超高水头大泄量竖井旋流泄洪洞消能机理数值模拟研究

鉴于传统模型试验对竖井内旋转水流的流速测量难度较大,采用Realizableκ-ε双方程紊流模型,并结合VOF法,对某一超高水头大泄量竖井旋流泄洪洞进行数值模拟,对比分析了水流流态、空腔直径、井壁压强及旋流角等水力要素的模型试验和数值模拟结果,在此基础上,计算了不同断面的能量大小,获得了竖井旋流泄洪洞各部位的消能形式及消能率分布。结果表明,竖井起始部位主要消去旋转水流的切向动能,占总能量损失的6.19%;中间部位主要消去旋转水流的位能,占总能量损失的21.18%;下半部位利用环状水跃及水垫池消去旋转水流大部分的剩余能量,占总能量损失的58.69%。     

三种紊流模型模拟溢流坝泄流精度的对比分析

为研究不同紊流模型对溢流坝泄洪数值模拟的适用性和准确度,采用标准κ-ε模型、RNGκ-ε模型及大涡模拟(LES)模型等3种经典紊流模型对某溢流坝泄流过程进行数值模拟;同时,将数值模拟出的溢流坝坝面的水流流态、流速及坝面压强等溢流坝泄流过程的重要水力指标结果与物理模型试验结果进行对比分析。结果表明,RNGκ-ε模型对溢流坝泄流的流态模拟效果最好,与物理模型试验结果最为一致;LES模型对坝面水流流速、坝面压强及空化数的模拟效果最好;采用标准κ-ε模型模拟出的各个指标精度最低。因此,针对溢流坝泄流过程数值模拟,应优先采用RNGκ-ε模型和LES模型。     

修正的κ-ε-κp双流体模型用于模拟旋流突扩燃烧室内气固两相流动

对标准的κ-ε-κp模型中ε方程的源项进行了修正，用于模拟有旋突扩气固两相湍流流动，并与实验结果进行了比较，得出的修正模型能够较好地模拟旋流流动，对工程优化和设计具有指导意义。     

基于不同湍流模型的混流泵内部流动及性能研究

以低比转数混流泵为例,基于CFX软件,分别选取标准κ-ε模型、RNGκ-ε模型、剪切应力传输SSTκ-ω模型、BSLκ-ω模型4种湍流模型,模拟了该混流泵在设计工况和非设计工况下叶轮内流场的流动分布及叶片压力变化情况,并对比分析了外特性计算结果与试验结果。结果表明,基于4种湍流模型的计算结果与试验结果均基本一致,其中基于标准κ-ε模型的扬程、效率的预测结果与试验结果更为接近。     

湍流模型在肘形进水流道三维流场数值模拟中的适用性研究

为找到可准确模拟低扬程泵站肘形进水流道水流流动的湍流模型,在对肘形进水流道进行网格无关性分析的基础上,选用S-A、Standardκ-ε、RNGκ-ε、Realizableκ-ε、Standardκ-ω、SSTκ-ω和RSM等7种常用湍流模型分别对肘形进水流道三维湍流流动进行数值模拟,并从流道水头损失和流态两个方面与流道模型试验结果进行比较。结果表明,不同湍流模型满足网格无关性所需的网格数量不同,RNGκ-ε、Realizableκ-ε和S-A湍流模型数值模拟的水力损失与模型试验结果的相对误差分别为1.01%、7.07%、9.09%,RNGκ-ε与Realizableκ-ε湍流模型计算得到的流场几乎完全相同,建议在对肘形进水流道三维湍流流动进行数值模拟时优先考虑采用RNGκ-ε湍流模型。研究成果可为进水流道三维湍流流动数值模拟的模型选择提供依据。     

旋流竖井泄洪洞水力学特性及泥沙输移特性研究

基于RNGκ-ε双方程紊流模型并结合VOF两相流模型，通过模型试验和数值模拟分析了双涡室旋流竖井流态、流速、压力、消能、空化和泥沙输移特性。结果表明，模拟结果与试验值吻合程度较好，涡室段通过掺气坎补气，掺气更加充分，降低了发生空蚀破坏可能性；实测消能率达到75%以上，消能效果较好；不同粒径泥沙在不同流量下在竖井底部存在泥沙淤积，使得消力井深度减小，小流量运行时淤沙最高可达到消力井深度的72%,但经过一次大洪水后泥沙被清空，淤沙高度降低为井深的1.6%,使旋流竖井保持有足够的消能水垫，不会影响其正常运行。在实际工程中，控制拦污栅大小，避免大颗粒泥沙进入泄洪洞导致拥堵，实践中可通过改变运行方式来控制消力井淤沙高度，使其有足够富裕的水垫深度来满足旋流竖井设计和正常运行要求。     

管内水流冲击滞留气团的CFD模拟方法验证

在输/排水管道的快速填充过程中常会出现含滞留气团的复杂气—水两相瞬变流,极有可能引发异常的压力波动,从而导致严重的水力过载甚至爆管事故。目前,对于这种特殊瞬变流现象的研究基本采用一维方法或观测视角,无法准确反映气团的动态特性。为此,基于计算流体力学(CFD)模拟方法,采用5种湍流模型对该瞬变流问题进行了二维(2D)数值模拟,并将其瞬态压力、水气耦合分布模拟与试验结果进行比较。结果表明,CFD模拟方法能有效模拟水气分布及压力动态变化;标准κ-ε和标准κ-ω模型计算的最大压力误差较小,RNG模型的压力波动周期吻合度最好,两种κ-ω模型的气团模拟效果欠佳。     

用RNGκ—ε模型计算内燃机缸内湍流流动

应用快速畸变假设对RNGκ-ε湍流模型进行压缩性修正后，将其应用于内燃机缸内湍流流动的数值模拟，计算采用任意拉格朗日－欧拉法。给出了用RNGκ-ε模型算得的结果，并与标准的RNGκ-ε模型算得的结果和实验结果进行了对比。结果表明，用RNGκ-ε湍流模型算得的结果比RNGκ-ε模型算得的结果有所改进，此模型适合于计算内燃机缸内湍流流动。     

基于三种湍流模型的竖缝式鱼道水力特性研究

为研究不同湍流模型对竖缝式鱼道数值模拟的适用性和准确度,采用RNGκ-ε模型、大涡模拟(LES)模型及分离涡(DES)模型3种湍流模型对某竖缝式鱼道进行数值模拟,并对比分析了模拟的竖缝式鱼道流态特征、流速及湍动能等水力指标值与实测数据。结果表明,3种模型均可较为准确地解析鱼道池室流态特性,其中DES模型最能反映竖缝式鱼道的流态、流速分布;综合模拟成本后,RNGκ-ε模型在湍动能模拟方面较其他两个瞬时模型具有优势。因此,鱼道数值模拟在不追求较高精度流场特征的要求下,应优先选用RNGκ-ε模型。研究结果可为今后数值模拟在鱼道工程的应用提供参考。     

侧槽式溢洪道水流的紊流数值模拟研究

针对侧槽式溢洪道侧槽段水流大尺度的横向旋涡、回卷表层水流与由溢流堰下泄水流相互作用后掺气、沿主流方向平均流速分布不规则的问题,采用RNGκ-ε紊流模型对侧槽式溢洪道水力特性进行了三维数值模拟,并与物理模型试验结果进行了对比,获得了水流流态、水面线、压强和流速等水力参数的分布特征。结果表明,计算值与实测值相吻合,该方法有效可行。     

网格密度对内燃机冷态流场大涡模拟的影响

通过修改发动机多维CFD计算程序KIVA-3V,建立了内燃机压缩过程冷态流场的大涡模拟(LES)计算模型.利用此模型对内燃机压缩过程中缸内流场的水平速度及湍流动能进行分析,同时,分析了网格密度对内燃机缸内流场大涡模拟的影响.结果表明,当采用k-ε模型计算时,网格的精细程度对流场结构影响不大;在相同的计算网格下,与采用k-ε模型计算相比,采用LES计算显示了更为复杂的湍流结构,而且LES所能捕捉到的涡团结构范围要大于k-ε模型,计算得到的湍流动能也要低于k-ε模型;同时,网格越精细,这种效应越明显.     

不同湍流模型对水平轴风力机三维粘性气流特性的影响

对某水平轴风力机叶片附近的三维湍流流场进行了数值模拟,其中在7、15、25m/s 3种不同工况下分别采用S-A、Standard k-ε、RNG k-ε和SST k-ω4种湍流模型。计算结果表明:随着来流速度的逐渐增大,叶片吸力面的分离流沿叶根向叶尖方向逐渐发展,且由于三维旋转效应使得展向流动逐渐增强。和相关实验结果比较,选择不同的湍流模型对数值模拟结果有明显影响,其中RNG k-ε和SST k-ω两种模型可以获得较好的压力分布计算精度。综合考虑压力分布、功率系数和推力系数在不同工况下与实验结果的比较,选择SST k-ω湍流模型较适合模拟该水平轴风力机周围复杂的三维湍流流动。     

轴流泵站开敞式进水池的数值模拟与技术改造

以浙江省诸暨轴流泵站为例,基于三维湍流Navier-Stokes控制方程,采用标准κ-ε模型和SIMPLEC算法对轴流泵站进行了数值模拟,分析了开敞式进水池的水流流态和轴流泵叶轮进口断面的轴向流速分布,进而提出了进水池后壁距尺寸优化、管后隔板和后墙隔板3种技术改造方案,并比较了3种技术改造方案下的模拟结果。结果表明,管后隔板为减少该轴流泵站进水池回流的最佳技术改造方案。     

基于低雷诺数κ-ε模型冲击射流传热的数值模拟

冲机射流在机翼除霜、电子元器件散热等工程领域应用广泛,为进一步研究其传热机理,利用两种低雷诺数κ-ε模型对单股冲击射流的传热进行数值模拟,并与标准κ-ε模型及雷诺应力模型的计算结果进行对比。结果表明,低雷诺数κ-ε模型在两种工况下的计算结果均优于其他模型。湍流热扩散系数作为求解温度场最重要的参数,对传热的计算结果影响极大,通常用湍流普朗特数作为常数求解。在低雷诺数κ-ε模型的基础上,分别通过湍流普朗特数函数求解和t2-εt方程直接求解进行改进,并将计算结果进行比较。结果表明,使用湍流普朗特数函数形式求解湍流热扩散系数能给出更好的预测结果,直接求解仍需进一步改进。     

横隔板式鱼道水力特性数值模拟研究

为改善堤、坝等阻碍鱼类洄游的现状应用了鱼道、鱼闸等过鱼设施,采用RNG κ-ε湍流模型和有限差分法对兴隆水利枢纽工程鱼道进行了数值模拟,分析了淹没孔口式横隔板鱼道的流态和紊动能,研究了过鱼池和休息池的水力特性。结果表明,淹没孔口式横隔板鱼道的孔口水流具有固定特性,紊动能的分布空间较广,消能效果较好。过鱼池和休息池内水流的流态较稳定,能满足过鱼对象的需求。     

抽水蓄能电站上水库流态CFD模拟分析

运用CFD软件Flow-3D和RNGκ-ε湍流模型模拟分析了抽水蓄能电站上水库的进/出水口位置及其形状对流态的影响,并模拟分析了某抽水蓄能电站上水库的流态变化,提出了优化建议。结果表明,上水库圆形库面、进/出水口前设置较长引水渠流态较好且利于主流扩散,当进/出水口两侧有一定距离时可减小环流对库岸的冲刷。     

溢流式面板坝坝体溢洪道水流数值研究

在水利水电建设中．对于溢流式面板坝,一个重要的问题就是溢洪道的消能．采用不同的消能方式将表现出不同的水力学特性。利用处理复杂自由水面的体积流体分析（VOF）方法和κ-ε方程紊流数学模型对光滑式、台阶式两种形式上的水流进行数值模拟研究。     

高坝水力学中紊流数学模型的应用及改进(Ⅱ)

介绍了采用紊流模型和有限体积方法,通过数值模拟解决几类典型的高坝水力学问题:(1)水垫塘三元典型流态模拟、水垫塘水体消能分区;(2)具有未知底边界的冲刷坑水流模拟;(3)洞塞消能、竖井旋流式消能和龙抬头式泄洪洞反弧段的流场模拟;(4)掺气挑坎形成的高紊动掺气水流的流场模拟。这些问题来源于实际工程,成果也已应用于工程设计中。     

进口结构对方形旋风分离器性能影响的数值研究

利用CFD模拟研究了一种具有双矩形进口的方形截面的旋风分离器内部的流动特点,其中气相模型采用了雷诺应力湍流模型（Reynolds stress model,RSM）,颗粒相采用随机轨道模型。计算结果与文献实验数据的对比表明模型具有可靠性。模拟结果表明：在分离器内部的排气管和分离器壁面间的区域为强旋湍流区,靠近分离器壁面和排气管壁面的区域旋流强度较弱;排气管下的分离器内出现了回流;进口结构影响分离器内的旋流分布特点和回流开始位置及湍动能的分布,从而影响了分离效率和阻力,其中倾斜双进口的方形分离器内旋转向下的气流运动区域更大,回流开始位置更低,因此其分离效果更好;进口结构影响分离器内局部湍动能的分布特点和大小,从而决定了分离器的阻力大小;倾斜双进口的方形分离器内的局部湍动能小于对应的垂直单、双进口分离器,因此其阻力系数最小。     

旋风筒内强旋湍流流动的实验研究

本文采用能同时测定流场方法和速度的旋转式一孔探针，对不同结构的旋风筒内强度旋湍流流动进行了实验研究，给出了不同的入口位置和出口结构对流场中轴向切向速度分布和回流位置等特性的影响规律，研究结果对旋风炉及旋风除尘器的设计有着重要的参考价值。