基于遗传算法的轴流式叶片全三维优化设计

本文提出了一种结合全三维反问题计算与遗传算法优化的轴流式水轮机转轮设计方法。即在对轴流式水轮机转轮叶片进行全三维反问题设计的基础上，然后以平面叶栅表面边界层中的流动损失最小和翼型气蚀系数最低为目标，小生境遗传算法进一步对转轮叶片进行优化以得到更为理想的转轮叶片。由于此方法结合了全三维反问题方法对有厚度叶片计算的准确性，以及遗传算法对解决多目标优化问题全局搜索的准确性，可以得到比较理想的转轮叶片。     

全三维设计方法的应用

随着计算机技术和计算流体力学的飞速发展，汽轮机通流设计已从二维时代飞跃到全三维设计时代。如今，世界各国汽轮机通流设计技术均建立于3D－NS计算分析的基础上。通流叶片级的3D－NS计算分析软件正成为通流优化及新产品开发时气动设计中重要的工具。东方汽轮机厂基于先进的静动叶型线，利用全三维粘性多级叶轮机计算程序对高压级的新旧设计叶片级作了多个方案的3D－NS计算分析，成功地开发出先进的三维弯曲叶片，并应用于国产3F－200MW汽轮机的通流改造中。经过改造后机组的热力性能试验验证，计算和试验证明全三维设计技术的应用是成功的。     

全三维叶片技术在25MW机组的应用

介绍克拉玛依电厂25MW机组通流部分进行全三维叶片技术改造的经验。通过将普通汽轮机转子及叶片更换为弯扭联合成型的全三维叶片，同时更换了隔板，汽封的办法。实现了机组经济效益的提高。     

混流式水轮机薄叶三维反问题计算

本文提出了水轮机的传轮薄叶全三维设计方法，该法用涡代替叶片作用，将叶轮内周向流动分成平均和周期性脉动两部分，通过级数展开将三维问题转化成多个两维问题求解，采用多种措施使其能在微机上实现，将其应用于高比速混流式水轮机设计，对叶型和对应的流场作了分析。     

中高比转速混流式转轮叶片展开及压模型线计算

本文介绍针对混流式叶片热模压成型工艺中需要解决的叶片展开及有关压模设计的计算问题,基于叶片曲面三维几何造型,进行均化和密化处理,并加上一些工程约束,建立展开的数学模型;采用带工程约束的几何近似展开方法和算法。开发了相应的软件,已用于对高中低速转轮叶片展开及压模型线计算。     

基于CFD的长短叶片水轮机全流道湍流流动定常研究

以混流式水轮机HLA351为原型,基于FLUENT,采用Realizable k-ε双方程湍流模型和三维时均N-S方程,对长短叶片结合混流式水轮机在额定流量工况下湍流流动进行了全流道三维定常模拟研究,获得了长短叶片水轮机全流道的流速和压力分布。计算结果表明,长短叶片结合的水轮机流速和压强分布合理、性能优,对水力机械的设计等研究具有重要的指导意义。     

水力机械转轮三维反问题研究及其新进展

着重介绍了水力机械转轮全三维反问题的研究和发展，分析了各设计方法的特点，指出了全三维反问题研究的新趋势，结合作者对可逆机转轮反问题的研究，对水泵水轮机转轮的设计及研究方向提出了新的看法和建议。     

用概率设计方法进行叶片可靠性设计初探

目前试行的《汽轮机叶片振动强度安全准则》的设计方法属于经典的设计方法，即安全系数法，该法没有考虑各种随机因素及离散性的影响，不能定量描述安全裕度。本文用概率设计方法对叶片的可靠性设计进行了理论上的初步探讨和推导，给出了叶片可靠性设计中的一些计算公式，以及由此计算出的叶片的可靠性指标，定量地描述了叶片的安全可靠性。     

水轮机叶片三维边界层计算

本文用有限差分法计算混流式可逆水力机械水轮机工况叶片表面上的三维边界层。水轮机转轮核心区的三维势流由边界元法给定。叶片表面附近的粘性流动,用三维半正交坐标系中的边界层方程表示。为了提高边界层流动的计算速度和精度采用贴体坐标生成计算网格,并利用Cebeci变换函数及Keller分块解法。计算的叶片表面压力分布曲线与试验结果进行了比较。     

基于CFD的长短叶片水轮机压力脉动研究

以长短叶片混流式水轮机三维定常湍流计算结果作为非定常湍流计算初始条件,结合混流式水轮机湍流流动进行全流道三维非定常模拟研究。通过在蜗壳进口、固定导叶及活动导叶前、转轮前和尾水管截面测点压力脉动及频谱分析,得出长短叶片混流式水轮机内压力脉动产生和传播的部分规律。     

水泵水轮机双向流动控制优化设计

本文建立了能够控制双向流动性能的水泵水轮机在线优化设计模型.模型中采用全三维反问题方法设计转轮叶片,采用叶型逼近方法求解水轮机工况和水泵工况的流场.综合考虑双向流动的能量性能和空化性能,提出了综合性能评价函敫.采用单纯形加速方法,对一高水头水泵水轮机进行优化设计,得到了综合流动性能较好的转轮.全流道的定常湍流计算结果表明,优化后两个流动方向的转轮效率都提高,空化系数降低,证明了优化方法是可行的.模型可以实现计算机的在线优化计算,减少了人工干预.     

Rotating Heat Exchangers and the Optimization of a Heat Pump

Flow and heat transfer conditions are investigated on rotating flat plates and on blades of tangential blowers. The solution of the three dimensional boundary layer equations for rotating flat plates show that 3-D effects are of influence only in the neighborhood of the axis of rotation. The conditions outside this region can be treated as flow in a 2-D system. The measurements indicate that turbulent flow exists already at Re-values much smaller than Reclit for stationary flat plates. As a result of this, high heat transfer rates can be achieved at lower average velocities. All data taken on rotating flat plates and on the blades of a tangential blower can be correlated by a single dimensionless relationship. The results obtained by theory and measurements are used to derive design curves for the construction of a heat pump. A device built in accordance to these curves performed as predicted. Discussed are also rotating furnaces, radiators and condensers for vapor driven engines.     

设平衡孔时气液混输泵内部流动及轴向力分析

本文采用两相混合模型进行数值模拟计算,探究了不同进口含气率条件下,设置平衡孔对气液混输泵外特性、内部流动及轴向力的影响。研究发现：各工况条件下,设置平衡孔后该混输泵的轴向力均明显减小;从平衡系统回流的高压流体对转轮内部流动状态产生扰动,同时能破坏和夹带转轮流道内聚集的气泡;综合考虑对混输泵的性能和轴向力的影响,在较低进口含气率时采用平衡孔方法平衡混输泵轴向力的方法是可行的;平衡系统进出口压力系数随比面积系数增大而非线性减小,平衡孔的直径过大会导致混输泵的容积损失问题,因此平衡孔直径设计存在最佳值;对比发现平衡孔设在转轮叶片吸力面时转轮的轴向力幅值和脉动相对较小。研究结论可为后期多级气液混输泵平衡孔平衡轴向力系统的设计和优化提供思路和借鉴。     

贯流式机组桨叶与导叶全三维联合设计

为了充分反映水流经过导叶后的流态对桨叶入流的影响,本文建立了灯泡贯流式机组桨叶和导叶的全三维联合反问题计算模型。在包括桨叶和导叶的计算域中,求解联立的控制方程,同时设计得到了导叶和桨叶的空间叶型。采用联合设计和单独设计模型分别设计了一低水头贯流式机组的桨叶和导叶,并在设计工况下对其进行了全流道湍流数值模拟。性能预估结果表明,与单独设计相比,联合设计的桨叶进口边附近压力分布得到改善,导叶和桨叶段的联合损失减小,转轮效率提高。     

短叶片低压边对水泵水轮机空化性能的影响

为探究短叶片低压边位置对高水头长短叶片水泵水轮机转轮空化性能的影响,针对其转轮的结构特点,设计具有不同低压边位置的短叶片方案。以低压边在上冠位置直径与转轮喉部直径的比值,从大到小依次命名为方案A、B、C,比值越小低压边位置越靠后。采用Rayleigh-Plesset空化模型对三方案分别进行3个水轮机工况和2个水泵工况的定常数值模拟,对比分析计算工况下各转轮的空化形态及能量特性。结果表明：在水轮机方式,小流量工况下随着短叶片低压边位置后移,转轮空化性能得到改善,而在大、中流量工况下方案B的转轮空化性能最优。在水泵方式,高扬程工况下转轮空化程度随低压边位置后移先减缓后加剧,低扬程工况下方案A的低压边位置最利于改善空化性能。综合考虑水轮机方式和水泵方式,直径比值为0.9487的方案B空化性能较优,效率和扬程相对较高。对后续高水头水泵水轮机转轮水力优化设计具有指导意义。     

可逆转轮三维流动的涡动力学诊断研究

本文将涡动力学理论引入可逆转轮内的双向三维流动诊断中，从叶片对流体做功能力分析过流部件的设计状况，通过对沿流线的截面上总压流积分的分解，找到产生对总压不良影响的动力学根源和位置，并利用叶片表面的边界涡量流分布来分析对叶片力矩产生不良影响的区域，为改进转轮流动设计提供直接的诊断依据。     

混流式转轮上冠型线变化对水轮机水力性能的影响

为了获得水电站水轮机技术改造中混流式转轮上冠型线变化时水轮机水力性能的变化规律,本文以某混流式水轮机模型转轮为研究对象,在原转轮上冠型线的基础上,提出了四种改型的上冠型线方案,采用CFD方法对不同上冠型线的转轮内部流动特性、能量特性、空化性能及过流能力进行了数值模拟和对比分析。结果表明:上冠型线的适当上抬可以增大转轮的过流能力,并且改善转轮在大流量工况下的能量特性和空化性能;但过高的上冠型线对小流量工况下的叶道涡的位置和强度有负面影响;与原转轮相比,方案4的效率略有提高;小流量工况时,上冠型线越高,叶道涡的位置越靠近叶片头部,且涡的强度越大,从而使转轮效率降低;大流量工况时,上冠型线上抬可能导致叶片进口靠上冠部分出现回流,进而导致压力分布不均匀;上冠型线的改变对最优工况下转轮效率和内部流动特性影响较小;可以为水轮机技术改造中转轮的改型设计与性能预估提供必要的参考。     

混流式水轮机转轮设计方法改进

在混流式水轮机转轮设计时,其轴面流动一般按一元或二元假设计算,沿转轮进、出口边的环量分布按等值考虑,实测结果表明其轴面速度介于一元二元假设之间。转轮进、出口的环量分布不为常数,下环处大,上冠处小,文章建议采用介于一元二元之间的轴面流动计算方法,并介绍了数学模型,并建议在转轮出、出口按不等环量分布,经实际使用,这种改进取得了较满意的效果。     

混流式转轮流线改型程序研究及应用

改型设计方法是转轮设计的一种主要方法,在已有优秀转轮的基础上进行改型设计,如果方法得当,容易获得优良性能。本文简要介绍了一种混流式水轮机流线改型方法。经试验验证,该程序实用性,设计的转轮性能优异,是一种理想的改型设计软件。