油水分离技术研究之一--直管和螺旋管的数值模拟

本文采用数值模拟的方法研究油水混合物在直管和螺旋管中的流动状况。计算采用Euler-Euler法和Euler模型：支配油水分离两相流动的基本方程包括连续方程和动量方程,湍流模型采用多相流中混合型k-ε模式,基本方程的离散和求解采用SIMPLE算法。利用Fluent软件,以直管和螺旋管为例进行了计算,获得了初步计算结果。计算表明,本文所用方法可以较好地模拟直管中油水在重力作用下的分离,以及螺旋分离器中油水在重力和离心力共同作用下的分离现象。并可为实验研究提供参考。     

同流中三孔热水浮射流流速场特性的数值模拟

采用FLUENT软件中的Reynolds应力模型对同流中三孔热水浮射流在不同孔间距,不同射流温度,不同流速比情况下的速度场进行了数值模拟,得到了各种工况下速度的分布情况及衰减情况,并对数值模拟结果进行了对比分析,得到了一些有益的规律.     

不同孔眼数量下曝气池中气液两相流数值模拟

曝气池是活性污泥处理系统中的核心处理构筑物,而曝气池中气液两相分布及其流动规律对曝气作用的影响又至关重要。本文运用FLUENT软件对曝气池内气液两相流动问题进行了数值模拟,并对比了相同的曝气量,不同的孔眼数量下,曝气池内气液两相的分布情况和流动规律,说明了在本文所模拟的工况下采用孔眼数量为五孔时曝气效率最高。     

混凝土试件细观结构的数值模拟

本文将常用混凝土级配曲线与三维富勒级配曲线作了对比分析，从而为基于瓦拉文公式的随机骨料模型对试件内截面进行细观结构的数值模拟提供了依据。在此基础上，采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化，利用有限元方法进行了混凝土湿筛试件、全级配试件单轴受压和全级配混凝土三分点梁弯拉细观结构数值模拟。通过单轴受压数值试验讨论了同一级配不同骨料分布、有限元单元尺寸及试件尺寸对极限荷载计算结果的影响。结果显示：(1)同级配不同随机骨料分布的影响在试验结果统计范围之内；(2)为了充分反映混凝土细观特性的非均性，单元尺寸应小于最小骨料粒径的三分之一；(3)湿筛试件与全级配试件数值模拟结果验证了试件的尺寸效应。在全级配混凝土三分点梁弯拉试验的模拟计算中，讨论了界面单元、固化水泥砂浆基底强度及损伤参数对计算结果的影响。通过细观结构数值模拟，直观显示了混凝土试件单轴受压和三分点梁抗弯曲试验在不同加载阶段微裂缝产生、扩展直至失稳的过程，及其宏观应力-应变曲线的变化情况。基于有关文献资料给定的混凝土各相参数得到的数值模拟结果与试验统计结果相符。     

表孔泄洪的水气二相流数值模拟

采用水气二相流VOF法数学模型对表孔泄洪进行了二维数值模拟，并与模型试验值进行了比较，二者吻合良好，表明该模拟方法是可行的，可为工程设计提供参考。     

大坝基岩帷幕宾汉姆浆液灌浆的三维数值模拟

由于灌浆工程的掩蔽性和地质条件的复杂性,如何准确地确定复杂地质条件下浆液的扩散规律是灌浆数值模拟分析的关键及难点。目前,在水利工程中灌浆数值模拟的相关研究未考虑宾汉姆浆液扩散过程中两相流特征和大坝基岩的复杂地质条件;且主要以单一裂隙或单个灌浆孔为研究对象,均未进一步涉及浆液锋面的模拟。针对上述问题,本文建立包含不同地层、不良地质体和帷幕孔的三维精细地质信息统一模型,在CFD商用软件STAR-CCM+中采用耦合VOF法的三维非稳态宾汉姆浆液气液两相流灌浆模型,实现了宾汉姆水泥浆液在大坝基岩中的多孔分序灌浆精细模拟,并分析了浆液的扩散规律和灌后帷幕搭接情况。运用该模型模拟某水电站的基岩帷幕灌浆过程,结果表明:在一定时间范围内,浆液扩散半径随灌注时间而增加,但其变化率呈递减趋势;各序孔灌注完成后,浆液锋面搭接良好;将灌浆量和灌浆时间的模拟值与现场实测值相比,平均误差分别为9.08%和6.32%,模拟值与现场实测值基本吻合,验证了该模型的可靠性。     

导流片型旋流场内油滴聚并影响因素研究

导流片型旋流器具有体积小、重量轻和效率高等优点,适用于井下以及海上平台等空间有限的场所。该文通过实验和数值模拟研究了导流片型旋流场中流量、油水界面张力、油相含率、油相黏度及油相粒度等因素对于离散相油滴聚并的影响。研究结果表明:随着流量增加,油滴聚并效果先增加后下降,当流量介于14 m~3/h-16 m~3/h之间时,可以使油滴聚并达到最佳的效果;提高油相含率能够增加大油滴的比例,同时也增加了小油滴的数量,因此在进行油水分离时排出的水相中会残留较多的油相;提高入口油相粒度和降低油相黏度,可以促进油滴的聚并;增大油水界面张力可以减小油滴破碎的概率,提高油水分离效率。这些研究结果对于导流片型旋流器的设计能起到一定的指导作用。     

基于数值模拟的孔腔水动噪声机理及其控制研究

孔腔水动噪声是水下航行体的主要噪声源之一。该文基于计算流体动力声学(CHA)的多步骤混合方法,对方形孔腔周围涡流场及其等效声源场和声场做了精细数值模拟和分析。文章对孔腔流动噪声源进行了细致空间定位,从而把孔腔流动声源区划分成对应不同发生机理的子区域;然后分别计算了各子声源区对声辐射的贡献,从而区分真假、主次声源;最后针对主要声源的发生机理提出了腔内加隔板的降噪方案。文中的流场计算采用CFD软件FLUENT和大涡模拟(LES)方法,声源场和声场计算采用声学软件ACTRAN,相关数值模拟方法和手段用经典实验数据进行了对比验证。该文所提出的孔腔内加隔板的降噪方案,由数值模拟可知其有显著降噪效果。     

软土地区泵站基坑运行期结构受力数值分析

以某提水泵站基坑工程为例，通过数值模拟方法，对基坑开挖完成后泵站混凝土结构在运行期进水池低水位和高水位不同工况下的受力情况进行数值模拟，并选取泵底板、进水池、吊车梁、各墙体等结构的典型断面，基于各结构的应力变形情况，确定泵站结构合理的配筋方案，给出泵房大体积混凝土结构的配筋量，并列出了建议配筋结果，可供泵房结构设计参考。     

缝洞型油藏三重介质油水两相流数值试井解释方法

基于多重介质渗流的概念模型和数学模型,建立了缝洞型油藏油水两相流三重介质数值试井模型;对模型进行数值求解,得到三重介质油藏两相流试井响应曲线并分析其特征。指出三重介质油水两相条件下的压恢曲线与单相时的不重合,并随着初始油水饱和度的变化而变化,不能直接用单相试井模型来解释两相流试井曲线;提出了先拟合油水产量曲线,再拟合压力恢复曲线的试井解释方法。     

混流式水轮机尾水管非定常流动模拟及不规则压力脉动预测

混流式水轮机尾水管内螺旋形涡带引起的压力脉动是造成混流式水轮机组振动的主要根源之一,严重威胁机组的安全运行.本文基于CFD技术对一大型混流式水轮机尾水管压力脉动进行了数字化预测,文中首先对该水轮机在典型偏工况下尾水管的内流进行了长时间非定常计算,然后详细讨论该工况下尾水管内死水域与涡带的运动规律,并预测了尾水管的不规则压力脉动,最后对压力脉动预测值进行了分析,结果表明其波形、频率、相位与实际基本一致,证明文中压力脉动的预测方法是可行的.     

一种锥形管内流场LDV测试方案

利用LDV对锥形管(如水轮机尾水管直锥段、逐扩管路)内流场速度进行测试时,由于锥形管外壁曲率大、内壁有一定倾斜度,以及光束折射现象的发生,会使LDV无法对轴向速度进行测量。针对前述问题,提出了一种锥形管流场测速方案。通过理论推导对锥形管内LDV测试光路进行分析,论证了方案的可行性,并推导出该方案下测点位置与LDV光源位置的线性关系式,以及LDV光源位置变化范围,为同类型锥形管内流场LDV测速提供了一种有效可行的方案。     

明渠岸边横向取水口的三维数值计算

本文是在明渠岸边横向取水口的试验研究基础上的配套数值模拟。采用雷诺平均的N—S方程，以各向异性的雷诺应力模型(RSM)封闭方程组，用SIMPLEC算法对压力—速度场求解。计算结果与试验实测结果吻合较好，反映了此项模拟的可信性，可籍以扩大、分析一些运动规律。数值计算结果启示了横向取水口水流的复杂三维流动特性，据之对取水口附近水流各区的划分、水流的分离和反向流动、螺旋流以及床面剪应力的分布等复杂水力和泥沙输移物理现象有了进一步认识。     

三岔管内水流流动的数值模拟与实验研究

结合江苏宜兴抽水蓄能电站工程建设中钢岔管的设计要求，对分岔角为64°的三岔管内水流的流动进行数值模拟与实验研究。计算中选择SIMPLE方法求解三维雷诺平均方程和k-ε两方程湍流模型，实验采用数字图像测速(DPIV)系统和在试验段前后断面上安装液体差压计对三岔管中心的水平面内的压强差进行测量。研究结果表明，无论水头损失还是三岔管内水流的流动模式，计算与实验吻合得较好，同时反向双管流动较正向双管流动的能量损失大，在相同的流速情况下，单管流动比双管流动的能量损失大，正向单管比反向单管的能量损失大。     

混流式水轮机尾水管涡带及压力脉动数值模拟

应用ANSYS等相关软件对混流式水轮机进行全流道非定常数值模拟,分析了在偏工况下低流量的3种随开度不断变化的工况,模拟由部分负荷区到高部分负荷区的尾水管涡带及压力脉动的变化情况。应用CFD数值模拟,观察到尾水管随导叶不同开度变化时,尾水管涡带由双螺旋涡带到单螺旋涡带至柱状涡带的变化过程,并分析了相应工况之间的压力脉动频率及脉动幅值的变化规律。这对尾水管压力脉动产生机理的深入研究有着十分重要的意义。     

高水头混流式水轮机减负荷瞬态流动特性研究

为了平衡和补偿间歇性可再生能源不定时并网对电网的不利冲击,水轮机不得不频繁地经历减负荷瞬态工况转换过程,从而诱发水轮机内部不稳定的压力脉动及涡流结构。基于多面体网格及动网格技术,开展了高水头混流式水轮机导叶关闭减负荷过程水轮机特征参数响应、压力脉动及涡流演化特性的数值模拟工作。研究发现,采用压力边界条件获得的水轮机水头与试验结果吻合较好,流量结果可信度高。负荷变化过程中,无叶区压力脉动相对变化趋势与导叶运动规律一致,且幅值变化不大。导叶开始及停止运动,引起尾水管内的压力信号发生突变,并逐渐形成低频周期性压力脉动。涡带运动诱发的不稳定压力脉动,是转轮轴向水推力形成的主要原因。在导叶闭合过程中,强度较小的轴对称涡带首先沿轴向和径向拉伸,随后沿轴向收缩。导叶停止运动进入部分负荷工况,直涡结构进一步收缩,演变为细长状双螺旋结构,最后双螺旋涡结构合并成强度较高的单一螺旋状涡带。此外,水轮机负荷的减小使尾水管内出现回流,漩涡运动等不稳定现象。     

Numerical investigation of flow and heat transfer performances of horizontal spiral-coil pipes

The flow and heat transfer performances of horizontal spiral-coil pipes of circular and elliptical cross-sections are studied.The numerical results are compared with the experimental data,to verify the numerical method.The effects of the inlet water mass flow rate,the structural parameters,the helical pitch and the radius ratio on the heat transfer performances are investigated.Performances of the secondary fluid flow with different radius ratios are also investigated.Numerical results demonstrate that the heat transfer coefficient and the Nusselt number increase with the increase of the water mass flow rate or the helical pitch.The maximum heat transfer coefficient and the maximum Nusselt number are obtained when the radius ratio is equal to 1.00.In addition,the fluid particle moves spirally along the pipe and the velocity changes periodically.The particle flow intensity and the spiral movement frequency decrease significantly with the increase of the radius ratio.Besides,the secondary flow profile in the horizontal spiral-coil pipe contains two oppositely rotating eddies,and the eddy intensity decreases significantly along the pipe owing to the change of curvature.The decreasing tendency of the eddy intensity along the pipe increases with the increase of the radius ratio.     

涡管螺旋流排沙技术及其应用

在综合分析国内外涡管螺旋流排沙技术主要研究成果的基础上，对螺旋流的形成及排沙机理、涡管泄流比和排沙率以及涡管设计和实际应用情况，作了全面而综合的介绍，并提出了自已的观点，指出了有待进一步深入研究的问题。     

三峡水轮机全流道三维流动数值模拟研究

本文使用商业CFD软件FLUENT,开发了部分接口程序,进行了全流道原型水轮机三维湍流数值模拟研究,计算对象是中国水利水电科学研究院机电研究所为三峡右岸开发的水轮机模型,该水力模型有完整的模型试验资料,可用于检验计算结果。水轮机全流道三维湍流数值模拟,计算区域为包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管的全部流道。模拟中控制方程采用了三维时均N—S方程、湍流模型采用两方程RNG k-ε模型,数值方法采用贴体坐标的有限体积法。共进行了3个开度条件下的计算,每个开度各进行4个典型工况的三维湍流流场模拟,通过数值方法求解控制方程,获得了全流道的流速和压力分布。计算结果表明流速和压力分布合理,数值计算得到的效率与试验得到的效率进行比较,结果吻合良好。     

Simulation of subcritical flow pattern in 180° uniform and convergent open-channel bends using SSIIM 3-D model

In meandering rivers, the flow pattern is highly complex, with specific characteristics at bends that are not observed along straight paths. A numerical model can be effectively used to predict such flow fields. Since river bends are not uniform-some are divergent and others convergent-in this study, after the SSIIM 3-D model was calibrated using the result of measurements along a uniform 180° bend with a width of 0.6 m, a similar but convergent 180° bend, 0.6 m to 0.45 m wide, was simulated using the SSIIM...