不同工况下双吸泵湍流特性分析

为了研究双吸泵内部流场在不同流量工况下的湍流特性,选取SST k-ω湍流模型,利用ANSYS CFX软件对双吸泵内部流场进行多流量工况数值模拟,得到了不同工况下双吸泵叶轮以及蜗壳流道内的湍流流场。分析结果表明:叶轮和蜗壳内的湍动能在设计工况时最弱,涡粘系数同湍动能呈正相关;流量偏离设计工况越大则湍动能越大;正向涡量的存在有助于叶片与流体之间的能量转换,而叶轮流道内的Z向涡量随流量的增大而减小。     

基于模态分析的水轮机故障诊断研究

针对某振动较剧烈的水轮机,通过数值计算模拟水轮机叶轮附近压力脉动情况,并以此为边界条件计算水轮机的振动固有模态,分析其自身结构与异常振动的关联性。研究表明,水轮机运行时,水体压力脉动频率主要集中在24.5和49 Hz附近,即其叶轮通过频率的一倍频和二倍频,尤其是在叶片角度大于0°时,而水轮机叶轮模态分析所得的前2阶固有频率也在49.0 Hz附近,压力脉动频率和水轮机叶轮固有频率具有一定的相似性,因此容易引发共振,这也是该电站水轮机在叶片角度较大时振动较激烈的主要原因。     

不同开度下平面闸门水动力特性数值分析

建立不同开度下平面闸门流体计算域,采用VOF模型和标准的k~ε模型进行三维数值模拟,获得闸门周围的流速、压力、湍动能分布变化规律。结果表明:速度场中闸后产生不同大小的漩涡,且随时间的增加向下游逐渐扩散,闸门开度与其所形成的涡径成反比。在一定条件下,闸门开度越小,涡结构直径越大,容易造成闸门下游泥沙的堆积;湍动能随着闸门开度增大而减小,影响闸门底部及下游水流流态,使局部水流出现漩涡和分离;当闸门开度为0.1m时出现最小压力值且上下游压力差最大。使闸门底部过流面积增大,过闸水流流速降低,可以减弱水流对渠道底部冲刷与破坏,且闸门前后所受压力比较平稳,不易遭受空蚀破坏,有利于闸门安全运行。     

隔板角度对水轮机式液力透平两相流动特性的影响

当水轮机式液力透平在两相工况下运行时,可以在蜗壳内设置隔板来改善透平内的气液流动,提高水力效率。该文基于欧拉-欧拉粒子多相流模型和可压缩气体模型,对蜗壳隔板延伸角度对水轮机式液力透平两相流动特性的影响进行了数值研究。数值结果表明,在15%含气率工况下,透平水力效率下降17%,过流部件损失主要集中在叶轮内。随着隔板延伸角度的增大,透平水力效率呈现先增大后减小趋势,当隔板角度为180°时,叶轮内损失从26%下降至21%,水力效率提高了3%。蜗壳隔板角度对叶轮进口的气液相分布产生影响,继而影响到叶轮进口的液流角分布和叶道内涡的产生。隔板角度为180°时,气相工质沿叶轮入口分布波峰数量和幅值且液流角波峰数量和幅值最低,叶轮内大面积涡数量最小,透平效率最高。     

一种变角度导流装置的水动力设计

借鉴风力机扩散器原理,基于提高冲击式海浪发电装置的发电效率,设计了一种变角度导流装置。低流速情况下,由于导流罩原因,扩大了内部初始海流对叶轮的冲击力,增加海浪利用效率;在高流速条件下,通过变角度逐渐缩小进流口面积,防止内部叶轮超载工作。提取影响导流罩保护性能的因素,应用RNG湍流模型对3个主要因素进行分析,选取III级海浪流流速计算相关数值,最后通过模型试验对其性能进行验证。试验选取半径0.5 m叶轮,入口流速达到8.1 m/s时外部流体冲击叶轮的有效面积为0.058 m2,此情况下不足以启动叶轮。模型分析和验证结果均表明,加装变角度导流罩对叶轮有较明显的保护作用。     

冷却塔能量回收水轮机的叶片数对水力性能的影响

利用PRO/E软件对水轮机进行三维建模,应用k-ε湍流模型和雷诺时均N-S方程对水轮机进行数值模拟,研究了不同叶片数对水轮机各过流部件水力损失、效率以及压强和流速分布的影响。结果表明:随着转轮叶片数的增加,水轮机效率先增大后减小,在叶片数为20时达到峰值。同时,增加叶片数,叶片间的涡带变小,转轮流线旋转环量增大。水轮机各过流部件中转轮损失最大,损失水头在1 m左右。     

水轮机长短叶片转轮三维数值模拟

基于Standard k-ε双方程湍流模型和三维时均N-S方程,进行了混流式水轮机HLA351长短叶片转轮流场的三维湍流数值模拟研究,获得了流道的流速和压强分布.计算结果表明:和常规转轮相比,长短叶片结合的转轮流态较好,流速和压强分布合理,水轮机的全流道CFD分析能够较为准确地预测出水轮机过流部件内的性能参数及内部流场结构.     

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。     

基于CFD的轴流转桨式水轮机气蚀分析

随着CFD的快速发展,使利用流体软件对复杂流场内部流体流态分析成为可能,采用单相流及气液两相流混合模型对轴流转桨式水轮机叶片周围流场进行了数学模拟计算。计算研究结果表明,数值模拟结果与实际情况十分吻合,从计算云图中可以清晰地看出转轮叶片各部的压力分布,为水轮机气蚀原因分析提供了较好的依据。     

轴流式水轮机导流罩与叶轮尾流流场仿真研究

文中提出一种新型轴流、悬浮式潮流能水轮机结构,为提高其潮流能利用效率,采用CFD技术对水轮机外围流线型导流罩内流场与叶轮尾流场进行数值仿真研究。通过对比拟定的10种不同线型导流罩,发现收缩段和扩散段的进出口曲线前后连接点比例mx为0.3的双三次曲线导流罩内流场更加稳定、均匀。为进一步研究导流罩的聚能作用与叶轮尾流场的速度分布情况,实施了有、无导流罩工况下水轮机的数值仿真,结果显示:距离叶轮下游边缘1.25D(D为叶片直径)以内的流场域流速有显著的改变,且加装双三次曲线0.3mx=线型导流罩,水轮机较敞水工况输出功率提高约29%。相关的拖曳水池模型试验验证了数值仿真方法的有效性。     

新型H型叶片潮流能水轮机不同翼型水动力性能分析

为了探究垂直轴潮流能水轮机转轮叶片翼型对其水动力性能的影响,在保持水轮机密实度相同的条件下,采用Fluent软件对4种不同翼型的H型直叶片潮流能水轮机进行了三维流场非定长数值模拟。通过4种H型叶片翼型对转轮动力扭矩特性和水能利用系数的影响,分析了潮流能水轮机水动力性能。结果表明,NACA0015翼型的水轮机单叶片动力扭矩最大值明显高于其他3种翼型;而整体转轮扭矩最大值取决于其不同的来流速度等运行工况。从整体上看,不对称翼型NACA4415的水轮机水能利用效率优于其他3种翼型。本研究为新型潮流水轮机的设计和翼型的选择应用提供了依据。     

文丘里型导管对潮流涡轮机作用荷载和转速的影响

为了提高潮流能发电涡轮机的出力,设计了一种新型涡轮机叶片及其文丘里型导管。通过室内水槽试验,研究了文丘里型导管对低速来流的增速作用和对斜向来流的矫正作用,剖析了自由流不同偏流角、文丘里型导管不同长径比和不同面积比对涡轮机转速的影响。从理论上推导出作用于潮流涡轮机上荷载(推力、转矩和径向力)的计算公式,并结合试验结果分析了潮流作用于涡轮机上的荷载随自由流偏流角及文丘里型导管长径比和面积比的变化关系。结果表明,文丘里型导管可显著提高涡轮机的转速,其大小取决于导管的长径比和面积比；在不同偏流角情形下,转速在长径比为1.5~2.0时最大,即导管不宜太长或太短；转速随面积比的增大而增大,在偏流角为30°时达到极大值；转矩和径向力随面积比的增大而增大,但随长径比、偏流角的变化存在临界值,推力则随偏流角的增大而减小；与自由流情形相比,文丘里型导管不仅可以增大潮流速度,同时还具有矫正偏流的作用,从而提高输入涡轮机的功率。     

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。     

垂直轴潮流能涡轮机水动特性研究

潮流能水轮机日益受到重视,针对其叶轮翼型水动力问题,提出了一种襟翼控制策略,计算不同襟翼翼型的垂直轴潮流能涡轮机水动力学动态特性,对比分析了襟翼控制前、后的垂直轴潮流能涡轮机力矩系数周期性变化规律。结果表明:所提控制策略可在不影响力矩系数均值的情况下,有效降低力矩系数振幅,且非对称襟翼翼型力矩系数振幅小于对称襟翼翼型;通过分析流场结构发现,施加控制策略的翼型尾缘流场较未施加控制策略的尾缘流场细长;襟翼控制叶片转过之后的尾涡贴合于旋转轨迹,对下游流场影响较小,易于耗散;发生大涡分离的方位角范围为160°~260°,叶片内侧涡强增大,而施加控制策略之后,该现象得到很好改善。     

基于Fluent的直管式旋桨反应器三维流场的数值模拟

运用计算流体力学（CFD）软件对新型直管式旋桨反应器进行流场模拟。用Gambit建立三维实体模型,采用多重参考系法（MRF）和标准κ-ε双方程模型对反应器内液相流场进行模拟,运用Tecplot对计算结果进行后处理。结果表明：计算所选模型能较准确地模拟反应器内的流场分布,反应器内最大流速和湍动能分布在桨叶端部附近,流体的整体流动趋势以环流为主,有利于不同区域内物料的均匀混合;相比于单一桨叶反应器,该多组合桨叶反应器能提供更大范围的紊动流场。在模拟物为水体的情况下,本反应器对应的最佳转速是40 r/min,并提出反应器在水环境中的应用方法。     

风电机组风轮表面气流摩擦阻力特性研究

风轮在旋转的过程中,风轮获取的风能中需要消耗一部分来克服空气阻力,因此,叶片的设计中应充分考虑空气摩擦对设计的影响。结合1.2 MW风电机组叶片设计参数,应用黏性流体边界层理论,分析空气与风电叶片之间的相互作用及叶片受到的摩擦阻力,建立了叶片表面摩擦阻力计算模型,得到在摩擦力作用下,输出同样功率需要用弦长来补偿的结论,进一步修正了叶片弦长设计理论~([1])。最后通过Fluent仿真,分析气流摩擦阻力对叶片出力的影响,并与Glauert设计方法和Wilson设计方法进行对比,结果表明:在考虑摩擦力后弦长增加,且在不高于9 m/s的风速下原弦长和桨距角设计理论比Glauert理论和Wilson理论具有更高的功率和风能利用率。     

叶片数对高比转速离心泵固液两相非定常流的影响

为了探索叶片数在固液两相流条件下对高比转速离心泵非定常特性的影响情况,利用ANSYS CFX软件,采用Mixture多相流模型,对4种不同叶片数离心泵的固液两相湍流进行了非定常数值模拟,分析了叶片数对固液两相流离心泵瞬时扬程、压力、压力脉动及径向力的影响。研究结果表明：① 随着叶片数量的增多,固液两相流离心泵的瞬时扬程增大,波动频率变快,蜗壳内及隔舌处的压力值越来越大,波动频率变快,脉动幅值反而越来越小,叶轮上的径向力会减小,隔舌处的径向力会增大;② 不同叶片数的固液两相流离心泵蜗壳内及隔舌处的压力脉动主频均出现在其叶频处;③ 叶片数为5时,是蜗壳的内压力值和压力脉动幅值增减速度快慢的分界点,也是叶轮上及隔舌处径向力大小增减速度快慢的分界点。     

离心叶轮内宾汉流体的密相两相湍流数值模拟

阐述了宾汉流体控制方程的特点,首先对单相的宾汉流体与密相液固两相流进行了计算,计算结果与实验数据吻合较好。其次对离心叶轮内的含颗粒的宾汉流体的两相流动进行了计算,从进口到出口,宾汉流体的速度是减小的,压力随半径增大逐渐升高,而且压力面上的压力大于吸力面上的压力。吸力面上的颗粒拟温度小于压力面上的颗粒拟温度,而且靠近壁面处的大于叶道中的。从减轻叶片磨损角度来讲,双圆弧型线比单圆弧的好,叶片出口角小的比出口角大的好。最后比较了液固两相流与含颗粒的宾汉流体的两相流的流动,颗粒拟温度有较大差别。