涡旋式流体机械非稳态数值模拟及泄漏流动分析

结合动网格技术建立了包含径向间隙与轴向间隙的涡旋流体机械三维非定常数值模型,对其在不同压比下的流场和性能进行模拟计算,并采用性能实验对模型进行验证。结果表明径向间隙泄漏的速度远大于轴向间隙的泄漏速度。径向间隙内的泄漏为紊流而轴向间隙内的泄漏为层流,最大泄漏量均发生在排气开始后。对不同转角下径向间隙泄漏量进行了计算和分析,并与喷管模型的泄漏量计算结果进行对比确定了修正系数。当泄漏间隙两侧压比高于临界压比时,径向间隙内最大马赫数大于1而轴向间隙内最大马赫数小于1。该研究将为预测和降低间隙泄漏量,提高涡旋流体机械的性能提供理论依据和手段。     

动网格技术数值模拟挑流冲刷过程

实际挑流泄洪消能时冲坑及堆丘的形成是一动态过程，已有对挑流冲刷的数值模拟多考虑平衡冲刷坑情况，本文采用动网格技术模拟挑流冲刷的时因河床边界变化引起的流场变化过程，控制方程组由非正交同位网格有限体积法求解，计算结果表明，本文方法是有效的，正确地反映了挑流冲刷过程中流场结构衣速度，压力等参数的变化。     

桥墩局部冲刷发展过程的三维动网格模拟

基于FLUENT软件的动网格更新技术和用户自定义函数功能实现了桥墩局部冲刷过程的三维动态模拟。以Melville经典冲刷试验为原型,建立数值模型。将河床面设置为主要的动边界,当床面结点瞬时剪应力大于临界剪应力时,结点位置下移,表现为冲刷,引入Van Rijn提出的沉积输运函数来控制河床面各结点的运动速度。数值模拟结果在流场形态,冲坑发生发展过程及冲坑形态均与试验结果较为吻合,模拟的冲坑深度略小于试验结果,误差约13%。误差产生的主要原因为基于雷诺平均N-S的湍流模型不能有效地反应钝形桥墩前端湍流脉动的影响。     

非均匀进流对螺旋桨空化水动力性能的影响

以全附体SUBOFF潜艇桨盘面处标称伴流作为七叶大侧斜桨的非均匀进流,分析了对空化引起的推力和力矩崩溃性能以及叶背梢涡空化初生的影响,描述了非均匀进流条件下空化时推力和力矩的脉动特征、桨叶空化面积和空化形态随周向位置的变化,并给出了伴流中螺旋桨是否出现叶面片空化的区间划分。空化模拟时采用改进Sauer空化模型和修正SST湍流模型。梢涡空化初生依据作者提出的当σ>σi时,叶截面压力系数分布不再改变的相对准则来判定。结果表明,伴流能够有效延迟该桨叶面片空化初生,但同时会使叶背片空化初生提前且空化范围明显增加;在对应敞水效率最高的工况点,伴流使得该桨因空化引起的推力下降起始点较均匀来流时提前量大于7.1%,且叶背梢涡空化初生提前量大于6.7%;即使在空化较为严重的情况下,该桨在伴流场中的推力和力矩脉动幅值也很小;由于桨叶旋向的影响,一周内桨叶空化面积对于艇尾左右舷空间并不完全对称。研究结果可用于分析大侧斜使艇尾桨空化初始航速提高一定程度的现象。     

混流泵瞬态加速流空化的数值模拟与实验研究

该文针对名义比转速为800的某一混流泵模型,采用shear stress transport(SST)k-ω湍流模型和Zwart空化模型,通过自编程序控制转速和流量变化,实现了启动过程空化流的精细化数值模拟;研究了加速流过程叶轮内瞬态空化的演变过程,并结合高速摄影实验验证了数值模拟结果的准确性;定量分析了混流泵加速流过...     

大涡模拟在水下航行体周围黏性流场计算中的初步应用

在空间过滤得到的不可压缩流动的大涡模拟控制方程基础上,利用基于三阶迎风偏置格式的混合差分及二阶中心差分离散控制方程的对流项及耗散项,离散得到的线性方程组通过无矩阵计算的隐式LU-SGS（Lower-Upper Symmetric Gauss Seidel）分步迭代方法求解.利用大涡模拟（Large Eddy Simulation-LES）方法对水下航行体周围的黏性流场及水动力进行了定常数值模拟,计算得到的速度、压力分布及阻力值与试验吻合较好.     

水库一维非恒定流数值计算

本文根据质量守恒定律重新推导了描述天然洪水控制方程组中的连续性方程,并用河段的体积和流量的微分方程表示。由动量定律可知,河段水体作用的动量其与河段进出口断面的动量之差及河段受力有关,对规则河段和不规则河段均采用同一描述方法。上边界条件为水库入流过程浅,下边界条件可采用水位流量关系、水位过程线.水库大坝作为内边界条件。以一维非恒定流方程组的加权四点隐式差分格式,求解各预报断面的流量过程、水位过程、最高水位、洪峰流量和洪峰出现时间。     

一维河网非恒定流计算程序的初步研究

对以水位、Z、流量Q为未知数的河网水流连续性方程和运动方程采用普列斯曼（Preissmann）4点隐格式进行离散得出差分方程，用三级解法求解，即将水位或流量未知数集中到汉点上，先解出汊点未知数，然后再将各河段按单一河段求解。这种方法可以减少无效的运算和存储量，提高计算效率。采用专门研究编制的计算程序对一个实例进行了计算，其计算结果合理。该方法可用于实际工程计算。     

圆射流在非恒定横向流中的掺混扩散

运用RNG k-ε湍流模型对圆射流在非恒定横向流中的的混合、扩散行为进行了数值模拟研究。采用计算流体动力学程序FLUENT解控制方程。选择了与前期实验模拟相同的2组参数进行数值计算，浓度场的数值与实验结果符合得很好。计算和实验结果显示，射流在非恒定横向流中的扩散行为与在恒定流中的情形存在显著差别，横向流的不稳定性有效地提高了射流的掺混扩散能力。     

面向对象方法在河网非恒定流计算中的应用

运用节点一河道模型将河网划分为性质单一的子河道,子河道之间依靠节点来联系。并依据子河道的圣维南方程组和节点的补充方程。提出了整个河网非恒定流的计算方法。采用面向对象的程序设计语言。基于类的数据封装特性,分析了河网非恒定流计算程序中河道类、断面类、矩阵类以及节点类的实现方法。     

二维翼型非定常运动数值模拟

本文应用商业软件FLUENT进行数值模拟。首先将静止圆柱和旋转振荡圆柱绕流的计算结果与文献[18]进行了比较,接着对典型二维翼型沉浮振荡的计算结果与实验图像进行了比较,以此验证了用Fluent软件计算非定常运动的可靠性。在此基础上,本文对二维翼型沉浮、俯仰以及沉浮/俯仰联合运动这三种方式分别进行了模拟,分析了不同参数如振幅、频率、沉浮和俯仰之间的相位差的影响。得出一些有意义的结论和新的现象。     

Modelling and computation of unsteady turbulent cavitation flows

1. INTRODUCTION Cavitatating flows are important phenomena happened in industry setups and many under-water vehicles. It leads to performance losses and modifications of blade load when happened in machines, especially turbo-machinery. Nevertheless, cavit…     

溢流堰表孔弧形闸门开启过程非恒定流水力特性

采用RNGκ-ε紊流模型结合动网格技术对某水利工程Y型宽尾墩泄洪表孔弧形闸门开启过程进行了三维动态数值模拟研究。为了解闸门开启过程中各相对开度的水力要素特性,采用6种不同的开启总时间,给出各开启总时间对应的闸后流速、压强等水力要素对闸门开启速度的依赖关系,并定义了反弧及消力池3个压强分布区域。研究表明,闸门开启总时间较小时,闸后水流的滞后效应明显,各对应相对开度时闸后水面线偏低;开启过程中溢流堰反弧处最大流速、冲击区最大压强等都会远大于恒定情况时的对应值。冲击区最大压强及其与调节区平均压强的差值随开启速度的增大迅速增加,且需经过较长时间才逐渐回到正常值。开启速度较小时,各水力要素增加较为平缓。将闸后水面线等计算结果与试验结果进行对比,吻合良好,验证了数值方法的可靠性,可为类似水工闸门运行提供借鉴。     

Prediction of podded propeller cavitation using an unsteady surface panel method

The unsteady sheet cavitation of podded propeller was predicted by using a surface panel method. The interaction between propeller and pod was treated with the iterative calculation of induced velocity potential, and the method of induced velocity potential can save a great deal of storage and computation time compared to the method of induced velocity. The induced velocity potential of unit singularity on every pod panel to every key blade panel and of unit singularity on every key blade panel and its wake panel to every pod panel were calculated when the key blade is at every angle position. Based on the wake model of the conventional single propeller, a new wake model of podded propeller was constructed. The propeller is analyzed only on the key blade in order to save computation time and memory space. The method can be used to calculate the hydrodynamics performance and cavitation of propeller in uniform and non-uniform inflows. It can give the unsteady force and cavitation shape of propeller. The propeller cavitation range determined by the present method agrees with the observation results of cavity image given in cavitation tunnel well, and this proves the practicability of the method.     

锥柱航行体肩空泡界面效应对头锥面受力的影响研究

航行体水下高速运动时会发生空化现象,形成空泡附着在航行体表面。该文通过数值计算的方法,分析了空泡界面对头锥面附近流场压力的影响。计算结果表明:界面效应使得流场压力和头锥面表面压力升高,头锥面轴向力增大;不同攻角下,空泡形态发生倾斜,界面效应对迎、背流面的影响不同,头锥段法向受力减小;头部半锥角越大,空泡越长且厚,空泡界面效应对流场压力影响也增大。     

绕圆柱非定常周期性涡旋脱落的数值模拟

利用非定常流函数涡量方程数值模拟圆柱突然起动尾流涡旋的形成及周期性脱落过程。对求解的流函数的一阶导数即速度项采用四阶精度的Hermitian公式，而方程的对流项则采用四阶精度的差分格式，并利用ADI方法迭代求解差分方程组。当雷诺数Re不大于40时，圆柱尾流为附体的两个对称涡，为定常解。当Re大于40后流动为非定常及非对称的，圆柱尾流呈现周期性涡旋交替脱落而形成著名的Karman涡街。选择Re=100为例，在初始条件未加任何扰动情况下，成功地模拟了圆柱非定常涡旋形成与脱落的完整过程（无量纲时间算到t=250及以上）。所计算的阻力系数与实验结果及其它数值方法的计算结果一致。约在t=200形成严格的Karman涡街。对涡量方程ADI求解方法的稳定性进行了分析。对流项采用四阶精度差分格式，若应用于定常问题，将极大提高数值求解的精度，若应用于非定常问题的求解，将对求解精度有所改善，其中时间空间两阶混合偏导数的处理是关键，有待进一步的数值实验。     

空化对轴流泵叶轮能量转化特性的影响

为了研究轴流泵空化对叶轮内部流动特性以及能量转化特性的影响,结合SST CC k-ω湍流模型与均相多相流模型对轴流泵进行了非定常空化计算。结果表明:随着有效汽蚀余量的逐渐降低,轴流泵内空化体积分数逐渐增加,诱导叶片表面出现侧向射流与漩涡等不良流态,对叶片出口流场的均匀性产生不良影响;自叶片进口至叶片出口,空化区域内的液体相对速度较未空化时增大,绝对速度与静压较未空化时减小。沿轴向,在无空化与空化初生时,动静扬程先不发生变化,随着泵进口压力逐渐降低,当有效汽蚀余量a=5.33 m时,静扬程不变而动扬程出现小幅增加,泵的水力性能出现小幅上升;在a=4.71 m时,静扬程下降且下降幅度高于动扬程上升幅度,泵扬程效率明显下降。随着空化程度的进一步增大,动静扬程继续下降,轴流泵水力性能急剧下降。     

基于冲蚀耦合动网格方法的摇臂式喷灌喷头冲蚀变形数值模拟研究

喷灌喷头长期冲蚀磨损引起的喷嘴结构变形是影响其水力性能的主要原因之一。为了探究喷头的冲蚀变形及变形对其水力性能的影响规律,基于冲蚀耦合动网格方法以PY1-20sh型喷头为研究对象,利用标准k-ε湍流模型与Generic冲蚀模型建立喷头固-液两相流数值模型,针对3组不同水流含沙量工况开展喷头运行160 h内的冲蚀变形数值模拟研究。结果表明：喷头的冲蚀磨损主要发生在主喷嘴处,持续地冲蚀磨损使其质量减小,主喷嘴冲蚀变形表现为管壁向外不均匀扩张使得出口直径增大,变形程度与喷头运行时长及水流含沙量均呈正相关,变形速率随运行时间的延长而减缓,形状系数变大说明出口断面逐渐偏离圆形。喷头水力性能的变化表现为冲蚀变形使出口流量增加但流量系数减小,且由理论分析发现喷头射程随运行时长逐渐缩短,末端水滴直径逐渐减小但变化幅度不大。研究结果可为喷头的合理使用与结构设计提供参考依据。     

向家坝水利枢纽下泄非恒定流的数值模拟

采用四点隐格式和改进的求解方法建立了向家坝枢纽下游145 km河段的非恒定流数学模型,通过2005年实测的枯、中、洪水过程对模型进行验证。应用该模型模拟了向家坝日调节下泄非恒定流的传播过程,分析了枢纽下游非恒定流的传播规律。模拟结果表明枢纽下游河段产生附加比降,水位~流量关系呈绳套状,且非恒定波发生横向变形。     

中间渠道内非恒定流数值模拟

利用平面二维非恒定流数值模型，来研究中间渠道内非恒定流问题，该模型基于任意三角形计算网络，采用隐式求解自由表面的剖开算子法，离散求解控制方程，有效地处理了非线性混合算子和计算自由表面的困难，避免人工滤波措施，提高了计算精度和计算稳定性，并在三峡通航工程方案比较中得到应用。计算结果表明，该模型能较好地反映中间渠道内水流特征，与分析模拟船闸不同运行方式下渠道内水流波动特性，达到优化运行方案，改善渠道内航行条件的目的。