值近似呈"W"形分布。     

煤粉燃烧排放特性数值模拟

研究燃烧污染物排放具有重要意义，数值模拟是一种有效的研究方法，该文利用数学模型，采用后处理方法，在燃烧模拟的基础上，计算了NOx在电厂锅炉炉内的分布情况，对SOx生成采用了常用的反应模型，并根据反应动力学原理，提出了SOx生成模型。在国内首次对800MW锅炉进行了计算和现场测试。其计算所得结果比较符合实际，说明所提出的模型是合理的，该研究对锅炉的设计和清洁运行具有重要的参考价值。     

海勃湾水库库区桥位壅水的冰凌模型试验研究

黄河内蒙古河段海勃湾枢纽是一项防凌、发电综合利用的水利枢纽工程,建成后将对其上下游的防凌安全产生深远的影响.本文通过对冰凌运动模型相似条件的分析,重点以水流条件相似和浮冰运动条件相似为基础,建立了其上游河段约15公里附近的河道模型和冰凌输移模型,按海勃湾水库修建与否、不同流凌密度及不同流量级,对其上游乌达铁路新桥附近开展了多组次冰凌模型试验.试验结果表明,在无水库情况下,小流量级别的流凌相对更容易在桥位处形成卡冰结坝、壅高水位;在有水库的情况下,由于库区回水的影响,不易在库区桥位附近形成严重的冰凌险情,水库的修建,对库区桥位附近的冰情无不利的影响.研究成果对黄河海勃湾河段冰凌运动的模型试验进行了探索性的研究,为分析海勃湾水库的建立对上游库区内桥位附近防凌的影响提供了可供借鉴的参考.     

桥墩局部冲刷三维地形及水流结构特性试验研究

本文开展不同水流条件下单、双墩绕流冲刷试验,基于SFM方法实现冲刷地形三维重构,并使用粒子图像测速技术获取桥墩绕流二维流场,定量分析水流结构与冲刷地形之间耦合关系。结果表明：（1）通过运动摄像重构技术可实现冲刷地形三维重构,冲刷坑为不规则倒置圆锥体,模型前方及两侧冲刷深度最大,后方呈凸起形态。（2）随水流强度增大,坑深与坑径均线性增大,坑后沙堆长度与高度均增大,沙丘“尾鳍”夹角减小。冲刷坑面积与体积均随水流强度增大而增大,且随坑深增大呈开口向上抛物线趋势增大。（3）剪切应力下切作用将形成较深冲刷坑,位于桥墩两侧大尺度流向涡向下游延伸,促进冲刷坑后方倾斜凹槽形成。尾涡分离弱化,挟沙能力降低,桥墩下游出现泥沙堆积。     

Y型宽尾墩与阶梯溢流坝联合消能流场模拟

宽尾墩与台阶溢流坝联合消能在我国水利工程中得到广泛应用。采用有限体积法离散求解,辅以RNG k-ε湍流模型,引入水汽两相流的VOF模型,利用几何重建格式的非恒定流迭代求解生成自由水面,对几何体型采用结构化网格相结合进行处理,从库区到消力池进行了水气两相流的数值模拟。通过模拟其三维流场,得到了整体水流流态、墩后水翅、断面水深等水力特性,重现了抛物线型水气交界面,并将模拟得到水深、消力池底面流速、消力池底板压力与实验数据进行了比较,平均分别误差分别为:#3表孔左边水深7.1%,右边为7.4%;#3表孔底面流速为5%;#1表孔消力池底板压力7.6%,#3表孔消力池底板为6.6%。     

50 kW永磁同步电机内流体流动特性数值研究

为了阐明中小型永磁同步电机内、外冷却介质流动特性,本文以一台50kW表贴式永磁同步电机为例,基于计算流体力学(CFD)以及传热传质学基本理论,根据共轭传热原理,建立较为细致的三维流动与传热的物理模型.应用有限体积元法,对变频供电情况下的永磁同步驱动电机内温度场及流体场进行了数值计算,通过与实验数据的对比分析,验证了其计算结果的准确性以及求解方法的合理性,最后,对电机外部机壳及内部定、转子域内冷却介质的流体流动特性、传热特性以及运动迹线等进行分析,揭示了中小型永磁同步电机冷却介质性能变化规律.     

空冷凝汽器翅片管的数值研究

蛇形扁平管凝汽器在空冷电站的应用上取得了很好的效果,为进一步优化扁平管翅片的物理结构,提高空冷电站凝汽器的冷凝效率,建立了蛇形翅片扁平管凝汽器及直翅片扁平管凝汽器的三维物理模型和数学模型,利用FLUENT软件进行数值计算.进行对流换热系数、流动损失、散热量的对比分析,结果表明:蛇形翅片扁平管翅片的物理结构存在进一步优化空间的可能性,直翅片扁平管具有更优越的冷凝效率.数值计算结果为直接空冷凝汽器的设计和优化改造提供了科学依据.     

斜交实用堰泄流能力及水力特性的试验研究

受自然河床边界条件的限制,中小型水利工程中斜交实用堰经常为设计者采用,但斜交实用堰过流能力的确定,是困扰设计人员的一个技术难题。对不同斜交角（θ = 0°,30°,45°,60°）的斜交实用堰在5种流量下进行20组实验,研究斜交实用堰附近的流场特征,分析斜交实用堰流量系数与其影响因素,给定了斜交实用堰流量计算方法。试验结果表明：等宽度明渠条件下斜交堰流速水头要大于正交堰;斜交堰一般不会出现回流区,其主流方向在堰前均发生偏转;斜交实用堰更适用于低水头运行,但是在高水头下依旧有着比正交堰更大的过流能力;给定的斜交实用堰流量计算公式,计算值与实测值相对误差最大为4.63%,满足一般工程设计的要求,可作为工程设计人员采用时的参考。     

跨海公铁两用大桥电力电缆与铁路共用接地系统的可行性研究

当高压电力电缆通过公铁两用大桥时,电力电缆接地与铁路接地系统需共用接地装置.电力系统单相接地短路时将引起钢轨电位升高,可能会危及铁路运行安全.为此需对电力电缆接地与铁路综合接地系统共用接地装置是否可行进行研究.基于PSCAD与多导体传输线理论建立了包含电力系统与铁路系统的综合模型,研究电力系统发生单相短路故障时,钢轨电位升高对铁路系统产生的影响.仿真结果表明在输电线路短路时引起的钢轨电位抬升没有超过钢轨电位的允许值785 V,电力电缆接地可与铁路综合接地系统共用接地系统.     

分汊河道水流运动特性研究

在边界拟合正交曲线坐标系下,运用同位网格模式和界面动量插值的条件建立了二维水流数学模型,采用天然河段的实测资料对模型进行了验证。运用该模型研究了长江中游弯曲型分汉河道分流区在不同流量情况下水流运动与挟沙力因子的变化规律,为研究三峡蓄水后对坝下游河道的影响提供了研究手段。     

高拱坝表孔宽尾墩水力特性试验研究

采用模型试验方法,对宽尾墩消能工应用于高拱坝表孔后,其下泄水流流态、泄流能力、水垫塘流态及水垫塘底板冲击动压等水流特性进行了研究。结果表明：高拱坝表孔宽尾墩流道内存在自由跌流、急流冲击波及缓流三种流态;当处于急流冲击波流态时,其下泄水舌呈窄而高且长的窄长流态,水舌纵向扩散效果明显,并且宽尾墩体型几何参数变化不会影响其泄流能力;水垫塘底板最大时均冲击动压值随着堰顶水头的增高而增大,随着宽尾墩收缩比的增加而增大,随着墩尾折角的增大而减小,随着坝面倾角的增大而减小。