不同管径及孔口间距对加压注灌器水力特性的影响

针对适宜南疆特色果树灌溉的加压注灌器,选取2种不同管径及3种孔口间距共6种结构类型,采用室内注水试验和CFD数值模拟相结合,开展不同管径及孔口间距对注灌器水力特性的影响研究。选用标准k-ε模型,对加压注灌器内部流场进行数值模拟计算,结合注灌器的不同结构形式、注灌器内部流场,获得了不同处理孔口实测值与模拟值的相对偏差值及孔口流量均匀系数。研究结果表明:选用CFD模拟方法计算出的注灌器孔口流量结果与实测值基本吻合,具有较好的一致性;管径为40mm、孔口间距为120mm的各孔口流速的均匀性最优,在此条件下能够得到较好孔口流量均匀性,均匀系数Cu可以达到0.96;管径为32mm、孔口间距为120mm的各孔口间的压强差值相对较小,水流扰动小,水流出流条件相对较好。因此,根区加压注灌器孔口间距为120mm可作为优选参数之一。     

异向流斜管沉淀池水力特性研究

异向流斜管沉淀池在现有的文献上没有类似的可供计算水头损失的公式和系数,在设计时取值困难。以计算流体力学软件FLUENT为平台,采用标准k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,采用速度进口与自由出流边界条件以及按无应力边界条件处理的自由水面对异向流斜管沉淀池中的水流运动进行数值模拟计算,对水流流态、断面流速分布与压强分布等水力特性进行了研究。基于数值模拟计算得到了沉淀池的水头损失,与实际工程测量结果吻合较好,找到了一种沉淀池水头损失的计算方法。     

进口流场对虹吸式出水流道的性能影响

采用数值模拟方法,把轴流泵后导叶的出口流场作为虹吸式出水流道的进口流场,研究对其水力特性的影响。计算结果表明,导叶出口流速和压力分布不均匀,存在横向流速和剩余环量,使虹吸式出水流道水力特性变差,下降段和出口段的回流区增大,驼峰断面和出口断面轴向流速分布均匀度显著下降,水力损失增加。轴流泵后导叶出口流场影响虹吸式出水流道两侧的流量分配,右侧流量恒大于左侧流量,而右侧的水力损失却小于左侧的水力损失,但两者都比无旋、轴向进水条件下的流道水头损失大得多,流量和水头损失的关系并不符合二次抛物线变化规律。     

网式过滤器的计算模型选择及内部流场分析

为了解网式过滤器内部流场特性,分别采用Fluent软件提供的Standard k-ε、RNGk-ε及Realizable k-ε模型同多孔介质阶跃模型耦合计算,通过物理试验与计算结果对比,确定了Realizable k-ε模型与多孔介质阶跃模型能更好地模拟网式过滤器中的流场。在此基础上,分析了该过滤器的内部流场,指出排污口固体边界和出水口边界条件对该过滤器的速度流场和压强场分布规律影响很大;滤网内、外侧的水流流速沿X轴分布不均匀,从而影响了网式过滤器的过滤效率及使用寿命,其结构有待进一步研究。     

考虑水流掺气的施工导流工程流场数值模拟

为了考虑导流泄水建筑物下泄水流局部掺气的影响,综合紊流模型、卷气模型和漂移通量模型,对某实际导流工程进行了三维数值模拟研究。首先,利用CATIA软件建立了具有复杂地形的工程三维几何模型,然后,基于Flow-3D软件的RNG k-ε紊流模型、卷气模块和TruVOF水流自由表面追踪方法,计算了考虑溢洪道水流局部掺气条件下的导流工程整体流场,得到了流态、水位、流速和压强各水力参数的分布规律,并与物理模型试验成果进行了对比分析。结果表明数值模拟得到了较好的计算结果,验证了上游围堰设计高程的合理性,加入卷气模块模拟三维流场得到了较好的流速分布、压强分布、水流掺气浓度和掺气范围,为类似导流工程的流场计算提供了一种理论和方法。     

灯泡式贯流泵内湍流流动数值模拟和性能预测

为深入了解贯流泵的内部流动及其水力性能,基于标准k-ε湍流模型,利用Fluent软件对贯流泵内流场进行了数值模拟,并计算了贯流泵外特性曲线.结果表明:偏离最优工况时,导叶体和出水流道内出现二次流,造成较大的水力损失,装置效率降低;大流量工况时,水流在叶片进口边产生负冲角,叶片工作面进口附近出现最小压力值;小流量工况时,水流在叶片进口边产生正冲角,背面进口边附近存在最小压力值;最优工况时,整个泵的内部流动平顺均匀,叶片工作面和背面进口边的压力值均较大,而在背面进口偏后区域出现低压区.通过进一步计算得到了新设计贯流泵的扬程、功率和效率的性能曲线,将该模型计算结果与原有JGM-3模型试验数据对比可知,该模型的设计较为合理,其数值结果可为优化低扬程灯泡式贯流泵的设计提供重要的参考.     

弧角梯形渠道无喉道量水槽水力特性研究

量水设施作为灌区灌溉管理工作的基础性设施,其水力特性的研究是灌区量水的基础工作。基于FLUENT 6.3软件,采用VOF方法和RNG k-ε湍流模型对弧角梯形渠道无喉道量水槽过槽水流进行三维数值模拟,对不同工况下的流速分布、水面线、水头损失等水力特性进行研究并建立相关的流量计算公式,与渠道流量进行对比分析。结果表明,当收缩比为0.57~0.74时,该数值方法能够在4.985 3~33.597 6 m3/s较大流量范围内测流,准确度较高,可为灌区渠系编制用水计划和调整供配水方案提供依据。     

不同流量下泵前微压网式过滤器内部流场的数值模拟

泵前微压网式过滤器作为一种新型的灌溉过滤装置,具有结构简单、适配性高以及能耗低等优点。为了探究泵前微压网式过滤器内部流场的运行状态,采用了物理模型试验、数值计算及理论分析的方法,从微观角度对清水条件下泵前微压网式过滤器在不同流量(5、8、11、14、17 m³/h)的水力性能和水流运动状态进行分析。结果表明：标准k-ε模型可作为模拟泵前微压网式过滤器清水流场的湍流模型;滤网内部流速分布不均匀,随流量呈现不同形态的“火烛”形态,出水口对过滤器内部影响范围随流量增加而增大;过滤器内部同时出现高压区和负压区,滤网底部为水头损失主要发生位置。研究成果可为泵前过滤设备的浑水数值模拟和结构优化提供理论和技术支撑。     

基于标准k-ε紊流模型的泵站进水管路水力特性研究

【目的】针对黄河下游某提水灌溉泵站进水管路布设不合理引起的水泵进口水流流态恶化、水泵叶片断裂、水泵机组振动及超载运行等问题,对泵站进水管路进行技术改造。【方法】运用三维不可压缩流体的N-S方程和标准k-ε模型对改造前后的进水管路的水力特性进行了数值模拟,分析了5种流量下进水管路不同断面的流速分布和流线分布、出口(水泵进口)断面的流速分布均匀度、管路水力损失、管路涡量分布及涡量值。【结果】改造后的进水管路水力损失平均降低78.96%,最大正、负涡量值平均降低83%～84%;进水管路的水流流态和涡量分布趋于均匀,进水管路水流平稳,平均流速为1.57～1.93 m/s,满足规范要求;进水管路出口断面的流速分布均匀度平均提高4.48%,有效地改善了水泵进水条件。【结论】改造后的泵站进水管路水力特性得到改善,每台机组有功功率降低35 kW,节能效果明显,可为类似改造工程提供参考。     

多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟

利用多孔介质模拟微通道壁面粗糙元,建立了一种新的微尺度化流场的数值模拟方法.多孔介质模型厚度由微通道壁面相对粗糙度折算,多孔介质的阻力系数由该区域内的流态及阻力计算;配合采用k-ε和k-ω多种形式的湍流模型,对边长为600μm的方形断面微通道流场在雷诺数分别为100和300的情况下进行了数值模拟计算.通过模拟结果与Micro-PIV测量数据的对比分析发现,采用realizablek-ε湍流模型,搭配多孔介质微尺度化模型进行数值计算,能够有效地模拟微尺度流场的流动状况,而标准k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型的微尺度模拟计算结果虽接近试验测量值,但仍有偏差;标准k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型的微尺度模拟效果较差.     

砂石-筛网组合过滤器结构优化与性能试验

为了充分了解灌溉用砂石过滤器和筛网过滤器组成的二级过滤系统的内部流场情况,利用Pro/Engineer软件进行三维造型,基于计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术,应用数值模拟采用RNG k-ε湍流模型结合多孔介质模型对过滤器内部流场进行分析并提出优化方案,在优化的基础上设计新型一体式过滤器并对其进行性能测试。结果表明:RNG k-ε湍流模型模拟结果与试验结果吻合良好,可用于流场分析和结构优化。组合过滤系统按传统分体式布置时,由于连接管道和筛网过滤器外壳等影响,会产生较大水头损失,且筛网过滤器部分由于结构复杂造成环流与漩涡,导致流场不稳,过滤时流速分布不均。针对传统组合过滤系统流场的不足,提出将滤网融入砂石罐体的一体式优化布置方案,改善了布置的复杂度;通过流场分析发现可减小38.5%的水头损失,且由于罐体空间较大对水流扰动较小,所以内部流场稳定;过滤时流速分布更均匀,因此对滤网的利用也更加合理充分,延长了滤网使用寿命。通过两次性能测试对比分析可知,砂石-筛网组合一体式过滤器能有效减小水头损失,并且在含沙水条件下流量减小20%时能多运行20 min左右,表明一体式过滤器水力性能更优且能提高灌溉效率。     

卧式前轴伸泵装置流道三维流动及水力损失

采用数值计算方法对卧式前轴伸泵装置的三维流场及水力性能进行了初步研究,获得了设计流量时进、出水流道的流场图以及水力损失值.同时,还采用透明流道模型试验的方法,分别对卧式前轴伸泵装置进、出水流道数值计算的结果进行了试验验证.研究结果表明：卧式前轴伸泵装置进、出水流道内的流态,数值计算的结果与试验结果一致,进水流道内的水流仅在泵轴后有很小范围的局部旋涡,进水流道出口断面的流速均匀度为96.9%;出水流道进口的水流具有一定环量,水流呈螺旋状流入流道,流道外侧的流速较大,流道中心附近流速较小.进、出水流道水力损失值,数值计算值分别为0.142 m和0.163 m,流道模型试验值为0.137 m和0.168 m,两者非常接近.该泵装置在低扬程泵站具有一定的应用前景.     

竖向进水管布置对泵站进水流态的影响模拟

基于定常不可压缩强曲率流体的RNG k-ε紊流数值模型,通过建立以水力损失最小和基于质量加权流速均匀度最大为优化目标的评价函数,设定适当的边界条件,利用三维非结构化六面体网格单元进行网格划分,采用有限体积法对控制方程进行离散,应用CFD软件Fluent对泵站进水池和水泵进水管内部流场进行数值模拟计算.为了模拟水泵竖向进水管布置的控制参数对泵站前池和水泵进水管口流态的影响,参照现行的泵站设计规范,分别模拟了管道内径为D的竖向进水管在不同后壁距和不同悬空高度时的进水流态,并绘制了水泵进水管口流速均匀度和水力损失关系曲线.研究表明,对于安装有卧式离心泵的大型提水泵站,合理的进水管后壁距与悬空高度可以保证良好的进水流态,促使水泵进口流速分布均匀,有效地防止前池内的泥沙淤积,并能确保水泵高效稳定运行.根据模拟计算结果,提出了设计时可供参考的进水管后壁距取值范围为（0.4～0.8）D,悬空高度的取值范围为（0.6～0.8）D.     

大型立式轴流泵装置流道内部流动特性分析

基于三维不可压缩流体的雷诺平均N-S方程和RNGk-ε湍流模型,采用CFX软件计算了额定转速下180～340 L/s流量范围内6个工况点的立式轴流泵装置内部流动,分析了进水流道和出水流道的流动特性,重点研究进口流动细部结构,同时预测了泵装置的水力性能.计算结果表明:叶轮旋转对进水流道出口轴向流速分布和切向流速分布的影响较小.导叶出口环量对出水流道的流场影响较大,导致隔墩两侧流量分配不均,大流量时隔墩两侧水流流态比较平顺,而小流量时隔墩右侧流道内出现螺旋状水流,两侧水流严重不均衡.通过计算预测了泵装嚣水力性能,并与泵装置模型性能试验结果进行了对比,表明最优工况时数值模拟与试验结果吻合较理想,可以满足工程实际的需要.     

轴流泵内部压力脉动数值预测及分析

基于RANS方程和RNG k-ε模型,采用Ansys-CFX软件对轴流泵泵段进行了多工况三维非定常数值模拟,得到了不同工况下轴流泵内部不同监测点的水流压力脉动值,分析了轴流泵内部不同监测点水流压力脉动的变化趋势,并预测了叶轮进口前由于叶轮转动引起的压力脉动影响范围.通过与实测扬程和效率比较,表明了数值模拟方法的可行性及可靠性.研究结果表明:轴流泵内部压力脉动频率主要受叶轮转动频率控制,较大压力脉动发生在叶轮进口前;叶轮进口处压力脉动从轮毂到轮缘逐渐增大,叶轮出口处压力脉动从轮毂到轮缘先减小后增大,导叶后压力脉动从轮毂到轮缘先增大后减小;小流量工况及大流量工况下压力脉动幅值较最优工况大;受叶轮转动影响,叶轮进口前压力脉动影响至叶轮中心前0.7D左右.     

轴伸式出水流道内流场数值模拟分析

为了探讨在导叶出口剩余环量影响下轴伸式出水流道的水力性能,对不同水力模型及不同叶片安放角下的后置轴伸式泵装置采用全结构化网格进行了数值模拟计算,并与实验结果对比验证模拟结果的可信度。对轴伸式出水流道的水力性能进行了分析,发现轴伸出水流道内部流态受导叶出口剩余环量的影响较大,尤其是对小流量工况。水力损失系数不再是某一常数,而是受流态分布相关的一变量。通过对比不同叶片安放角及不同比转数叶轮的出水流道进口断面平均涡角与水力损失系数关系发现,轴伸式出水流道的水力损失系数与进口断面的平均涡角存在一最优值,本次模拟计算下2副叶轮的最优平均涡角4°~5.3°下的水力损失系数为1.62×10~(-4)m·s~2/L~2。通过分析静压与总压沿流线方向的变化趋势明确了小流量工况下环量是引起水力损失的原因,而在大流量工况下流量是引起水力损失的主要原因。     

隔膜式电磁阀内部流场数值模型构建与流动特性分析

基于k-ε(k为湍流动能,ε为湍流耗散率)湍流模型,以进口质量流量、出口静压为数值计算条件,建立了隔膜阀内部流场的数值模拟模型,并对模型的精度进行了试验验证。在此基础上,应用该模型分析了不同进口流量(2.787～33.273 kg/s)条件下阀体内部流动特性及压力场分布规律,并建立了进口流量与阀体水头损失的精确数量关系。结果表明：(1)数值模拟能较好的预测不同流量条件下阀体的水头损失,在进口流量分别为5.546、11.091和16.637 kg/s时,试验与数值模拟相对误差仅为-6.433%、4.619%和7.264%。(2)在进口流量恒定的条件下,从进口至出口,流道内的静压总体沿程呈减小趋势,在阀体内部由于阀坎的阻挡造成流道收缩以及水流撞击隔膜产生折流而出现较大的静压变化梯度。(3)水流在经过阀坎上的窄流道后,在阀体下游形成明显的空化区,伴随着有一定的回流现象,阀体下游的空化区主要出现在距出口1/3流体域处,随着进口流量的增大,阀体下游的涡流更加剧烈,回流现象更为显著,但回流区的范围并未显著增加。(4)在模型精度验证的基础上,应用该模型进一步分析了18种进口流量条件下阀体内部流动特性...     

泵站出水流道的数模分析

将CFD技术应用于泵站山水流道的分析与设计，基于Navier—Stokes方程和标准k-ε紊流模型．求解泵站出水流道内湍流流场，数值模拟的结果对泵站出水流道水力优化设计具有指导意义。     

低比转速半螺旋吸水室双吸泵流场的数值分析

在CFD软件Fluent中采用考虑了旋转与曲率影响的RNG湍流模型,对具有半螺旋形吸水室的单级双吸离心泵进行了全流道（包括吸水室流道在内）数值模拟计算.结果发现,在叶轮流道内流速沿叶轮进口到出口逐渐增大;在叶轮流道前半部,靠近压力面处的流速明显大于吸力面,叶轮流道内压力分布基本和设计相符.通过对半螺旋形吸水室流道内部流场数值模拟结果进行分析后发现,在设计流量点,半螺旋流道出口隔舌及密封体处出现漩涡,并随着流量的增大漩涡逐渐明显,对叶轮进口产生影响.该结果对双吸泵及其进水流道进一步的性能优化设计提供了依据.     

三通调节阀分流比及内部流动特性分析

为探究三通流量调节阀的分流比及内部流动特性,应用标准k-ε湍流模型,采用SIMPLE算法,对其内部流场进行三维流道数值模拟.通过改变进口流量及阀芯旋转角度等条件,研究三通调节阀内部流动特性及分流比的变化规律,模拟和试验结果能够很好地吻合.研究结果表明:阀芯旋转角度介于15°~75°时三通流量调节阀能有效分流;随着调节阀角度的增大,水平分流比先增大,在35°左右增大到0.55附近,之后开始减小,在55°左右减小到0.40附近,最后持续增大到1.00,这种变化趋势与水平出流面积占总出流面积的比率变化相同;进口压力随着调节阀角度的增大先增大后减小,在45°左右达到峰值,压力曲线以45°为对称线呈对称形状,这种变化趋势与阀门调节部分入口过流面积的变化相符;在阀门进口段与阀芯的连接部分过流面积收缩节流,导致该处流速最高、阀门进口管部分压力最高.