修正的SST k-ω模型在云状空化流动计算中的应用研究

采用基于Rayliegh-Plesset方程的空化模型及实验结果,评价了修正的SST k-ω湍流模型在云状空化流动计算中的应用。采用不同的修正系数,分别计算了绕Clar k-y型水翼的云状空化流动,获得了随时间变化的空化形态和升、阻力等流场及动力特性。通过与实验结果的对比表明,修正后的模型可以更准确地捕捉云状空化区域的空穴形态和空泡脱落的非定常细节;密度函数中指数n的选取对计算所得的空穴长度、升阻力和主要频谱分布均有影响,并给出了n的合理取值范围,为后续水工模型的空化数值计算提供了参考依据。     

RNG k-ε模型在超空化流动计算中的应用评价

为深入了解两相共存超空化的非定常特性,分别采用标准RNGk-ε模型及其修正模型,计算了绕水翼的超空化流动,并通过与实验结果的对比对各个模型进行了评价。计算结果表明;标准RNGk-ε模型及其修正模型均可以模拟绕水翼的超空化流动状况,能比较准确地模拟两相共存超空化阶段汽相和水汽混合相界面的反向波动过程;模型常数的不同主要表现为对空穴内逆压梯度的影响,并由此导致了计算获得的最大空穴长度以及两相界面反向波动速度的差异;超空化区域内水汽两相的变化与压强分布均存在对应关系,压强的变化导致了水汽两相界面的反向波动。     

压力梯度区空化特性试验研究

选择二元反弧明流，对压力梯度变幅大、水流结构复杂的反弧段及其下游的水流进行了空化研究。结果表明，随紊流边界层的发展，下切点和水平段连结处，局部绕流速度增大，压力大幅降落，水流紊动加剧，边界层中心附近紊流强度和切应力均达最大，空化数最小，因而，是空化易发部位     

混流式水轮机空化流动模拟中的空化模型对比研究

以某水电厂混流式机组为例,在同样的工况下,采用Schnerr-Sauer空化模型和Z-G-B空化模型对其进行空化流动模拟,并与现场真机试验情况进行对比,从而比较各模型的计算效果。结果表明,水轮机叶片背面进水边、出水边附近的大部分区域、水轮机叶片下半段与下环交界处的空化程度较为严重。此外,Schnerr-Sauer空化模型仅适用于空泡数量比较少的情形,且仿真效果不甚理想;而Z-G-B模型的适用范围较广,且效果较好,因此可以在混流式水轮机空化流动模拟中更多地采用。     

壅塞空化器空化噪声实验研究

为了避免水力机械产生空蚀破坏,目前对空化噪声的研究主要集中在空泡的初生问题,而为了有效利用空泡溃灭能量,研究空化时空泡溃灭强度的报道却较为少见。该文在不同背压下,利用水听器对不同壅塞管直径的壅塞空化器测试空化噪声信号,采用声压级差法和噪声能量比值法分析测试结果,探索壅塞管直径和背压对壅塞空化器空化特性的影响。结果表明:空化噪声信号的声压级差法和噪声能量比值法分析的结果基本一致,壅塞空化器在背压孔当量直径d=3.5―6.0 mm的背压范围内,都会产生明显的空化;不同壅塞管直径的壅塞空化器产生强烈空化都有相应的最佳背压范围,且随着壅塞管直径的增大,最佳背压范围会逐渐缩小;在最佳背压范围内,壅塞管直径和背压的变化对壅塞空化器产生的空化强度影响较小。研究成果完善了壅塞空化器设计的理论基础。     

旋转圆盘内不同转速的空化特性研究

为了研究不同转速对旋转圆盘空化性能的影响,以卧式旋转圆盘试验装置为例,建立全流道几何模型,使用CFD数值模拟软件,模拟不同转速工况下的情况,对结果进行分析表明:随着转速的上升,在旋转圆盘空蚀源和试件之间的压力降低,同时低压面积增大,低压区越靠近空蚀源压力越低,其空化越严重;当转速为2 000 r/min时,旋转圆盘空蚀源外边缘开始出现空化,随着转速的上升,旋转圆盘上出现空泡的面积不断扩大,而且越靠近空蚀源边缘,空泡体积分数越大。定义了旋转圆盘空化系数并得到了旋转圆盘转速n与空化数σ关系曲线,随着转速的上升,空化数σ不断降低。     

基于k-ε紊流模型的后台阶流流动特性研究

后台阶流是几何结构简单而流态复杂的流动现象.采用二维k-ε紊流模型对后台阶水流流动进行数值模拟,并结合PIV系统测得的雷诺数,对Re=500~50 000范围的台阶后定常流动流场数据进行对比分析研究.结果表明流场结构存在稳定的回流区,回流区长度随着Re的增大先急速上升,然后又急速下降,最后缓慢回升直至稳定.断面速度受回流区影响较大,峰值随断面的往下游推移逐渐减小,随Re的增加,断面速度也缓慢减小.压力、紊动能的分布也受到回流区的影响,其中紊动能在低雷诺数情况下受回流区的影响较小.     

初生空化的模型数据应用到原型上的问题

初生空化数由韦伯数Ｗ和空泡相对膨胀速度Ｍ所组成。在分析了中，德联合对比试验数据的基础上，发现Ｗ和Ｍ的关系呈一条对数直线。由模型试验得到直线方程后，再根据原型的空化数决定韦伯数，从直线上求得Ｍ值，有了Ｗ和Ｍ，就可得原型的初生空化数，从而判断在原型水流中是否发生空化。     

几种主要紊流模型的应用特性比较

紊流的数值模拟始于上世纪50年代，先后发展了k-ε模型、二阶矩模型和代数应力模型，在工程实际中得到了广泛应用和检验。本文讨论了现阶段各种主要紊流模型的特点，并对不同的紊流模型进行评述。     

对二维翼空化流动的数值模拟

应用二维不可压缩N-S方程结合改进VOF空化模型模拟了NACA66二维翼的空化流动.数值计算中采用SST k-ω湍流模型计算了不同空泡数下定常稳态空化发生时水翼吸力面的压力分布,并与实验结果进行对比,发现空化末端压力梯度计算值明显大于实验值,而且压力有明显突增,通过修正空化模型中的经验参数较好地解决了这个问题.应用SST-SAS湍流模型及修正的经验参数较好地模拟了低空泡数时非定常云空泡的脱落现象,该数值方法对非稳态空化的发展,脱落过程及其频率的预报结果与实验结果吻合良好.     

用两相流模型模拟混流式水轮机内空化流动

本文采用两相流中两流体模型模拟混流式水轮机转轮内三维湍流空化流场, 基于两相流中两流体模型的理论和方程, 推导了水轮机转轮中空化两相流的两流体基本方程, 并利用k-ε-kp两相湍流模型计算水轮机转轮中三维空化两相湍流. 计算结果包括了液相和空泡相的主要流动特征, 模拟结果可初步预测流体机械空化性能, 缩短模型试验周期.     

二维非恒定空化流的数学模型

本文提出了一个新的数学模型,用于预测高Reynolds数的二维紊流场中非恒定空化流的形成与发展过程及其内部结构。将空化流看成是泡-液两相流动,采用宏观与微观两个尺度来描述其流动形态与内部结构。宏观尺度主要用于空化区及其外部紊流场的计算,微观尺度用于确定气核在紊流场中的运动及生长过程,宏观与微观两种分析相互结合,前者应用两相流模型及现有紊流场分析技巧,后者采用泡动力学理论,应用这一模型,可对二维紊流场中空化流的演变过程及其非恒定特性给出比较清楚的数值描述。     

溢洪道底板空蚀发生位置及抗空蚀措施分析

以肯斯瓦特水利枢纽工程为例,通过水工模型试验,测试其设计水位工况下和泄洪消能标准水位工况下溢洪道泄洪时底板的流速及压力分布,并根据空化理论模型对其底板沿程空化数进行了计算。结果表明:可以通过溢洪道流速特性和底板压力分布来分析过流面的空化空蚀特点;在实际工程中,可采用优化过流面的体形、设置掺气减蚀设施、控制溢流面的不平整度以及使用抗空蚀材料等方法来防止空化和空蚀的发生。     

基于临界空化曲面的空化监测系统设计

空化监测目前还是一个国际性的难题,传统的监测方法需要用户分析大量繁琐的数据。为了使监测软件易于使用,从水轮机运转特性图上的等临界空化曲线出发,利用相应的插值算法得到临界空化曲面,并且根据所需监测的工况参数开发了一块可以连续采样的PCI采集卡。该空化监测系统承担了所有的数据处理及分析,并且界面简单直观,用户操作非常方便,在实践中取得了较好的效果。     

泄水建筑物过流壁面不平整体初生空化与空蚀研究述评

泄水建筑物过流壁面不平整体初生空化与空蚀的研究进展，本文作了扼要的综述与评论。内容包括不平整度的定义及其初生空化与空蚀的理论分析、试验研究、比尺效应和理论预测，以及尚存在的问题。文中也包括了作者在上述工作中所作的研究和相应的看法。     

竖井进流水平旋流式内消能工的空化特性

竖井进流水平旋流式内消能工是一种泄流能力强、消能率高、可节省总工程投资的新型消能工。运用这种新型消能工将施工导流洞改建为永久泄洪洞是解决高坝水力设计中泄水建筑物的安全和消能问题的新途径。本文对该种消能工的空化特性进行了试验研究，给出了旋流器收缩比为０．３５时的空化基本特性，并提出在起旋器升坎后直接补气是减免起旋器升截后空化的一项有效措施。     

台阶溢流坝过流掺气减蚀问题的研究

根据大朝山水电站表孔减压模型试验资料,结合原型观测有关资料,对台阶溢流坝掺气减蚀问题进行了分析研究。结果表明,利用表孔宽尾墩+台阶面的过流形式,可以解决台阶面大单宽过流掺气减蚀问题,台阶面水流近底掺气浓度最小在5%以上。高坝试验结果还表明,坝高增加20 m,台阶面水流掺气浓度沿程分布规律不变,即该掺气减蚀方法应用范围可推广至坝高131.0 m的台阶溢流坝。     

非淹没圆柱群局部水流场特征分析

本文基于带自由表面水动力学数值模型,采用双方程k-ω的剪切应力输运(SST)湍流模式,对非淹没刚性圆柱群水流场进行了三维数值模拟。通过与实验数据的对比分析,验证了模型的有效性及模拟精度。通过圆柱群绕流场特征的模拟分析,探究了不同圆柱雷诺数和固体体积分数对柱群内剪切层渗入长度(δ)、柱群后尾流区剪切层长度以及床面应力空间分布特征的影响。     

水质和空化比尺效应

本文提出了新的空化数和初生空化数的表达式,说明水体抗拉强度在空化中的作用,并且也指出,除抗拉强度外,水中气核半径及其数量也起着相当大的作用,从而可以解释在试验中即使同一个模型在不同的设备中以及不同的情况下可得差别很大的初生空化数。另外,对模型数据引伸到原型提出了一些具体建议。