阀板尾迹对离心泵性能的影响

离心泵进水管路通常布置阀门供检修时切断水流，这会导致离心泵入流畸变。该研究旨在分析泵前检修阀所诱发的非定常尾迹特征及其对大流量工况离心泵运行特性的影响机理。试验对比了均匀来流和畸变来流条件下离心泵的外特性，数值模拟研究了阀板尾迹涡的流动特征及其对离心泵非稳态内流场的影响，分析了阀板尾迹涡诱发的叶轮径向力。结果表明：两种来流条件下数值模拟与试验得到的离心泵外特性误差在5%以内；对离心泵性能产生主要影响的尾迹涡主要来自阀门阀板一侧的边界层分离与卷吸，入流畸变导致大流量工况下离心泵效率相较于均匀入流下降9.15%，扬程降低1.2 m；阀板尾迹在离心泵入口产生1.9倍转频的脉动频率；尾迹涡的周期性入流导致两个叶片前缘的最大相对液流角由30°分别增大至43°和39°，这两个叶片的压力面脱流加剧，产生逐渐向下游耗散的失速团，叶片承受2倍转频的非稳态激振力；尾迹涡的周期性吸入导致叶轮上的时均径向力增大至均匀入流的4.5倍左右，最大径向力达到均匀入流的7倍左右，径向力矢量发生偏移，离心泵断轴风险加剧。研究结果可为工业现场中离心泵运行稳定性的改善提供理论依据。     

基于准稳态假设的混流泵启动特性分析

为了研究混流泵启动过程的准稳态性能,该文以瞬态外特性试验性能参数为依据,获得了混流泵准稳态计算的外特性曲线和无量纲扬程瞬态性能曲线,通过对3种转速下的压力场、速度矢量分析,总结出准稳态计算混流泵内部流动的一般性规律并与粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)测量的瞬态内部流场进行对比。研究发现,准稳态计算扬程呈现直线上升趋势,并随着体积流量的增大逐步偏离试验扬程;3种转速下泵内压力具有相同的分布趋势,叶轮进口截面相对速度矢量近似满足相似定律,并在低转速下出现大尺度的叶顶泄漏涡。与无量纲瞬态性能一致,瞬态PIV测量结果呈现出明显不同于准稳态工况的瞬态效应:在0.75 s时准稳态计算中叶顶泄漏明显,在外缘形成泄漏涡和进口边回流,而瞬态PIV测量中端壁区边界层正从层流向湍流发展;在1.07 s时准稳态计算中叶轮进口速度分布较为均匀,而瞬态PIV测量中流体在惯性力作用下呈现从轮毂向轮缘运动的趋势,卷吸效应较为明显;在1.35 s时准稳态计算结果与1.07 s时的速度场分布较为相似,而瞬态PIV测量中加速的卷吸效应更为显著,外缘高速流动区域随着转速的增加不断增大。该研究可为考证准稳态假设方法的准确度和揭示混流泵启动过程瞬态内部流动特性提供参考。     

混流式水轮机叶道涡流动特性研究

叶道涡是混流式水轮机运行在偏工况下出现的一种典型的空化流动现象，其起源于两叶片之间而消失于转轮出口附近，对水轮机内部的压力及速度场有直接的影响。为了阐明叶道涡演化特征及其对水力性能的影响，该文基于SST k-ω湍流模型及Zwart空化模型对某一低水头混流式模型水轮机进行瞬态空化两相流动的数值模拟及试验研究。结果表明，叶道涡流动结构的数值模拟与试验观测结果基本一致。在叶道涡工况区，转轮内空泡体积呈周期性脉动，叶道涡频率为转频的90%。叶道涡沿叶片展向发展于轮毂面，主水流在离心力的作用下向下环方向偏移，迫使叶道涡向出水边方向移动，故涡束沿叶片出口边背面靠近轮缘处流出。转轮内有限空间限制及偏工况下负冲角的综合作用，是形成叶道涡的主要原因。压力脉动及其频谱分析表明，活动导叶与转轮之间的无叶区、转轮叶片以及尾水管内均捕捉到了叶道涡频率，表明叶道涡频率同时向上游及下游传播。叶道涡对尾水管内部流场有较大影响，表现为锥管段及肘管段中心处形成较大回流区。该研究为进一步深入理解复杂的叶道涡流动特性提供一定参考。     

气液两相离心泵受力特性研究

离心泵在气液两相流工况运行时,叶轮内部流动极不稳定,为了研究叶轮在该工况下的受力情况,该文采用计算流体动力学的方法对某一气液两相离心泵进行了研究。基于欧拉-欧拉非均相流模型及SST湍流模型求解气液两相流离心泵的三维湍流流场,并将数值模拟结果与试验数据对比,两者吻合较好。通过对不同含气率工况下的离心泵瞬态特性进行分析发现,叶轮所受轴向力的大小随着时间的变化而波动,进口含气率达到3%时,轴向力脉动出现明显的峰值,这些峰值所对应的频率均为叶轮转频,随着进口含气率的增加,出现了2个及以上的峰值,进口含气率为7%工况的轴向力脉动峰值是3%工况的3倍,是5%工况的2倍;叶轮所受径向力大小及径向力脉动幅值均随进口含气率的增加呈先增加后减小的趋势,各工况下径向力脉动峰值所对应的频率均为叶片转频的倍数;通过分析进口含气率分别为1%、3%及7%工况下叶轮中间截面的含气率分布、涡量分布以及静压分布可得,叶轮内含气率较高区域的涡量也较大,而该区域的压力分布也不均匀,由此可见,叶轮内气液分布不均导致了叶轮内的压力分布不均,从而使叶轮受力不均。     

风沙对风力机翼型绕流及其气动性能的影响

中国西北地区风能资源丰富,然而该地区经常遭受沙尘天气的侵袭。风力机在强风沙环境下运行,其气动性能难免会受到沙尘的影响,并且其叶片会受到比较严重的磨损,导致机组的出力明显下降。翼型作为风力机叶片的基本组成单元,沙尘颗粒对翼型的绕流和气动特性的影响研究显得尤为必要。该文利用雷诺平均Navier-Stokes方程-大涡模拟(large eddy simulation)混合方法中的延迟分离涡模拟方法,模拟了NREL S809翼型在风沙环境下的流动特性,将不同颗粒直径条件下翼型周围的绕流情况和翼型的气动性能进行了对比,研究了空气中的颗粒对风力机翼型绕流及其气动性能的影响规律。结果表明,6.1?攻角时,颗粒对翼型绕流和升力系数的影响较小,但仍会使翼型的升力系数略微降低。随着颗粒直径的增大,翼型的升力系数先减小再增大,其中颗粒直径为20μm时达到最小值。当颗粒直径为150μm时,其升力系数仍小于洁净空气下的升力系数,但两者已十分接近。8.2?攻角时,不同直径颗粒对翼型绕流具有不同程度的影响,当颗粒直径小于20μm时,颗粒的跟随性较好,颗粒紧随气相运动,对翼型绕流的影响较小;当颗粒直径为20μm时颗粒对翼型绕流造成了极大的影响,如分离点提前、出现展向流动;当颗粒直径大于20μm后,随着颗粒直径的继续增大,颗粒的惯性力变强,颗粒逐渐独立于气相运动,对翼型绕流的影响也逐渐减弱。升力系数随颗粒直径的变化趋势和小攻角时相同,但变化幅度变大,升力系数最小时比洁净空气时减少了7.9%。该文可为不同颗粒直径的风沙环境下颗粒对翼型周围绕流流场及其对翼型升力系数影响等相关研究提供参考。     

气液两相离心泵受力特性分析

离心泵在气液两相流工况运行时,叶轮内部流动极不稳定,为了研究叶轮在该工况下的受力情况,该文采用计算流体动力学的方法对某一气液两相离心泵进行了研究。基于欧拉-欧拉非均相流模型及SST湍流模型求解气液两相流离心泵的三维湍流流场,并将数值模拟结果与试验数据对比,两者吻合较好。通过对不同含气率工况下的离心泵瞬态特性进行分析发现,叶轮所受轴向力的大小随着时间的变化而波动,进口含气率达到3%时,轴向力脉动出现明显的峰值,这些峰值所对应的频率均为叶轮转频,随着进口含气率的增加,出现了2个及以上的峰值,进口含气率为7%工况的轴向力脉动峰值是3%工况的3倍,是5%工况的2倍;叶轮所受径向力大小及径向力脉动幅值均随进口含气率的增加呈先增加后减小的趋势,各工况下径向力脉动峰值所对应的频率均为叶片转频的倍数;通过分析进口含气率分别为1%、3%及7%工况下叶轮中间截面的含气率分布、涡量分布以及静压分布可得,叶轮内含气率较高区域的涡量也较大,而该区域的压力分布也不均匀,由此可见,叶轮内气液分布不均导致了叶轮内的压力分布不均,从而使叶轮受力不均。     

水稻鼓形纵轴流脱粒滚筒杆齿优化与试验

与传统杆齿式圆柱形纵轴流脱粒滚筒相比,课题组前期研制的杆齿式鼓形纵轴流脱粒滚筒可有效改善轴向负荷,降低脱粒功耗。为进一步提升该滚筒性能,该研究对杆齿进行优化,设计了圆柱杆齿、弯头杆齿和闭式弓齿3种形状杆齿,建立水稻籽粒与杆齿碰撞冲击力学模型,分析了影响功耗的杆齿结构参数。以黄华占水稻为对象,基于EDEM软件构建水稻植株离散元柔性模型,利用仿真试验建立滚筒轴向负荷监测器,探究圆柱杆齿、弯头杆齿和闭式弓齿在不同杆齿直径和脱粒间隙下对滚筒轴向负荷均匀性的影响,得出最佳杆齿结构参数为杆齿直径10 mm,脱粒间隙25 mm。以喂入量、滚筒转速和杆齿形状为试验因素,以脱粒功耗为指标开展三因素三水平Box-Behnken响应面试验,结果表明,最优结构参数下,圆柱杆齿式鼓形滚筒最优工作参数为喂入量1.1 kg/s,滚筒转速900 r/min,功耗最低为4.61 kW;弯头杆齿式鼓形滚筒最优工作参数为喂入量0.95 kg/s,滚筒转速935 r/min,功耗最低为3.58 kW,确定将鼓形滚筒杆齿优化为弯头杆齿形状。分别开展仿真与台架对比试验,结果表明,优化后的弯头杆齿式鼓形滚筒较圆柱杆齿式鼓形滚筒的轴...     

不同脱粒元件对切流与纵轴流水稻脱粒分离性能的影响

为研究不同脱粒元件对切流与纵轴流脱粒分离性能的影响,该文在自行研制的纵轴流脱粒分离试验台上,利用自制的矩形齿板、短纹杆-板齿、钉齿、刀形齿、梯形板齿对喂入量为7及8 kg/s的水稻进行了脱粒分离性能试验,对比切流装置在不同脱粒元件下的功耗和初脱分离率及纵轴流复脱装置在不同脱粒元件下的总功耗、夹带损失率、脱净率、破碎率、脱出混合物轴向和径向分布等指标。结果表明,在7 kg/s水稻喂入量时,刀形齿切流装置初脱分离率最高为47.71%,钉齿纵轴流复脱装置夹带损失最低为0.25%;切流装置采用刀形齿且纵轴流复脱装置采用钉齿,在8 kg/s水稻喂入量时,单位功耗最低为8.51 kW/(kg·s),夹带损失最低为0.31%,脱净率达到99.96%。     

基于诊断函数的薄层流对数律研究

薄层流是一种特殊形态的明渠流,其特点是水深浅薄。为探讨薄层流流速分布是否满足对数律,该研究利用高分辨率粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,分析8组薄层流(水深0.49～1.1 cm,雷诺数835～2 877)及1组深水明渠紊流(对照)床面至水面的流速分布、紊动强度及雷诺应力。并基于诊断函数,研究薄层流流速是否满足对数律、对数区的范围及卡门常数变化规律。结果表明,薄层流的无量纲流速从过渡区开始偏离深水明渠水流中的理论曲线;薄层流的流向紊动强度大于深水明渠紊流,但垂向紊动强度小于深水明渠紊流,随着水深的增加,两者的紊动强度逐渐重合;雷诺应力的特征表明,随着水深的增加,受黏性力影响的范围越来越小。薄层流诊断函数曲线的特征说明薄层流中不存在严格意义的对数区,但当水深极浅时(水深≤0.53 cm),流速基本满足对数律,且卡门常数在0.2～0.3范围内。当水深和雷诺数增加,薄层流诊断函数曲线出现波动而不再近似水平。为方便实际计算,若允许诊断函数有一定的倾斜,对数区在极大值与极小值之间的范围,薄层流的卡门常数随着雷诺数的增加而增加。此外,薄层流对数区的范围并非稳定,随着雷诺数的增加,对数区影响的范围变大。该研究可为薄层流的理论研究和流速计算提供参考。     

雷诺数和界面污染程度对气泡水动力学特性的影响

深入研究气泡界面污染程度对气泡水动力学特性的影响,对控制和改善泡状流动中气泡的运动速度和气液界面的传质和传热性能具有重要意义。为此,该文利用停滞帽模型详细研究了不同气泡雷诺数下,球形气泡界面污染程度对气泡界面参数(切向速度、压力、切应力和涡量)及其整体运动特征(尾流和阻力系数)的影响。基于停滞帽模型,通过改变帽角来定量控制气泡界面的污染程度,气泡雷诺数20≤Reb≤200,计算区域为轴对称结构。研究表明,在不同气泡雷诺数下,气泡界面污染程度对气泡水动力学单一物理参量的影响趋势是相似的,且界面参数在帽角处发生了突变;界面污染程度对气泡整体运动特征的影响与气泡雷诺数有关,气泡雷诺数越小,界面污染程度对阻力系数的影响越明显,而尾涡现象越弱。     

平底马蹄形断面的水力计算

平底II型马蹄形断面是将标准II型马蹄形断面的底拱改成平底而来,是水利水电工程较常用的断面形式之一,但其正常水深和临界水深的水力计算需求解超越方程,无解析解.传统的试算法或查表法计算过程繁琐且计算精度不高.本文通过对平底II型马蹄形断面基本方程进行数学变换,并对引入的无量纲参数与无量纲水深的关系进行分析及计算,应用拟合优化原理得到了其水力计算的直接计算公式.该公式不需分段和进行判别选取,直接可得到答案.在工程的适用范围内(即水深与顶拱半径之比:0.05≤h/r≤1.41),计算正常水深的最大误差小于0.41%,计算临界水深的最大误差小于0.20%.其成果对该断面形式的隧洞设计有一定参考价值.     

植被类型对河岸带坡面流水动力特性的影响

为了研究河岸带植被类型对坡面流水动力学特性的影响,通过野外简易径流小区放水冲刷试验,在3种流量(4,6,8 L/min)和6种不同坡面类型条件下对河岸带坡面流水动力学参数变化进行了分析。结果表明：(1)坡面植被的存在具有明显降低径流流速的作用,裸坡坡面平均流速(0.276±0.065 m/s)显著高于其他植被类型(p<0.05),坡面平均径流流速随着来水流量的增加而增加;(2)雷诺数随着放水流量和放水时间的增加而增加,所有河岸带边坡流型都属于层流;弗劳德数随着放水时间先减小后趋于稳定,各坡面流均属于急流状态(弗劳德数大于1);(3)植被覆盖能够明显减小坡面径流雷诺数和弗雷德数,裸坡的雷诺数(128.53)和弗雷德数(4.0)显著高于其他坡面类型(p<0.05)。狗牙根坡面的Darcy-weisbach阻力系数(3.71)以及曼宁糙率系数(0.062)均最大,表现出对坡面流流速最好的阻滞效果。     

柴油机活塞二阶运动对内冷油腔机油振荡流动与传热的影响

柴油机活塞的二阶运动不仅影响活塞侧击力、摩擦磨损、机油耗和漏气量,而且还对活塞内冷油腔内机油的振荡流动与传热性能产生影响。在活塞动力学与运动学分析的基础上,结合活塞内冷油腔内的振荡传热性能模拟试验结果,采用计算流体力学仿真方法,建立了包含往复运动与二阶运动的计算流体力学仿真模型,研究了活塞二阶运动对内冷油腔内机油的振荡流动与传热性能的影响规律。研究结果发现,二阶运动的径向运动主要影响内冷油腔中机油的振荡流动,偏摆运动主要影响内冷油腔的瞬时换热性能。二阶运动使内冷油腔的瞬时充油率降低,循环平均降低4.6%。对油腔壁面的瞬时换热性能影响很大,最大的变化幅值为24.9%。对于整个换热过程,虽然充油率降低,但平均换热系数变化不大。因此,二阶运动对内冷油腔综合换热性能的影响可以忽略不计。该研究可为耐高温高强度铝合金活塞的设计提供理论和技术参考。     

坡面薄层水流水动力学特性试验

坡面流水动学特性对阐明土壤侵蚀和坡面产沙机理均有重要意义,采用坡面定床阻力试验,定量研究了6种不同粗糙度床面、5种不同坡度下坡面薄层水流水力要素关系及阻力的变化特征,以期揭示坡面薄层水流阻力的内在规律性。结果表明,坡面薄层水流流态指数随坡度呈现出的先减小后增加的变化趋势,当试验坡度小于0.15 rad时,流态指数随坡度的增加而逐渐减小,当坡度大于0.15 rad时,出现相反的变化趋势。流态指数随床面粗糙度呈抛物线变化趋势,其均值为0.376,总体上坡面薄层水流属于滚波流区和过渡流区的范畴;水流弗劳德数与单宽流量和试验坡度均成幂函数关系,临界流对应的单宽流量随粗糙度的增加而增大,随坡度的增加而减小,水流流型处于临界流和急流型态;阻力系数与单宽流量呈幂函数关系,而与雷诺数成反比关系,关于增阻的原因主要与绕流产生压差阻力和坡面滚波流引起的局部阻力有关,并根据薄层水流阻力特征,提出了滚波流区阻力计算公式。研究成果可为坡面土壤侵蚀预报模型构建提供理论依据,从而促进明渠水流理论向坡面水流方面扩展。     

人工加糙床面薄层滚波流水力学特性试验

为了探求坡面薄层水流水力特性,从流体力学与泥沙运动学观点出发,研究均匀粗糙尺度床面（人工加糙粒径为0.380 mm）,5种不同坡度和17种单宽流量下坡面薄层水流水力学参数变化规律。结果表明：坡面薄层水流流态指数在0.33~0.43之间变化,水力关系可用流态指数综合反映;滚波流速随着流量增加逐渐增加,坡度对其影响较小;波长随着流量呈单驼峰形式变化,即先随流量的增加而增加,达到峰值后又减小,峰值对应的单宽流量为0.278 L/(s·m);滚波频率随流程的增加逐渐衰减,同时随着单宽流量的增加,平均衰减系数增大;试验条件下层流失稳产生的临界弗劳德数在0.64左右,紊流失稳临界弗劳德数在2.13左右。     

浓缩风能型风力发电机浓缩装置流场特性及试验

为揭示浓缩风能型风力发电机浓缩装置的流动规律,该文以浓缩装置为研究对象,进行了流场特性的理论分析、数值计算和试验研究.流体流过浓缩装置,靠壁面流体首先被加速,在中间截面前0.22 m截面超过中心轴流速,之后随轴向距离加大,逐渐形成中间流速大于边缘流速的流场;中央圆筒具有以中心轴为圆心的径向流速梯度,来流风速10.74 m/s时,中间截面径向流速梯度达2.35/s;近壁面形成薄薄的边界层,出现在距中央圆筒壁面50 mm附近,在中间截面前0.11 m截面和中间截面后0.07 m截面出现波峰,波谷出现在中间截面后0.02 m处.试验结果表明,数值计算结果与试验结果相符.研究结果可为完善浓缩装置和叶片的设计提供参考.     

工作压力对滴灌管迷宫流道灌水器水力性能的影响

降低滴灌系统灌水器工作压力有望成为减少滴灌系统能耗以及运行费用的一种有效途径,但目前低压灌水器还十分少见。基于此,选取了国内应用较为广泛的5种典型迷宫流道灌水器,分析了不同工作压力区间对灌水器水力性能及消能特征的影响。结果表明：5种灌水器在低压条件下运行对于灌水器流量系数Kd和流态指数x具有一定影响,但对于流态指数x的影响未达显著水平。同一流道类型的灌水器流量系数Kd与无量纲数A/L2呈显著的线性相关关系,不同流道类型之间差异显著。5种灌水器流道内流态为紊流,未发生流态转捩行为,采用常规管道流态转捩雷诺数2200去判断流道内流态是不合适的。