一种可压缩空化相变算法的理论研究和验证

可压缩性被认为对空化流动具有重要影响，但现阶段空化研究中鲜有考虑可压缩性。为明确可压缩性的作用，根据正压流体假设，通过开源CFD软件OpenFoam^?框架，编译了一种可压缩空化相变求解器，重点说明了该求解器的算法，包括控制方程推导、数值处理方法及离散格式和求解策略的选择，并以文丘里管内空化流动为对象，与不考虑可压缩性空化相变求解器的计算结果作对比。结果表明：该求解器能够较为准确预测空化流动，清晰给出空腔周期性演化过程；考虑压缩性后，空腔溃灭所产生高压会以压力波形式传播、反弹和叠加，产生高频压力脉动，抑制空腔发展并加速空腔脱落，引起速度场严重失稳，导致出口流量发生高频脉动。     

固液两相湍流和颗粒磨损的数值模拟

基于两流体模型，建立了固液两相流中更一般的Ｋ－ε双方程湍流模型，模化了固相和液相的连续方程，动量方程及Ｋ方程和ε方程，在这些模化方程中，考虑了固液两相间的滑移，颗粒间的作用及相间作用，使用本文所建立的流模型和粒磨损模型，可 液两相湍流中的流动特性和颗粒对过流部件的磨损率，本文给出了一水轮机导叶在含沙水流中的过流特性及磨损情况的数值模拟，预测结果与实验结果比较一致。     

曝气池中气液两相流速度场分布的实验研究与数值模拟

气液两相流广泛存在于水利工程、废水处理等领域,其在气液装置中的流型流态及速度场分布可直接影响装置运行效能。本文采用实验研究与数值模拟相结合的方法,对圆柱形气液装置进行PIV实验,获得了准确的气液两相流气相速度场分布;在充分考虑湍流、曳力、升力、湍流分散力等作用下,采用欧拉-欧拉双流体模型和气泡群平衡模型对气液两相流流场进行了数值模拟,并将模拟结果与实验结果进行验证,所得结果误差控制在10%左右。结果表明,本文提出的模拟方法在气液两相流模拟中能够得到较准确的两相流动规律和速度场分布情况。     

水轮机转轮固液两相三维紊流计算及磨损预估

本文在两流体模型的基础上，使用贴体坐标的有限体积法，利用有科氏力修正的κ-ε-Ap两相流紊流模型建立了水轮机转轮内部的三维泥沙固液两相紊流计算模型。模型中求解了考虑压力对固粒相影响的时均Reynolds动量方程，并利用泥沙相的速度和浓度分布，数值计算了转轮的泥沙磨损。为了验证模型的可行性，用该模型计算了刘家峡HL001-25模型水轮机转轮内部的三维泥沙固液两相紊流流动，数值预估了转轮的泥沙磨损并与磨损试验结果进行了比较。     

圆形弯管气液两相流数值模拟

采用双流体模型建立了基于贴体坐标和有限体积法的气液两相湍流全三维计算模型,模拟了180度圆形弯管内气液两相流动。模型中连续相(水)采用了考虑分散相(气泡)分布影响的κ-ε两方程的湍流模型;分散相采用代数湍流模型。模型将分散相按气泡分组,可以考虑不同尺寸气泡对流动的影响,提高了计算精度。在两种来流条件下,对180度圆弯管内部三维两相湍流进行了模拟,计算中将气泡按大小分为两组,通过数值模拟获得了弯管内部三维两相湍流的压力、速度和气泡体积率分布等数据。气泡体积率分布的计算结果与实测结果吻合良好。     

入口含气率对深海多相混输泵性能影响研究

该文以标准状态下的水(连续相)和空气(离散相)作为流动介质,基于Eulerian-Eulerian非均相流模型,在不同进口含气率工况下对离心式深海多相混输泵内部流动特性进行数值模拟计算,研究离心式深海多相流混输泵的内部流动特性。通过获得叶轮和扩压器内部相态分布情况以及液相速度流线图,探索气液两相流在混输泵内部的流动规律。结果显示:气液两相工况下,混输泵从首级到末级的增压能力变化趋势相同,不同含气率下,末级混输泵的增压能力变化更大,含气率越高对增压能力影响越大;在低含气率下整个流道内的气相分布很均匀,气相更多聚集在叶片吸力面及出口边附近且有沿着叶片吸力面向叶轮出口运动的趋势,当进口含气率大于10%后,叶轮流道内叶片吸力面处出现较为明显的相态分离现象;不同含气率下叶轮和扩压器内压力脉动幅值变化趋势相似,幅值随着含气率的增加不断上升,通过实验结果验证了数值计算所采用的计算模型和方法是可靠的。     

基于RANS方程的舟桥水阻力预报

本文采用RANS方程及VOF模型计算绕舟桥的自由表面粘性流动。计算中使用RNGκ-ε湍流模型结合非平衡壁面函数，自由液面的确定采用几何重建方法。讨论了数值计算中网格质量、时间步长对阻力预报结果的影响。计算结果与实验值的比较显示，只要合理地划分网格并选择恰当的控制参数，数值计算方法可以辅助实验方法，用于舟桥水动力性能的预报。     

压力脉冲在井眼气－液两相流传播的数值模拟

本文对压井期间节流阀调节过程中压力脉冲在井眼环空气－液两相流中传播速度进行了数值模拟。建立并求解了一维拟线性双曲型偏微分方程组，从而能够给出气侵后环空气－液两相流分布和在压井期间的气－液两相流分布。同时导出了压力脉冲在气－液两相流中传播速度公式，给出了计算节流阀调节间隔计算方法。举例计算出了节流阀调节后压力脉冲经过钻柱泥浆及环空流体中传播时间。利用本方法可以适时调节节流问，使压井期间井底保持较恒定的压力，从而真正符合并控理论。     

基于气液两相流模型的水轮机数值模拟研究进展

随着水电站机组容量不断增大和计算机技术的飞速发展,传统的数值模拟手段已不能满足人们对深入分析水轮机性能的要求,因此更贴近实际、结果更准确的基于气液两相流模型的数值模拟越来越受到人们的关注。介绍了气液两相流动的主要计算模型,概述近年来国内外水轮机气液两相流数值模拟进展,重点阐述在其应用于水轮机空化性能、尾水管压力脉动等方面的研究成果和应用前景,并对需要进一步深入研究的问题及研究中应遵循的一些原则作出初步探讨。     

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...     

ELASTICITY EFFECTS ON THE WATER IMPACT OF AN ELASTIC FLAT-BOTTOM BOX

To elucidate the effects of elasticity the hydrodynamic impact of a 2-D flat-bottom shell box onto a water surface was investigated in detail using the finite element code Dytran. An ALE coupling algorithm was employed to handle the interactions between the box and the fluids. In this study, both air and water were treated as compressible fluids and their properities were modeled through the equation of states. Calculated results show that the air cushion plays a very important role buffering the impinging. Under the deformed concave bottom an air cushion layer will be easier to form up. For high impact speed, the pressure for the elastic box is much lower than that for the rigid box. Excited by the impact, the impinging box oscillates with about its natural frequency.     

空泡在任意流场中的运动研究

本文从理论上较全面地分析了空泡在任意流场中的受力，在空泡运动中，考虑了变形场、有气体扩散、流体的可压缩性等因素的影响，建立了空泡在任意流场中的三维运动控制微分方程，给出了计算空泡运动的数值方法，并求解了空泡在一混流式水轮机转轮流场中的运动。     

虹吸管气液两相流压降特性试验

通过系列试验量测了不同安装高度、不同水位差时虹吸管水平管段的压降、含气率及过流量,探讨和分析了虹吸管气液两相流压降的变化规律及气液两相流流型不同时影响管道压降的因素。结果表明,气液两相流管道压降与液相满流时压降规律相同,即压降值随管道水头的增大而增大;但是,与液相有压管流不同,水位差一定时压降值随安装高度的增大而减小。当虹吸管内为气泡流时,气泡存在对沿程阻力系数λ影响很小,可忽略不计。管道实测压降小于计算值的原因是气液两相压降减小率等于流速减小率。当虹吸管内为过渡流和气团流时,气液两相压降减小率与流速减小率相差较大,实测压降的减小不仅与流速减小有关,含气率的大小对气液两相压降的影响也不可忽略,含气率的增大使气液两相流动阻力增大,即压降增大。     

Unstructured finite volume method for water impact on a rigid body

A new method is presented for the water impact simulation, in which the air-water two phase flow is solved using the pressure-based computational fluid dynamics method. Theoretically, the air effects can be taken into account in the water structure interaction. The key point of this method is the air-water interface capture, which is treated as a physical discontinuity and can be captured by a well-designed high order scheme. According to a normalized variable diagram, a high order discrete scheme on unstructured grids is realised, so a numerical method for the free surface flow on a fixed grid can be established. This method is implemented using an in-house code, the General Transport Equation Analyzer, which is an unstructured grid finite volume solver. The method is verified with the wedge water and structure interaction problem.     

CAVITATION CONTROL BY AERATION AND ITS COMPRESSIBLE CHARACTERISTICS

1. INTRODUCTION So far a lot of high dams that are greater than 100 m in height have been constructed in China. And many super high dams over 200 m in height, such as those at the Ertan and Longtan Hydropower Stations, were completed or are under construc…     

EFFECTS OF ENTRAINED AIR MANNER ON CAVITATION DAMAGE

Early in 1953 the experiments by Peterka proved that air entrainment has effects on decreasing cavitation damage.This technology has been widely used in the release works of high dams since the inception of air entrainment in the Grand Goulee Dam in 1960.Behavior,mechanism and application of air entrainment for cavitation damage control have been investigated for over half century.However,severe cavitation damage happened due to complex mechanism of air entrainment.The effects of air entrainment are related...     

气液两相流的工程应用研究

本文应用气液两相流的基本原理,结合工程实践,论述水中喷射气流形成的气液两相流的工程特性和设计计算原理,以及在制备固壁泥浆、浆液搅拌、水中清渣、气泡帷幕防震、防冰、拦鱼、大坝防震等方面的应用前景。     

虹吸管内气团流流型时过流能力计算

该文针对非驼峰式正虹吸管道进行了系列试验,量测了不同安装高度、不同水头差时管内呈现气团流流型时的过流能力和截面含气率。试验结果表明,气团流流型下虹吸管道过流能力随虹吸管安装高度的增大而减小,不能采用常规有压管流公式计算气团流流型时虹吸管过流能力。基于试验结果分析了影响气团流过流能力的因素,结果表明气体存在对流动沿程阻力系数影响不可忽略,过流能力计算时不能直接采用单一液相流动沿程阻力系数。不同安装高度时虹吸管内过流面积减小不是导致输水流量减小的唯一因素,除了考虑过流面积减小对过流量的影响外,还应考虑含气率大小引起的μ_0或λ变化对流量的影响。结合试验结果和数值分析,推导出适用于气团流流型下伪空化现象明显、安装高度不大于8 m的水平管段较长考虑含气率大小的虹吸管流量系数计算公式,修正和完善了有压管流过流能力计算公式,经检验公式计算误差小于±7%。     

可压缩掺气水流的一维特征分析

本文简要介绍了由双流体连续介质模型导出的简化的封闭可压缩掺气水流基本方程组，推导出一维情形中的特征方程。     

静水中气泡帷幕产生水平流的数值模拟研究

本文以变密度单流体的连续性方程、雷诺平均方程和k-ε方程为控制方程,采用VOF方法追踪空气和水的界面,通过在连续性方程中添加附加质量源,建立了静水中气泡帷幕的数学模型。数值模拟得到的静水中气泡帷幕产生水平流的特性与Bulson的试验结果吻合较好。通过对数值计算结果的分析得到不同供气量Q时气泡帷幕产生的水平流速度Vm,水平流厚度d等主要特征,对气幕防波堤的消波性能研究具有指导意义。