间隙比对近壁不同钝体涡激振动特性的影响

为研究不同间隙比L/D对近壁单圆柱与单方柱的涡激振动特性的影响,了解尾流对壁面不稳定性的作用机理,搭建了开式循环水槽试验台,利用粒子图像测速(PIV)系统,对过渡流下2种近壁模型进行了试验研究.结果表明:两者具有相似的涡激振动特性,当L/D很小时,钝体下侧剪切层发展受到抑制;随着L/D增大,壁面的抑制作用减弱,尾流处有形成旋涡对的趋势,旋涡逐渐靠近钝体并趋于对称,涡的尺度先增大后减小,近壁面附近流体的加速效应先增强后减弱,且主振频率逐渐减小;两者都呈现出周期性的涡脱运动,但也存在差异,方柱尾流分离点固定,而圆柱不固定;同一Re下,相同L/D下方柱涡的尺度比圆柱更大,近壁面附近的流速也更快;随着L/D增大,圆柱尾流处振幅先增强后减弱,而方柱一直增强且主振频率略小,表明近壁方柱涡脱落周期比圆柱更长.对实际工程领域应用具有一定的参考价值.     

涡致振动型风力压电俘能器流场数值模拟与试验

基于涡致振动原理设计了一种风力型压电俘能器,通过串列配置的双绕流圆柱增加进气道内流场的压强波动,以Helmholtz共振腔作为尾流区域的风压谐振放大装置,利用PVDF压电薄膜直接将湍流引起的持续性压强波动转换为电能。采用计算流体力学数值方法,分析了在不同风速下压电俘能器内部流场的流体动力学行为。数值分析及试验结果表明:在相同风速下,当耦合因子L/D=2.2时,双绕流圆柱引起的压强波动最大,可达到单绕流圆柱的2倍;Helmholtz共振腔内气体在振荡流的作用下产生谐振后,腔内气体压强的幅值随风速的增加而增大,但振动频率均相同且为共振腔的固有频率。     

雷诺数对不同绕流方式下涡旋脱落规律的影响

为了探究不同雷诺数下,圆柱和方柱绕流涡旋脱落的差异,采用ANSYS-FLUENT软件,模拟了不同雷诺数下圆柱和方柱的绕流情况,通过对比分析不同位置流体介质的速度、压力以及湍流粘度的变化,研究了不同工况下的流场结构、涡脱落模态的关系。研究表明:当绕流方式一致时,随着Re的增加,物体上脱落的涡旋从产生到周期性振荡脱落,最后到随机性脱落泻入尾流形成卡门涡街。圆柱绕流中圆柱前方高压区面积随Re增加呈现先增加后减少的趋势,但方柱绕流中方柱前方高压区面积几乎不随Re发生改变;而当Re相同时,方柱绕流最大速度始终大于圆柱绕流,且方柱绕流较圆柱绕流的流动更加不稳定。     

活塞式调流调压阀流动特性研究

以DN200活塞式调流调压阀为研究对象,基于Fluent软件,采用Realizable k-ε湍流模型,研究了不同开度下阀内三维流动特性。结果表明:节流孔处存在压力梯度突变,节流孔进口至出口压力先降低后逐渐恢复。同时,下游管道近壁区域存在对称的回流区,阀内出现不同强度的涡流。随着开度逐渐增大,下游管道壁面附近旋涡向上游侧移动,阀内旋涡强度逐渐减弱。此外,节流孔下游形成对冲射流,套筒中心位置出现"低速空穴区"。随着开度逐渐增大,节流孔内最大流速逐渐增大,射流向下游延伸范围逐渐扩大。节流孔壁面附近存在不对称分布的高涡量区域,附壁剪切旋涡形成区域是空化产生的潜在位置。调流调压阀具有线性度较好的流量特性,在小开度下消能降压效果明显。     

双平板叶栅绕流的流动结构及其激励特性研究

绕流叶片的非稳态流动及其尾迹涡结构是诱发水力机械振动的主导因素。以横向布置的一对平板叶栅为研究对象,基于LES计算雷诺数在4.8×104下的三维绕流流场,分析绕流流场涡演化结构、升阻力及压力脉动等特性,以揭示尾迹干涉下平板绕流的流场结构及其激励机制。结果表明:该雷诺数下,单平板绕流平板表面存在错列布置的发卡涡结构,绕流尾迹呈现出高度的三维特性;双平板叶栅绕流状态下,上、下游平板间的间隙流动结构有明显抑制上游平板表面涡结构演化的作用;平板受力在模式H和模式L之间不断切换,且升力波动的幅值随阻力的增大而增大,尾迹干涉下下游平板受力的模式切换频率升高,升力波动幅值也增大;平板表面压力脉动的主要激励源为平板尾涡脱落。尾迹干涉下平板绕流及受力分析,可为水力机械叶片尾迹干涉下的流动主动控制提供参考。     

绕流波动特性对不同区域流动传热影响

为研究换热设备后向台阶内置圆柱模型的强化传热机理,采用Fluent进行数值模拟,并通过PIV粒子图像测速方法验证模拟结果的可靠性.研究雷诺数为700后向台阶内置圆柱(Xc/S=0.6,Yc/S=1, d=6 mm)时,后向台阶流道不稳定流动的周期性,以及周期波动对流道不同区域传热的影响.研究结果表明:在过渡流状态下,流道周期速度波动受两基波频率影响,即台阶影响的频率f_s=7.25 Hz和受圆柱影响的频率f_c=14.10 Hz; f_c主要作用在流道上游局部区域,上游回流运动被破坏,努赛尔数瞬时峰值提高2.52倍; f_c促进台阶振动频率f_s提前产生,下游温度梯度减小,瞬时努赛尔数逐渐减小;台阶分离流体与圆柱尾流共同作用使得流道换热效果整体提升,同时壁面摩擦系数也增大.     

植被群纵向间距对水流结构的影响研究

河道中植被群的空间布局对植被群的上下游水流特性和河床演变均会产生重要影响。为研究河道中植被群的不同布局对水流结构的影响规律，设计了定床水槽试验，试验采用PVC圆柱模拟两个相同的刚性非淹没植被群，设置4组不同的上下游植被群间距，通过研究水流的流速和紊动强度分布，分析在不同的上下游植被群间距下植被群上游水流调整长度和尾流的形成与发展过程，并与单个植被对水流结构的影响进行对比。试验结果表明：上游植被群的存在会使下游植被群前端调整区长度缩短，此长度与植被群间距无关；随上游植被群的出现下游植被群的溢出流速、尾流稳定区长度、稳定区流速均会减小，其大小均与植被群间距有关，间距越小各值越小；同时下游植被群尾流形成区长度变短，随间距增大呈现先减小后增大的趋势；且下游植被群的尾流恢复速度随上游植被的出现变的更加迅速；上游植被群的存在加剧了下游植被群尾流紊动，其变化趋势也与植被群间距有关；植被群对水流既有抑制作用也有促进作用，主要取决于植被群前端紊动强度大小。试验探究了植被群不同纵向间距对河道水流结构的影响，为河道中植被群空间布局对水流特性的影响提供了补充。     

桥墩布置形式对桥墩绕流及局部流场的影响

应用MIKE21软件模拟分析了不同桥墩布置形式斜交桥对河道局部流场的影响.模拟结果表明:单线斜交桥对水流有明显阻水影响,双线斜交桥对水流的阻水影响,并不是简单叠加;下游桥桥墩与上游桥桥墩对孔布置且桥墩相距较近,下游桥桥墩受上游桥桥墩的遮蔽作用,其阻水影响被削弱,对水流的消能和流速再分配有一定作用;下游桥桥墩与水流方向夹角的改变,除使桥墩附近局部区域水流流态变化明显,并随着角度增加影响增大、其他区域变化值相差不大,不存在单调关系;圆端形桥墩应尽量采用顺水流布置,非顺水流布置时,如果对桥墩附近局部区域水流流态的影响较大,可通过开挖拓宽桥址处河道,降低河道单宽流量,增加河道过流面积的方法改善.     

不同长径比和倾角圆管道中的空化现象

对不同长径比和倾角对圆管道内液体流动所产生的空化现象进行了研究.通过对长径比为5 ∶1和5 ∶2,倾角分别为90°,120°,135°几种情况下的圆管道在背压为0.1 MPa,入口压力分别为0.3,0.5,1.0 MPa条件下的空化现象进行了数值模拟,得到相应圆管道内的压力和空化云图,并分析了空化在圆管道内出现的位置及空化强度.计算结果表明:空化现象均出现的管道的入口处;在相同的进出口压差条件下,随着圆管道直径的增大,空化区域在减小,且空化强度也在减弱;当管道的倾角为90°时,空化现象最为剧烈,且管道入口处上下均出现空化现象;随着圆管道倾角的增大,管道内空化减弱,空化区域在减小,且空化仅仅发生在入口处下部.同时,制作了长径比为5 ∶1和5 ∶2、倾角为90°,以及长径比为5 ∶1、倾角为135°的透明管道试件,并进行了可视化的空化试验,试验结果与数值模拟的结果吻合较好.     

导叶片式旋流器下游断面螺旋流流速特性

将导叶片旋流器作为产生螺旋流的装置,采用理论分析和模型试验相结合的方法,对该旋流器下游断面的螺旋流流速特性进行了研究.研究结果表明:旋流器下游断面流速整体上关于管道圆心呈120°旋转对称分布.从管壁到管道断面中心旋流器下游断面的轴向流速逐渐增大,而周向流速和径向流速则均呈现先增大后减小的变化趋势.最大轴向速度位于管道断面中心处,最大周向流速位于距管壁约1cm处,最大的径向速度位于距管壁约2cm处.旋流器导叶片扭转角越大,在下游断面产生的螺旋流的周向流速、强度就越大,螺旋流的影响距离就越远.在距离旋流器导叶片后缘2m之前,螺旋流衰减较快,且随着旋流器的导叶片扭转角的增大,螺旋流衰减加快.研究成果可为进一步完善螺旋流旋流输送理论提供理论依据.     

不同冲击角度下淹没冲击水射流的数值计算

为了研究冲击角度对淹没冲击射流流场的影响,应用计算流体动力学软件Fluent,基于Wray-Agarwal(W-A)湍流模型,对完全充分发展的淹没冲击水射流进行数值计算.研究了在恒定喷嘴高度H/D=3,不同冲击角度(15°≤θ≤90°)条件下射流流场结构和速度分布.将数值计算得到的不同冲击角度下速度分布与PIV测量结果进行比较,验证了W-A模型的预测正确性,同时探讨了冲击角度对计算结果的影响.结果表明:冲击射流沿轴心线的速度v/v_b在势核区基本保持不变,在过渡区降低,在冲击区加速降低;射流在壁面射流区流动发生转向并沿着冲击壁面扩散;射流流场结构高度依赖于冲击角θ,随着冲击角度θ增大,壁面射流横向扩散增强,厚度逐渐减小;当θ=90°时,滞止点及顺流和逆流的过渡点与冲击原点重合;随着冲击角度θ减小,滞止点逐渐远离冲击原点;当θ<30°时,滞止点消失.     

U型渠道板柱复合式流量量测装置水力特性数值模拟

为了发展节水农业、促进灌区高效用水、合理分配水资源,研发了一种携带方便、计量准确、可移动的U型渠道流量量测装置--板柱复合式流量量测装置.基于Flow-3D软件,采用RNG k-ε湍流模型,对板柱复合式流量量测装置水力特性进行了数值计算,并对模拟结果进行试验验证.结果表明:模拟得到的渠道水流横向流速、垂向流速及量测装置旋转角度与流量之间的关系与试验结果一致,且最大相对误差不超过5.4%;渠道自由液面横向流速从中心到近壁面呈现先增大后减小的变化趋势;渠道上游中心断面垂向流速从底部到自由液面呈现增大的变化趋势,而下游中心断面垂向流速却呈现先增大后减小的变化趋势,最大垂向流速位于自由液面以下某一位置;板柱复合式流量量测装置对渠道内水流最大影响范围是距量测装置上游0.35 m到其下游0.94 m之间的流场区域.     

导流板安放角对喷水推进器倒车水斗性能影响

为了研究导流板安放角对喷水推进器倒车水斗性能的影响,基于ANSYS-CFX软件对不同导流板安放角(5°,10°,15°,20°,25°和30°)下倒车水斗进行数值计算,对比分析了导流板安放角对倒车水斗推力性能以及流道内流场分布情况的影响,得出了倒车水斗导流板安放角对喷水推进器倒车水斗性能的影响规律.结果表明:相较于无导流板,安装导流板后倒车水斗壁面压力分布得到很大程度改善,出口流速最大值增加.随着导流板安放角的增加,倒车水斗出口流速最大值呈现先增加后减小的趋势,而其流道各截面的压差呈现先增加后减小、然后再增加的变化趋势;导流板安放角为15°左右时,倒车水斗流道内流场分布较好,同时其推力相对较大,此时喷水推进器倒车水斗性能最佳.因此合适的导流板安放角可以有效避免倒车水斗流道内过高压区与过低压区的出现,并致流动分离现象的发生.     

有压平直管道内交汇柱系下游流场特性分析

为研究管道车作为一种交汇圆柱系式的钝体结构在有压管道流场绕流时,在柱系下游产生的流动分离和尾迹涡现象,运用理论分析与数值模拟相结合的方法,对柱系下游的流场特性进行了研究.数值模拟采用了LES-WALE湍流模型,其结果与物理试验结果比较证明了数值模拟的可行性.对数值模拟结果进行理论分析:首先,由于流动分离柱系后流场中速度分布整体上分为低速流区与高速流区2部分,低速流区主要分布在断面中心位置,高速流区分布在断面外围,呈近似环状分布;其次,流场沿程速度幅值方面,从交汇柱系下游近端断面到远端断面,其中部分低速流区域的整体速度幅值愈高,周围高速流区的速度幅值愈低,并且两区域流场随距交汇柱系距离的增加呈现趋同变化;最后,关于流场的压强特性方面,沿程压强整体呈下降趋势,断面Z6仅与同流量时管道流场断面平均压强相差3.4%.     

不同翼型轴向积叠的轴流泵水力性能及内部流态

为了研究叶轮翼型轴向积叠方式对轴流泵水力性能和内部流场的影响,以轴流泵模型ZM25为基础,设计了5种不同方式的翼型积叠方案.保持轮缘处的翼型断面不变,其他翼型断面中心沿斜向直线积叠,积叠角度分别为-8°,-4°,0°,+4°和+8°.基于CFX对5种方案在不同运行工况下的水力性能与内部流态进行预测模拟,并将计算结果与试...     

偏航状态下水平轴风力机尾迹偏移及湍流特征分析

为探索水平轴风力机偏航状态下尾迹变化情况,采用数值模拟结合理论分析的方法对不同风速、不同偏航角工况下的S翼型水平轴风力机尾迹流场进行数值分析.首先分析偏航与风力机输出功率之间关系,在此基础上分析不同偏航角工况尾迹中心的偏移情况以及尾迹处湍流强度的变化情况.结果表明:随着偏航角的增大,叶片表面的压强差减小,方位角每隔120°,叶片表面正压和负压在数值上均达到一次峰值,能造成风力机输出功率有明显损失的恶劣偏航角临界值为10°~15°;随着偏航角增大,沿轴向在1.0D之前尾迹速度中心向X轴的负方向偏移的程度增大,在此之后偏航角小于15°时尾迹中心的偏移程度增大,偏航角大于15°时减小;随着偏航角的增大,尾迹湍流强度的最大值增大,尾迹湍流强度恢复加快,尾迹缩短;偏航下风力机尾迹上下侧湍流强度分布不对称,湍流强度变化不同,使风力机尾迹湍流环境更复杂.