具有弯道的竖井式出水口水流均匀性研究北大核心CSCD

竖井式出水口水流受弯道段和竖直段影响,竖井周边各分流孔出流不易调整均匀,同时分流孔底板附近易出现反向流速。本文在数学模型得到试验验证的基础上,采用RNG k-ε紊流模型,对具有弯道的竖井式出水口流动特性进行三维数值模拟,分析了弯道段体型和竖直段长度对出流均匀性的影响。计算结果表明,渐缩弯道与等直径弯道比较,当竖直段长度均为2D(D为竖直段直径)时,渐缩弯道的竖井式出水口各分流孔出流较均匀;若采用等直径弯道,对应竖直段的长度增加6D^8D时,其出流均匀程度与渐缩弯道的相当。研究成果对抽水蓄能电站竖井式进/出水口的设计具有指导意义。     

抽水蓄能电站侧式进/出水口数值模拟

侧式进/出水口作为目前抽水蓄能电站的主要形式,具有双向水流的特点.本文采用雷诺应力紊流模型(RSM)对侧式进/出水口进行了三维紊流数值模拟,数值计算结果得到了物理模型试验结果的验证,并对三孔侧式进/出水口分流墩间距进行了优化,来流不均匀性对分流的影响进行了定量描述,对弯道后水流的不均匀性进行了探讨.     

抽水蓄能电站侧式进/出水口流量分配研究

对于抽水蓄能电站侧式进/出水口流量分配,规范规定进/出水口相邻中边孔道的流量不均匀程度不超过10%,但实际工程设计难以达到此要求。本文以某抽水蓄能电站上水库侧式进/出水口为例,通过改变进/出水口各体型参数,利用三维紊流数学模型,重点研究了扩散段分流墩中边孔道宽度比、扩散段分流墩中墩墩头位置、扩散段长度等体型参数对各孔流量分配的影响。研究表明,对于4孔流道的侧式进/出水口,调整扩散段分流墩中边孔道宽度比、中墩墩头较边墩墩头缩进距离、扩散段长度,能有效改善流量分配不均匀程度,但相邻中边孔道的流量不均匀程度较难满足小于10%的要求。其他体型参数,例如圆变方渐变段长度,对流量分配不均匀程度的改善作用较小。研究成果对侧式进/出水口的设计具有指导意义。     

侧式进/出水口水头损失系数多元线性回归分析

进/出水口水头损失是抽水蓄能电站输水系统水头损失的重要组成部分,准确计算水头损失是评估电站运行经济效益的重要需求。本文通过数值模拟方法研究了14个实际侧式进/出水口的水头损失系数;利用多元线性回归方法,建立了基于侧式进/出水口体型参数计算水头损失系数的回归方程,分析了侧式进/出水口体型参数对其水头损失系数的影响规律。结果表明：侧式进/出水口体型参数对水头损失系数的影响程度,对出流工况较显著,而对进流工况不显著;出流工况,侧式进/出水口体型参数对水头损失系数的相关性,扩散段长度、扩散段分流墩中墩缩进距离、水平扩散角、垂向扩散角、分流墩墩头中边孔宽度比和反坡段坡比为正相关,调整段长度和防涡梁段长度为负相关;利用回归方程得到的水头损失系数与数值模拟方法的结果吻合较好。本文建立的回归方程为计算侧式进/出水口水头损失系数提供了新方法。     

抽水蓄能电站竖井式出水口三维数据模拟

盖板竖井式进 出水口是抽水蓄能电站采用的形式之一 ,出流工况的水力学问题是其难点问题。本文利用三维k ε紊流数学模型 ,针对西龙池抽水蓄能电站上水库盖板竖井式进 出水口 ,研究了抽水工况出流时竖井扩散段、孔口附近的流动特性 ,探讨孔口底板附近反向流速的成因。数值计算结果得到了物理模型试验结果的验证     

竖井式进/出水口数值模拟策略研究

数值模拟在抽水蓄能电站进/出水口水力设计中的应用日趋广泛,但网格尺度的差异和不同湍流模型的选用均会对数值模拟结果产生影响。为准确、定量地评估二者的影响,本文以西龙池抽水蓄能电站竖井式进/出水口为例,针对3种网格尺度,采用4种常用湍流模型,在进流和出流工况下,对比分析了网格尺度对水头损失系数、流速不均匀系数等水力指标的影响。选用网格收敛指数定量评价各湍流模型在3种网格尺度的数值模拟误差,用以确定合理的网格尺度,在此基础上分析4种湍流模型的适用性。结果表明,在3种网格尺度下各湍流模型的计算结果均处于解析解的渐近域内,且当孔口网格由0.05D加密至0.03D时,数值模拟误差降低最明显。Realizable 模型对进流和出流工况的水力指标预测均较准确,与试验值的相对误差均达到5%。研究成果可为进一步提高进/出水口计算精度提供参考。     

淹没扩散出流不稳定现象研究

抽水蓄能电站上水库的进出水口,在抽水工况下,各个水平分流孔口的出流类似于矩形扩散管嘴的淹没出流。针对国内某一在建的抽水蓄能电站上库进出水口的模型试验;采用先进的量测手段,获得了大量进出水口拦污栅处的三维流速资料,发现出水口的水流流态是不稳定的,除随机的脉动外还存在不稳定的摆动:对各流速分量进行了频谱分析和相关性分析,得出各分量的摆动频率和脉动频率及其互相关系数。研究成果可作为进出水口拦污栅设计的参考。     

抽水蓄能电站竖式进/出水口CFD水力优化

受转弯影响,抽水蓄能电站竖式进/出水口在抽水工况下往往会出现严重偏流,影响电站运行稳定性与安全性。本文采用最新的CFD方法对竖式进/出水口流态的影响因素进行模拟,分析了一系列体型与流态的规律性,提出了组合弯管结合长倒锥体的优化方案。该方案使出流的环向分布和垂向分布都比较均匀。结合具体工程,将原方案和优化方案进行对比,证明优化方案在抽水工况下的上水库孔口出流流态明显改善。     

侧式进/出水口流动分离现象研究

抽水蓄能电站侧式进/出水口具有双向过流的特点,若进/出水口体型设计不当,出流时扩散段易发生流动分离现象,导致拦污栅断面流速分布不均,甚至出现反向流速。本文利用Realizable k-?紊流模型,针对进/出水口出流扩散时的流动分离现象,探讨了垂向扩散角?和水平扩散角?对流动分离的重要程度,垂向扩散角对减弱流动分离、消除拦污栅断面反向流速起主导作用。在此基础上,考虑设计标准对过栅流速的要求,在孔口面积不变的条件下,研究了出流时垂向扩散角对流动分离和孔口流速分布的影响。当隧洞雷诺数Re≤2.7×107、垂向扩散角?≤2.0°时,扩散段无明显的流动分离现象,拦污栅断面不出现反向流速。研究成果对侧式进/出水口的设计和运行具有指导意义。     

竖井式进/出水口工程尺度SPH方法模拟研究

抽水蓄能电站是清洁能源体系的重要调节设施,进/出水口的水力特性直接影响抽水蓄能电站运维和收益。抽水蓄能电站竖井式进/出水口水力特性的数值模拟多采用基于网格的欧拉方法,但由于弯管段体型突变,导致孔口区域流场计算精度下降。为了克服欧拉法网格畸变的不足,本文尝试无网格的拉格朗日光滑粒子流体动力学SPH方法对含弯管段的竖井式进/出水口水力特性进行工程尺度精细模拟。结果表明,通过GPU硬件加速,实现了工程尺度的千万级粒子数SPH模拟计算,结果精度较高;对比模型试验结果,发电/抽水工况下上水库至直管段水头损失系数模拟相对误差为15.79%和19.51%,孔口断面流速不均匀系数模拟相对误差为6.30%和3.20%;对比PIV测量结果,弯管段模拟结果一致性较高,但扩散段流动分离现象较明显;对比不包含弯管段的Fluent计算结果,导流锥附近无漩涡且孔口回流区域面积更小。研究发现,相较于欧拉法,SPH方法更清晰地模拟流动分离、二次流等复杂紊流现象,且在局部体型突变处模拟更贴近实际流动特征,具有较大模拟应用潜力。     

水煤浆流经局部管件阻力特性的研究

在水煤浆综合输送试验台上研究了水煤浆流经渐缩管、突缩管以及90°水平弯管的局部阻力特性,分析了渐缩角、管径比以及弯径比对上述局部管件阻力损失的影响。结果表明,增加渐缩角使得渐缩管的局部阻力损失减少;较小的管径比变化对突缩管的局部阻力损失没有较大影响;存在一个最佳弯径比,使得水平弯管的局部阻力损失最小。随着雷诺数的增加,渐缩管、突缩管以及水平弯管的阻力系数先迅速下降然后逐渐趋于稳定,而渐缩管当量长度与管径的比值Le/D逐渐下降然后趋于稳定;突缩管的Le/D先下降再增加,对于弯管的Le/D则成线性增加。     

竖井位置对双向贯流泵装置水力特性的影响

双向竖井贯流泵作为一种可实现双向抽引的低扬程泵装置形式,在平原城市地区应用广泛,而竖井布置位置一直是工程实际中需要考虑的问题之一。本文通过三维造型软件建立模型,并使用全结构化网格划分方法划分竖井流道、直管流道、叶轮段及导叶段网格,数值计算控制方程为连续性方程、k-ε湍流模型方程和雷诺时均方程并采用稳态计算对双向竖井贯流泵装置进行模拟。计算分别模拟了竖井贯流泵的竖井前置、后置两种情况下泵装置叶轮正向反向运行共计四种运行情况的水力性能特性。结果表明,设计工况下无论竖井后置或是前置,泵装置正向运行效率皆高于反向运行。无论泵装置正反向运行,竖井流道和直管式流道作为进水流道时流态皆较为平顺,水力性能差异不大;泵装置正向运行时竖井流道和直管式流道作为出水流道时尽管因造型不同内部流态有所差异但总体水力损失较小。反向运行时出水流道环量不能被导叶回收,产生能量损失较正向运行大,而此时竖井流道作为出水流道水力性能要劣于直管式出水流道。     

基于特征尺寸规则化的竖井贯流泵装置研究

为了探讨竖井贯流泵装置规则化设计方法,选择了二十余座典型大型竖井贯流泵装置作为统计分析对象,通过分析得出了竖井进水流道和出水流道主要控制尺寸合理取值范围。结合实际工程,基于规则化设计方法,设计了叶轮直径3.2 m的大型竖井贯流泵装置。利用三维湍流数值模拟,分析了规则化设计的竖井进出水流道流动特征、水力损失特性以及进水流道出口的速度分布、速度均匀度和入流角。结果表明,基于规则设计的进出水流道流动平顺,设计工况,进出水流道的水力损失为0.064 m、0.096 m,速度均匀度和入流角为97.63%和87.74°。按照模型比尺10.667设计制作模型水泵装置,构建试验系统,开展了模型水泵装置能量特性试验研究。研究结果表明,基于规则化设计的竖井贯流泵装置在特低装置扬程1.08 m,装置效率达77.5%,设计工况点Q = 25 m3/s、H = 0.62 m的效率达66%,水泵装置效率高。研究结果对竖井贯流泵装置的水力优化设计具有重要指导意义。     

不同配比生物质粉与煤粉混合物的高压密相气力输送压降实验研究

在自主研发的高压密相气力输送实验台上进行不同配比的生物质粉与煤粉混合物的输送实验,对比分析输送不同物料时,直管和弯头等管段的阻力特性,研究结果表明生物质粉与煤粉混合物在此系统上可以稳定、可控输送。在固气体积比μv相差不大的情况下,直管和弯管的压降随着表观气速的增加而增大;表观气速相同时,粉体中煤粉配额增大,各管段压降随之增大。此外,根据Barth附加压力损失理论,运用量纲分析法,考虑气体与粉体密度以及输送几何条件等对压降的影响,得到了各管段的压降回归公式,此公式有较好的预测效果。     

弯管内水煤浆流动阻力的数值实验研究

结合管流法和旋转粘度计法对神华煤水煤浆进行了流变特性测量,得出符合屈服-幂律流体模型的水煤浆流变方程.利用CFD软件平台建立了水煤浆90°弯管的流动模型,通过计算值与实验值的比较,验证了计算模型的正确性.运用正确的计算模型对水煤浆流经弯管的局部阻力系数进行了多变量数值模拟实验,得出了弯管工程设计中最佳弯径比与流速的关系,总结出适合工程应用的水煤浆流经较小弯径比时的局部阻力系数的经验公式.且弯管内最大速度点随弯径比的增大往弯管外侧移动;随弯径比或弯曲角度的增大,弯管内的速度场趋于一致.     

宽尾墩体型对阶梯溢流坝阶梯面掺气和消能的影响研究

宽尾墩与阶梯溢流坝结合的新型消能工,有效的解决了我国高坝泄洪建筑物由于高水头和大单宽流量等引起的高速水流问题。本文应用水汽两相流VOF模型和三维RNG-紊流模型,采用有限体积法进行区域离散,速度与压力的耦合方式采用PISO算法,利用几何重建格式的非恒定流迭代求解,对宽尾墩收缩比分别为0.7、0.445和0.4的Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池消能方式中阶梯面掺气特性和消能特性进行了数值模拟,模拟结果显示,各收缩比条件下,沿程平均掺气浓度略有波动,但总体呈减小趋势,随收缩比减小,阶梯面掺气范围减小。在前几级阶梯面,掺气充分,沿阶梯水平固壁面向外,掺气浓度呈先减小后增大的趋势,而沿阶梯垂直固壁面向下,掺气浓度先增大后减小,相同断面处平均掺气浓度随收缩比减小而增大。在掺气末端的阶梯面上,沿阶梯水平固壁面向外,掺气浓度逐渐增大,而沿阶梯垂直固壁面向下,掺气浓度逐渐减小,相同断面处平均掺气浓度随收缩比减小而减小。阶梯溢流坝消能率随宽尾墩收缩比的减小而增大。     

大型电站烟风管道节能优化及工程应用

为探究大型火力发电厂烟风管道系统优化机理,利用数值模拟的方法,对所建方截面烟道和圆截面烟道模型的流场进行数值计算并分析。结果表明：方截面烟道的内撑杆后存在明显的尾迹涡流区,且流动稳定以后的直烟道有效流动面积仅为烟道截面总面积的79%左右;方截面直烟道和90°弯头的出口速度偏差分别为0.209、0.246,烟道压力损失严重;圆截面烟道内部流动分离相对减少,圆截面直烟道和90°弯头的出口速度偏差分别为0.052、0.146,与方截面烟道相比,压损减少60%以上。同时,通过对某300 MW电厂烟道改造项目的数值计算可知,经过将烟道截面优化为圆形和整体布置优化以后,烟道阻力下降了74.6%,内部流场均匀性得到改善,经济效益明显。