不同比例长短叶片对混流式水轮机内部流场的影响

为探究不同比例长短叶片对混流式水轮机各过流部件内部流场的影响,采用RNGk-ε湍流模型和三维时均N-S方程,对不同比例长短叶片混流式水轮机进行全流道三维定常数值模拟。计算结果表明在不影响转轮区流态的情况下,适当增加短叶片长度,水轮机抗空化空蚀性能有所提高,尾水管进口低压区覆盖面积有所减小。但随着短叶片长度的增长,水轮机效率降低,且固定导叶尾部、活动导叶头部以及蜗壳鼻端高压覆盖面积增大。以上结论对长短叶片混流式水轮机的设计、优化和改型等研究具有一定的指导意义。     

导叶叶片数及导叶相对位置对低扬程轴流泵装置性能的影响

为研究导叶叶片数及导叶相对位置对轴流泵装置性能的影响,设计了3个不同导叶数方案和4个不同导叶相对位置方案,采用计算流体动力学软件分别对每个模型在0.8Q_d~1.2Q_d之间的5个工况进行计算.根据数值计算结果,选择最优模型,即导叶数为5,叶轮出口距导叶距离为0.086D的泵装置模型进行能量特性试验,并将试验结果与数值计算结果进行对比分析.结果表明:当轴流泵叶轮叶片数一定时,增加导叶数,将使导叶水力损失增大,出水流道水力损失增大,泵装置效率将下降;当叶轮叶片数和导叶数一定时,叶轮出口至导叶进口距离过大或过小时,将使导叶水力损失增大,导叶出口速度环量减小,出水流道水力损失增大,泵装置效率将下降;试验结果与数值计算结果的误差在4%以内,验证了数值计算的可靠性、准确性.研究结果可为泵装置的导叶水力设计和效率提高提供一定参考.     

叶片安放角对微型轴流式水轮机性能的影响

为探究叶片安放角对微型轴流式水轮机水力性能的影响,以一比转数为548的微型轴流式水轮机为研究对象,在不改变其他几何参数的前提下,仅偏置转轮叶片各翼型剖面,得到7个不同叶片安放角的转轮;在试验验证的基础上,通过全流场数值计算,分析了改变叶片安放角对微型轴流式水轮机水力性能的影响.结果表明：随着叶片安放角的减小,在相同流量下水轮机的水头与出力均增大,高效率区域向小流量区域偏移,水轮机可高效运转的范围有一定程度的增大;随着叶片安放角的增大,水轮机的水头与出力减小,高效率区域向大流量区域偏移.适当减小叶片安放角的水轮机能在较大水头(流量)变化范围内维持较好的性能.其中,安放角为-4°的水轮机最高效率达到82.13%,高效率区的范围最大.该研究可为微型轴流式水轮机转轮的设计提供一定参考.     

水泵水轮机水轮机制动区的流动特性

为研究水泵水轮机水轮机制动区的不稳定流动特性,根据某抽水蓄能电站建立水力模型,应用计算流体动力学软件Fluent模拟其流动特征．采用SST k-ω模型和SIMPLEC算法计算水轮机制动工况的内流场和外特性,并结合试验数据进行对比验证．结果表明,水泵水轮机在水轮机制动工况随流量的变化水头变化不大,在力矩为0时的水头最低;导叶开度越大,进入制动区时所需的转速越高,且流量越大,可以通过调节导叶开度防止水泵水轮机进入制动区;导叶工作开度下力矩为0时的流场不存在涡结构,随着流量的减小,在叶片和活动导叶的进口以及固定导叶和活动导叶之间出现大量的回流涡,并且呈现出类周期性分布特征;转轮中的回流涡是由于前倾式叶片的倾角较大产生的,导叶中的回流涡是由于流体流动方向与导叶叶片的冲角引起的．以上结论可为水泵水轮机的优化设计提供一定的理论基础．     

导叶开度对贯流式水轮机性能及流动特征的影响

针对某型号贯流式水轮机,运用ANSYS CFX,分别在导叶开度为1 550,1 405和1 278 mm条件下,对水轮机内部三维流场进行全流道数值模拟,研究导叶开度对水轮机性能及流动特征的影响.通过分析对比3种开度下水轮机水头和效率,同时研究全流道截面压力、速度分布,导叶外环面压力分布,导叶叶片压力分布以及转轮叶片压力分布,得出开度为1 405 mm是与转轮匹配性最佳的导叶开度.进而对最佳导叶开度下水轮机在0.8Q,1.0Q,1.2Q这3种工况下的空化进行模拟,结果发现空化很大程度地降低了水轮机的水头和效率.同时对转轮、转轮叶片以及尾水管的空泡相体积分数的分布进行了分析,得知在设计工况下的空化程度最轻,小流量工况下的转轮内空化比较严重,而在大流量工况下,空化区从转轮出口延伸到尾水管内.     

基于微水发电系统的智慧农业物联网设备研发及应用

鉴于中国水资源短缺且农业灌溉用水有效利用率低的现状,为提高农业灌溉用水效率与效能,加快高科技智慧型农业设备研发与推广,降低农业投入以及农业用水的比例,采用数值模拟与模型试验相结合的方法,制定四因素三水平的正交试验优化方案,对9种不同方案在设计流量点处的新型微型管道水轮机性能进行计算,并进行物理模型试验验证.研究结果表明:水轮机内的压力脉动主要受到叶片通过频率和导叶通过频率的影响;在设计流量点处,优化后的水轮机出力为6.30 W,效率为85.13%,与初步设计方案相比,分别提高了32.35%和2.58%.同时研发了智慧农业物联网前端与终端系统,建立一个集自发电、环境监测、远程控制、情况预警、生长状况分析于一体的综合性农业物联网智能管理系统,极大地方便了用户,为实现智能化种植、养殖技术提供了一种切实可行的方案.     

基于CFD的空间导叶内部流场分析及优化设计

针对空间导叶传统设计方法的不足,以离心泵的空间导叶为研究对象,采用设计工况下泵的扬程和效率提升为优化目标,在保证叶片进口安放角、出口安放角、导叶轴面等设计参数不变的前提下,通过CFD数值模拟计算不同包角的空间导叶叶型与泵的水力效率之间的关系,从而寻找效率最优的导叶叶型.计算结果表明:空间导叶的叶片包角对泵的内流场结构和泵的外特性有重要影响,在其他流道参数不变的情况下, 存在使泵效率最高的最优包角;随着导叶叶片包角的增大,叶片工作面上的高压区域逐步由进口向出口移动,叶片由“前载型”逐步变为“后载型”;小包角时,由于叶片前部分的叶片安放角变化较大,在叶片背面的中部到后部的部分区域存在低速脱流区,且随着叶片包角的增大该脱流区面积逐渐减小并逐渐向出口方向移动;随着叶片包角的增大,叶片进口堵塞现象加重,导叶进口速度逐渐增大.揭示了空间导叶流动结构与导叶包角、型线间的内在关系,为空间导叶的优化及设计提供一定的理论依据.     

基于弱可压缩计算的水泵水轮机超出力分析

为防止超出力工况下转轮内流体流速过高,出现脱流现象,进而导致无叶区压力脉动的升高,研究了水泵水轮机在超出力工况下运行时的水力稳定性.基于非定常、不可压缩流体,建立了三维水泵水轮机水力模型,采用SST k-ω模型对在110%额定功率下运行的模型机组进行数值模拟,预测超出力工况下的水泵水轮机内流场以及压力脉动,对导叶流域的压力脉动演化规律进行分析,并将其与试验结果进行对比.结果表明:在超出力工况下运行时,导叶附近流域压力脉动幅值沿流动方向逐渐增大;在固定导叶与活动导叶之间,压力脉动的主频大小由叶片通过频率的2倍变为1倍;2倍叶片通过频率分量幅值与混频幅值之比在活动导叶流域明显降低.超出力工况下,转轮叶片压力面出现脱流,并且在尾水管中存在1个粗大的涡带,导致机组性能降低.     

活动导叶分布圆直径对混流式水轮机水力性能的影响

对于混流式水轮机,活动导叶与固定导叶以及转轮的相对位置直接影响导水机构和转轮内部流动,对水轮机安全、稳定、高效运行起到重要作用。采用商业软件ANSYS CFX 16. 0对某电站水轮机模型机全流道进行三维数值模拟计算,提出了5种活动导叶分布圆直径方案,分析不同方案下水轮机的外部能量特性与内部流场,寻找活动导叶安放的最佳位置。结果表明:适当增大活动导叶分布圆直径,可以有效改善叶片吸力面的低压区,降低活动导叶流域内水流的最大速度,改善转轮进口水流角,同时减小导水机构与转轮的水力损失。小流量工况下,D_0/D_1增大0. 031,水轮机效率提高了5. 28个百分点;设计工况与大流量工况下,活动导叶分布圆的变化对水轮机效率的影响相对于小流量工况较小,最高效率与最低效率的差值分别为0. 17%与0. 48%。因此,在一定范围内改变活动导叶的分布圆直径具有可实施性,对水轮机的优化设计有一定参考价值。     

导叶开度对混流式水轮机转轮叶片表面空化性能的影响

由于在一些中小型水电站中,其水轮发电机组的转轮叶片表面常常会发生空化现象,较大程度地影响了机组的安全可靠运行。从某水电站的转轮叶片空化问题出发,首先对该混流式水轮机进行三维建模,然后进行全流道数值模拟,分别对不同导叶开度下转轮叶片表面压力、空泡体积分布规律进行分析。研究发现:随着水头的增加,吸力面低压区面积进一步扩大。特别是40%开度时叶片吸力面低压区面积增大最多,且随着水头的继续增加,低压区有向叶片中部移动的趋势;同时在40%开度下叶片表面空化受水头影响较大,而在100%开度下叶片表面空化受水头影响并不大,但随着导叶开度的增大,叶片表面越容易发生空化,特别是叶片吸力面出水边靠近下环处空化更明显。研究结果可为该水轮发电机组的安全稳定运行提供理论参考依据。     

导叶对液力透平性能影响的数值分析

为研究导叶对液力透平运行性能的影响,采用CFD软件对无导叶和导叶数为7,9,11的4种液力透平进行数值模拟,分析了有、无导叶及不同导叶数对透平运行稳定性的影响,得到透平运行的外特性曲线. 结果表明,添加导叶可以提高液力透平的效率且效率随导叶片数增多而提高,较无导叶时透平最高效率点的流量增加、压头降低. 内流场分析表明,添加导叶后叶轮流道内的速度分布得到明显改善,其内部区域的旋涡数量减少、旋涡尺寸明显变小;压力分布均匀、梯度较为明显,且随导叶数的增加叶轮的进口静压逐渐增大. 叶轮进口速度矩分析表明,速度矩在有导叶时变化幅度变小,在叶轮进口环面上变化较平稳且分布对称,导叶数为11时其变化幅度值最小. 研究结果表明,透平添加导叶改善了叶轮的入流条件,提高了液力透平运行的稳定性能.     

轴流转桨式水轮机协联关闭规律选择及优化分析

合理的水轮机关闭规律对控制水电站水力过渡过程调保参数非常关键,由于桨叶-导叶双调节的存在,轴流转桨式水轮机的关闭规律的选择和优化较为复杂。基于对轴流转桨式机组协联飞逸曲线的特性分析,提出了一种新型导叶桨叶协联关闭规律:机组发生甩负荷时,导叶一段直线或折线关闭,桨叶一段直线开启,结合数值仿真计算分析,验证了该关闭规律能够显著降低蜗壳末端最大压力,而机组转速最大上升率略有升高。为了进一步优化所得协联关闭规律,建立了以蜗壳末端最大压力和机组转速最大上升率为控制指标的导叶关闭规律非线性优化模型,基于确定的桨叶开启动作方式,采用模拟退火智能算法优化导叶两段折线关闭规律,得到了能够满足调节保证计算要求的水轮机导叶桨叶协联关闭规律,且各指标的安全裕量分配较为合理。相关结论可为轴流转桨式水轮机的关闭规律选取和优化提供参考。     

双旋涡轮叶片不同参数下外流场模拟分析及优化

【目的】研究搅拌器中双旋涡轮叶片的外流场特性与叶轮参数之间的关系。【方法】采用叶轮设计理论分析、模拟与优化等方法,研究双旋涡轮叶片数、叶片开孔、中心轴开孔这3个影响因素对外流场的影响结果,对模型进行分析和整体优化,与传统斜叶涡轮叶片对比研究。【结果】叶片数量、叶片开孔及中心轴开孔的分析情况中,叶片数目为6时外流场的循环环流明显,环流强度较大,即搅拌效率最高;叶片开孔与中心轴开孔的情况,在一定程度上破坏了循环环流,降低了搅拌效率,即无孔方案更佳;在对流场的模拟分析中,叶片数量对外流场影响最大。【结论】在3个不同影响因素下,叶片数量在3个影响外流场的因素中作用最大;叶片有孔相较于无孔降低了搅拌效率;中心轴开孔相较于无孔,在一定程度上降低了搅拌效率模拟分析中最佳方案为6叶片无孔涡轮叶片。上述模拟分析结果,在涡轮叶片的分析中有一定的参考作用,为以后搅拌器的叶轮分析研究提供了相关理论依据。     

水泵水轮机预开导叶的优化分析

水泵水轮机在S特性区内运行时将发生机组并网困难或者在甩负荷过程中水压异常上升的问题,使机组震动加剧．目前解决S特性的有效方法为预开导叶,即在小开度下预开启偶数个导叶至指定开度来缓解S特性区的不稳定性．为了探究有效的预开导叶方式,首先分别根据预开导叶的数目及位置的不同,设计4种预开导叶方案,通过全三维流道的数值模拟分析找到能够缓解S特性的最优方案;其次对选定的最优方案进行模型试验并与模拟结果进行对比验证．结果表明:并不是预开的导叶数越多,改善S特性越好;等间隔分布预开导叶改善S特性的效果要优于集中分布的预开导叶方案;最终得出在预开2＃,7＃,12＃,17＃ 2对导叶的情况下对水泵水轮机S特性缓解效果最为明显.计算结果与模型试验的对比表明了模拟结果与试验结果趋于一致．     

导叶参数对混流泵水阻系数及效率的影响

以某混流泵为研究对象,基于Fluent软件,建立相对坐标系下的时均连续方程及N-S方程,并采用RNG k-ε湍流模型、非结构四面体网格和SIMPLEC算法对该混流泵内部三维流动进行数值模拟,在分析网格无关性的基础上,研究叶轮叶片和导叶叶片的静压及绝对速度分布规律,并对在不同的导叶数和不同导叶进口安放角下分别模拟了其在静态时的水阻系数和动态时的性能参数,发现在其他参数不变只改变导叶数时,导叶数为3时该混流泵水阻系数最低,导叶数为9时扬程和效率最高;在设计工况下其他参数保持不变只改变导叶进口安放角,冲角为0°时该混流泵的水阻系数最低,扬程和效率最高,但总体变化不明显.结果表明：在特殊应用环境下、为保证设计所要求效率的情况下,导叶数应尽量少;在设计混流泵的空间导叶时,导叶进口安放角在5°左右的范围内改变,混流泵的性能无明显变化.     

轴流风机结构优化设计及内部流动特性分析

针对如何提高便携式轴流风机的运行性能,通过对其结构进行优化设计,主要研究转子部件的叶片数及叶片安装角的改变对叶轮与导叶匹配性的影响.基于SST k-ω湍流模型,采用数值模拟探究其内部流动特性,并通过试验验证其可靠性.研究结果表明:叶片安装角对轴流风机性能影响较大,而叶片数的影响相对较小.通过对比分析不同模型间的内流特性,确定了适合便携式轴流风机的叶片安装角和叶片数;发现叶顶泄漏涡的发展对后导叶的影响随着安装角的变化存在不同,并诱发叶轮与导叶交界区域流体扰动,影响叶轮和导叶的匹配性;湍动能在叶轮叶片进口处存在最大值,叶顶区因叶顶泄漏,其湍动能相较与叶根区更大.便携轴流式风机结构优化和内部流动特性的分析对其设计具有一定的指导意义.     

叶片高压边安放角对高水头水泵水轮机性能的影响

基于低比转数混流式转轮设计程序,在保证转轮其他参数一致的条件下,分别设计了3个具有不同高压边安放角的叶片,并采用CFD技术对3个转轮分别进行了5个水轮机工况和5个水泵工况的全流道数值模拟,分析了叶片高压边安放角对水泵水轮机能量特性、水轮机工况转轮的来流和水泵工况转轮与活动导叶的动静干涉现象的影响.研究表明,水轮机工况下,数值计算的叶片冲角绝对值大于给定冲角的绝对值,叶片的负冲角越大,导致转轮进口撞击越剧烈,引起水轮机工况水力效率略有下降,但是对转轮内流态扰动很小.水泵工况下,叶片高压边安放角越大,与其相匹配的活动导叶转角越小;由于安放角2叶片与14°转角的活动导叶和固定导叶三者相匹配,其水力效率相对最高;而其他3种高压边安放角叶片由于不匹配,内部流场出现了撞击、脱流和回流等不稳定现象,引起水泵工况水力效率的严重下降.