基于单/双向流固耦合的水翼水力阻尼数值预测方法研究

为评估水力机械外部瞬态载荷作用下的动力响应幅值,必须考虑流固耦合产生的水力阻尼效应。如何准确预测水下结构水力阻尼参数是设计阶段评价水力机械运行稳定性的难点问题。借助分离式单/双向流固耦合数值模拟方法,针对工程中常用的NACA0009翼型,开展了水翼在5～20 m/s流速下的振动特性和水力阻尼比数值预测方法研究。分析结果表明:第1阶弯曲模态振型在静水中与20 m/s流速下相一致,且低阶模态水翼固有频率随流速变化在3.95%以内,据此,单向流固耦合中将静水中振型及固有频率作为动水水翼的初始条件的假设是可行的。基于单向流固耦合方法所预测的水力阻尼比与实验值的平均相对偏差为11.42%。双向流固耦合则不需要该假设,能更加准确地预测低阶模态固有频率、水翼尾部脱落涡频率和水力阻尼比,相对实验值的平均偏差分别为4.36%、4.24%和4.95%。单/双向流固耦合数值方法都能预测水力阻尼比随流速线性增加的规律。本文算例中,相同计算资源条件下双向流固耦合所需计算时间是单向计算的15倍。在实际工程应用中,推荐优先采用单向流固耦合方法。     

空化对振动水翼附加质量和阻尼特性影响研究

抽水蓄能机组需频繁调节工况以适应电网需求。由此水力激振频率范围加宽,共振风险增加。附加质量和阻尼特性是评估共振工况点和共振幅值的关键参数。在空化发生时,叶片绕流流体从液相变成汽相,其复杂的流固耦合效应对叶片附加质量和阻尼特性产生影响。本文将叶片简化为NACA 0009水翼,探索了空化发生时基于双向流固耦合的附加质量和水力阻尼特性预测方法。结果表明,模拟得到的静水中固有频率和不同空化数下的空化脱落频率与实验结果吻合良好,相对误差分别在7.12%和8.76%以内。在空化数σ=1.04~2.02范围内,固有频率和水力阻尼随空化数的降低分别增大和减小,相对于实验的平均误差分别为9.69%和13.65%。内部流动分析表明反向射流导致前缘空化周期性脱落,吸力面的绕流速度下降则是空化发生后水力阻尼下降的主要原因。研究成果对抽水蓄能机组设计阶段预判空化时的叶片振动评估具有重要指导意义。     

锯齿形尾部结构的水力机械叶片特性的仿真研究

借鉴空气动力学领域的锯齿形尾部结构,将其引入到水力机械领域中。为了验证这一结构是否有改善水力机械水力性能(稳定流场,降低压力脉动,减少流场内漩涡)的作用,使用NACA0012型叶片作为算例,建立了NACA0012型叶片在带锯齿与不带锯齿下的三维模型,取流速,是否带锯齿,攻角为3个变量,计算得到了在各个计算工况下的非稳态流场与压力脉动数据。经分析,在5 m/s、10 m/s、15 m/s的流速下,锯齿形尾部结构能够起到改善水力机械叶片水力性能,稳定流场,减小水力振动的作用,是一种很有发展前景的水力机械优化措施。     

复合材料水翼水动力响应数值模拟研究

该文针对NACA0009复合材料梯形水翼进行流固耦合数值计算,研究复合材料水翼水力阻尼及水弹性响应特性。研究建立了复合材料水翼流场模型、结构模型、流固耦合计算模型及湿模态模型,并利用实验结果对模型进行验证。模态分析结果表明：复合材料铺层角φ影响水翼模态振型,相比于φ=0°铺层,φ=+30°铺层和φ=-30°铺层水翼的一阶模态频率降低,二阶和三阶模态频率升高。研究进一步对水翼振动过程的阻尼特性进行分析,得到了水力阻尼比与流速的经验关系式,复合材料水翼水力阻尼比与流速成正比,且相比于φ=0°铺层,φ=+30°铺层和φ=-30°铺层水翼的水力阻尼比更大。分析了不同流速下复合材料水翼的水动力载荷特性：对于稳态水动力载荷,φ=+30°铺层水翼的载荷系数随流速增加而增大,φ=-30°铺层随流速增加而减小,φ=0°铺层随流速增加而略有增加;对于瞬态水动力载荷,初步分析表明,水翼受到的水动力作用形式与铺层角相关：相较于流速,铺层角φ对瞬态载荷分布的影响更大,且φ=+30°铺层水翼吸力面尾缘附近所受水动力比φ=0°铺层更大。     

二维摆动水翼仿生推进水动力性能研究

以鱼类尾鳍摆动式推进模式为背景,对二维刚性和柔性水翼摆动运动的非定常水动力性能开展了数值计算,将刚性水翼的计算结果与实验值进行了对比,吻合较好。运动边界采用动网格技术,湍流模型选用SST模型,柔性变形采用Bose模式,探讨了水翼瞬时攻角、及柔度对摆动水翼推进性能的影响。     

非对称入流复合消力池消能体型研究

为了适应工程地形所需的复合底流消力池以其布置形式简单、工程投资小等优点,在中小型水库工程中得到广泛应用,但其在非对称入流条件下普遍存在水流流态复杂、消能率低等各种问题。基于抚宁抽水蓄能电站下库泄洪消能建筑物,采用水力学模型试验与数值模拟相结合的方法,对复合消力池消能体型及入流方式进行了研究。结果表明：将传统消力池的均匀对称入流方式调整为适宜的非对称方式后,既扩大了消力池水流入水的空间范围,又保留了三元水跃高消能率的优点,同时也解决了因入流不均匀及消力池体型不对称而产生的消力池内水流旋转问题。通过模型试验和数值计算发现,这种底流消能体型布置方式极大提高了入射水体与下游水垫的剪切碰撞作用,降低了消力池临底流速与底板压强,且流态稳定,适于工程不同工况的安全运行,也使消力池总消能率提升了约10%。     

超空化水翼流场的DPIV实验研究

该文采用DPIV粒子成像测速系统对绕2D超空化水翼(Tulin翼)的空化流场进行了测量,研究了初生空化阶段,附着型片状空化阶段,空化云以及超空化四个阶段典型流场的速度分布及涡量分布。实验结果表明:在空化发展的四个阶段,相对于主流区域,空化流区域速度明显偏小;在整个流动区域,有两个速度梯度较大的区域,一个是空化区和水体主流区的交界面,一个是翼形表面的边界层区域。在空化发展的四个阶段邻近翼型尾部处均会产生一个大小近似相等的正向涡和一个反向涡,并且正向涡总是处于反向涡的下方,形成一组正向对涡。     

绕弹性水翼空化流动及其流激振动特性研究

该文采用基于径向基函数的流固耦合方法,对不同空化数下绕刚性水翼/弹性水翼的空泡形态及其流激振动特性进行了数值模拟。结果表明,绕弹性水翼空泡形态具有三个典型特征：(1)靠近翼尖前缘的附着空泡形态为三角形;(2)翼尖出现梢涡空化,梢涡空化随着空化数的降低而逐渐明显;(3)回射流作用下水翼存在云状空泡的周期性脱落。对不同空化数下弹性水翼的振动特性进行分析发现,随着空化数的下降,水翼振动的平均振幅及振幅波动值先增大再减小,平均振幅和振幅波动由大到小依次是：云空化>超空化>片空化。     

波浪对水翼非稳态空泡流动特性的影响研究

基于雷诺平均Navier-Stokes方程、Singhal-Et-Al全空化模型和修正的RNG k-ε湍流模型的VOF多相流动数学模型,采用PISO算法的有限体积法和数值水池技术,对波浪作用下NACA0012水翼的非稳态空泡流动特性进行了数值研究,分析了波高和水翼浸深对水翼非稳态空泡的形态演化和脱落频率的影响.计算结果表明:空泡非稳态周期性脱落频率随波高的增加而增加,随水翼浸深的增加而逐渐减小.与无波情况相比,空泡在波谷处提前断裂,空泡形态也因为波谷下方速度场的影响而向上鼓起.由于自由液面的界面效应,空泡形态较无界情况偏扁,并且液面对脱落涡系有吸引作用.     

基于B样条网格的三维水翼水动力性能研究

该文应用低阶速度势面元法建立了预报三维水翼水动力性能的数值方法,重点对翼梢和尾涡进行了研究。文中采用基于B样条的网格划分方法,在水翼前缘处的弦向网格线与外轮廓线正交,在尾缘处与尾涡离开的速度方向相一致。翼梢上尾涡分离点的位置采用迭代的方法进行确定。对于三维升力问题而言,横向流动的影响作用很大,本文对现有的库塔条件形式进行了改进,在考虑横流影响的前提下,满足随边荷载为零的条件。通过对计算结果与试验结果进行比较表明,将基于B样条的网格划分方法及改进的库塔条件应用于已有的面元法程序中,能够很好地改善计算结果的精度。     

粘性流中的二维兴波水翼水动力特性研究

本文采用边界层的概念来研究粘性流中的二维兴波水翼之水动力特性的数值计算方法。考虑到边界层与外部势流的相互干扰，运用了势流与边界层的相互迭代计算，从而求得两者相互匹配的解。用势流解求得的水翼升力系数往往比实验值明显偏大。而用本文的方法，从算例来看，计算结果比势流解减小１５％左右，而与实验值比较接近。本文还讨论了兴波阻力的计算方法，并有算例。     

非饱和粉土的动弹性模量和阻尼比研究

使用吸力可控或可测的非饱和土振动三轴试验仪,对非饱和及饱和粉土进行动力变形试验,在不同净围压应力、不同初始含水率的条件下,得到了非饱和及饱和粉土试样的动应力应变骨架曲线、动弹性模量和阻尼比,并量测试样吸力。试验结果表明:(1)非饱和粉土的骨架曲线比饱和粉土的高;(2)在相同净围压条件下,不同含水率的非饱和粉土动弹性模量大小相近,而饱和土试样的动弹性模量略小;(3)在相同净围压条件下,不同含水率的非饱和粉土阻尼比也相近,而饱和土粉土的阻尼比略大。     

非饱和粉土的动模量和阻尼比研究

使用吸力可控或可测的非饱和土振动三轴试验仪，对非饱和及饱和粉土进行动力变形试验，在不同净围压应力、不同初始含水量的条件下，得到了非饱和及饱和粉土试样的动应力应变骨架曲线、动弹性模量和阻尼比，并量测试样吸力。试验结果表明：（1）非饱和粉土的骨架曲线比饱和粉土的要高；（2）在相同净围压条件下，不同含水量的非饱和粉土动弹性模量大小几乎相近，而饱和土试样的动弹性模量略小；（3）在相同净围压条件下，不同含水量的非饱和粉土阻尼比也几乎相近，而饱和土粉土的阻尼比略大。上述试验结果可以用现代非饱和土力学理论来解释。     

水闸规模对河道水动力水环境的影响研究

水闸规模与所处河道宽度的差异一定程度上会阻碍水流流通,造成水体置换周期延长,极易诱发水体富营养化,故确定水闸建设规模对河道水动力水环境的影响对维护水安全具有重要意义。以上海市青浦区跃进圩区内的闸坝为研究对象,采用一维水动力水质模型模拟预测了不同闸宽条件下跃进片各断面最大流量、总进水量等水动力变化特征以及COD、NH3-N、TP等营养物质的浓度变化,探讨了圩区水闸闸孔宽度与河道断面匹配关系,分析了闸孔宽度变化对水量水质的影响。模拟结果表明：闸门宽度的增加将直接引起过闸的最大流量线性增大,而总进水量与水质改善情况更大程度地受限于闸门河宽比。在现有引排水量及闸泵调度规则下,跃进片区的临界闸门河宽比约为2/5。     

基于非对称贴近度的水库移民后期扶持效果评价模型研究

国家对大中型水库移民实行前期补偿加后期扶持的政策,后期扶持工作是帮助移民重建社会和经济关系的系统工程。对于后期扶持政策的实施效果评价,目前多采用基于最大隶属度原则的模糊综合评判法。但该方法在应用过程中可能会丢失大量信息,从而引起评价结论失真。非对称贴近度方法能够在一定程度上避免最大隶属度原则的缺陷。本文首先结合文献和专家意见建立后期扶持效果评价指标体系,利用层次分析法确定指标权重,在此基础上构建基于非对称贴近度的移民后期扶持效果评价模型,并将其应用于龙门县大中型水库移民后期扶持政策实施效果评价。实例分析表明,该模型能客观地反映当地移民后期扶持的效果并揭示不足之处,评价结果较为可信、合理,可为水库移民后期扶持工作实践提供参考。     

淮河干流分布式水文水动力耦合模型研究

综合传统水文模拟方法及水动力学模拟方法,建立淮河干流的水文水动力数值模型,依据其水流的水动力学要素特点,将淮河流域的不同区域进行分类,并建立了实际流域基本对象与数值模型要素之间的映射关系。在分布式架构下,以节点水位为基本变量,对全流域水流进行耦合隐式求解。利用数字流域系统构建了淮河干流淮滨至老子山段的洪水演进的数学模型并对模型进行了参数率定及验证分析。结果表明,该模型稳定、可靠,能应用于今后淮河流域的洪水预报、水资源调度、工程管理等工作。     

海上风电场复合桩基础体型优化及承载力特性研究

基于弹性地基反力法,推导出复合桩基础水平承载力理论计算公式,并以承载力和结构强度满足设计要求为约束条件,根据SQP优化理论对基础进行体型优化。采用三维有限元分析的方法,系统地研究了复合桩基础水平承载力特性,分析了基础桩侧土体抗力的分布形式。研究结果可为复合桩基础的结构设计以及实际运行过程中安全性和稳定性的控制提供了参考依据。