流固耦合作用对筒装料管道车水力输送内部流场特性的影响

为了进一步分析流固耦合作用对筒装料管道水力输送内部流场特性的影响,采用商用ANSYS Fluent 12.0软件对管道流体域与管道车固体域进行联合求解,并将耦合计算的模拟值与试验值进行对比。管道流体域非稳态计算采用雷诺时均动量方程和RNG k-ε湍流模型,管道车固体域瞬时速度与位移的耦合计算采用结构动力学方程。结果表明:模拟值与试验值基本吻合,且管道车运移时瞬时速度、脉动压强、流速分布以及压强分布的最大相对误差分别不超过1.43%、3.16%、5.28%和1.64%,得到采用流固耦合方法求解筒装料管道水力输送的内部流场特性是可行的;随着径长比的增加,管道车车前近壁面区域的轴向流速、径向流速与压强的影响范围增大,涡量幅值的影响范围减小,周向流速的影响范围呈先减小后增大;管道车下游流场的能量耗散与能量转化共同引起了管道车车前近壁面区域出现了低压区,而能量转化使得管道车下游流场的压强又再次回升;管道车的时均压降系数随着径长比的增加呈先减小后增大,且径长比为0.7的管道车时均压降系数最小。该文的研究将为管道车的结构设计与动力学机理分析提供理论参考。     

筒装料管道水力输送动边界环状缝隙流水力特性数值模拟

针对农产品长距离输送中存在的运输效率低和输送成本高等问题,提出了一种具有应用前景的农业机械运输方式—筒装料管道水力输送技术.该文基于Fluent软件,采用RNG k-ε 湍流模型、6DoF耦合模型以及PISO算法对动边界环状缝隙流进行数值模拟,分析不同环状缝隙宽度对动边界环状缝隙流场水力特性的影响.同时,对不同环状缝隙宽度条件下管道车在平直管道的运移进行模型试验,并将试验结果与模拟结果进行对比.结果表明:模拟结果和试验结果基本一致,最大相对误差不超过5.3%;动边界环状缝隙流中管道静边界区域压强呈现出进口区域压强降低,中间区域压强升高以及出口区域压强再次急剧降低的变化趋势;动边界环状缝隙流的水力特性不仅受到管道车动边界结构参数的影响,而且还受到管道车动边界上、下游管道内部流场的影响.该研究不仅完善了动边界环状缝隙流的相关理论,而且为进一步探究筒装料管道水力输送中动边界环状缝隙流水力特性提供了一种切实可行的研究手段.     

水轮机槽道内导叶动态绕流水力特性大涡模拟分析

为进一步探索水轮机导叶在调节过程中产生强瞬变流时水流和导叶间的非线性流固耦合机理,该文基于大涡模拟和二维瞬态N-S方程,应用ANSYS FLUENT软件中的任意拉格朗日-欧拉动网格技术和非迭代时间推进格式对槽道内导叶的关闭运动过程进行数值模拟,研究导叶绕流后的流场动态变化水力特性及涡激振动特性。结果表明:导叶关闭过程中槽道内的压力场、速度场、涡量场呈现出明显的非定常特征;卡门涡频率约为水轮机转轮转频的0.3倍,极易诱发低频压力脉动,随着关闭时刻的结束导叶后尾迹涡形态呈现出明显的卡门涡脱落过程;关闭过程中转动导叶的升、阻力系数随时间表现出非线性动力响应特征。揭示了低频压力振荡的产生与导叶调节关闭动作后导叶尾部的卡门涡列有关,卡门涡列诱发的非线性流激振动是影响水轮机水力稳定性和上游管道系统水力共振的主要因素。该方法可为有效模拟水力机械瞬态非线性流固耦合问题提供参考。     

制动工况下液力偶合器流场湍流模型分析与验证

合理选择湍流模型是获取准确和可靠数值模拟结果的关键。该文采用3种湍流模型(标准k-ε模型、分离涡模型、大涡模拟模型)仿真制动工况下方形腔液力偶合器流场,提取流速场和涡量场。基于粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术测量液力偶合器制动工况下流场,将数值模拟结果与PIV试验结果进行对比,以PIV试验测量结果作为评价基准,分析采用3种湍流模型计算流场结果的差异性,完成湍流模型的适用性分析。结果表明,标准k-ε模型仿真结果与PIV试验结果误差较大;采用大涡模拟模型模拟主流区域流场结构分布更加真实,仿真结果能够较好地解释主流区域多尺度涡旋运动规律和能量耗散机理;采用分离涡模型能够更准确地捕捉近壁面和角涡区高梯度流场结构分布。研究结果可为液力偶合器流场精确计算与性能预测提供参考。     

导叶长度对囊体间断面螺旋流流速特性的影响

为研究囊体表面的导叶长度对囊体管道水力输送特性的影响,该研究以导叶长度为控制变量,通过物理模型试验对囊体间断面的螺旋流流速特性进行了研究。结果表明:不同导叶长度下囊体间各断面的轴向流速分布基本相同,从轴心处沿径向呈现先增大后减小的变化趋势,且随着导叶长度的不断增长,囊体间各断面轴向流速的波动减小,轴向流速分布更加均匀。不同导叶长度下囊体间沿程各断面的周向流速梯度均呈现出先减小后增大的变化趋势,而周向速度最大值和最小值均出现在靠近上游囊体的区域,且周向流速随导叶长度的增加而增大,最大值能达到1.2 m/s。不同导叶长度下,靠近上游囊体区域的径向流速梯度最大,而囊体间中部断面的径向流速梯度较小,且随着导叶长度的增长,同一断面的径向流速分布逐渐趋于均匀。不同导叶长度下,同一测环上的轴向、周向和径向流速均呈现波浪状分布,其分别在–1.2～3.5、–0.6～1.2和–1.6～1.2 m/s之间波动。且受囊体支脚的影响,轴向、周向以及径向流速值在测轴为60°、180°、300°位置处均出现极值。该研究成果可为囊体管道水力输送的优化设计提供理论依据。     

深井离心泵内部非定常流动的压力脉动特性分析

为了分析深井离心泵内部的非定常压力脉动特性,该文基于标准k-ε湍流模型和滑移网格模型,应用SIMPLEC算法,在CFD软件Fluent中对深井离心泵内部全流场进行三维非定常数值计算,得到了额定工况下流道内不同位置的压力脉动特性,并通过快速傅里叶变换进行了频域分析。结果表明,网格数对数值计算结果影响较大;在叶轮出口与导叶进口交界处,叶轮叶片与导叶叶片的动静耦合是产生压力脉动的原因;压力脉动周期与叶轮叶片数相关,导叶叶片数对压力脉动周期影响较小;叶片通过频率是影响压力脉动的主要因素。该文为改善泵体结构,进一步提高深井离心泵的使用可靠性提供了依据。     

水泵水轮机甩负荷过程流动诱导噪声数值模拟

为研究水泵水轮机甩负荷过程压力脉动特性及其流动诱导噪声,该文基于网格壁面滑行技术和DES湍流模型,对水泵水轮机发电工况下导叶关闭过程进行连续性模拟,并将流场叶片表面压力脉动信号作为声场流动诱导噪声计算声源,通过对压力脉动特性和流动诱导噪声分析得到：导叶进出口处2个无叶区内压力脉动主频位置均在叶频为斯特劳哈尔数等于0.051与1处,导叶出口处频谱值是进口处10倍之上,说明动动干涉对流态的影响强于动静干涉;当尾水管内出现2个反向旋壁涡带时,压力脉动最强烈且其幅值最大。声场分析结果表明外场噪声的主频由压力脉动主频与壳体固有频率综合决定,声压分布具有"∞"形式的指向形态,且各阶叶频处声压分布呈现出明显的对称性,说明叶片噪声辐射具有明显的偶极子特性;在一阶、二阶叶频处,导叶关闭前一半阶段,流量对于外场噪声辐射能力的影响表现为大流量工况下最强,小流量工况下最弱,导叶关闭后一半阶段正好相反。     

抽水蓄能机组低水头起动过渡过程压力脉动分析

抽蓄机组在低水头起动时易进入其全特性曲线的反S不稳定区,从而导致机组并网失败,严重影响机组的安全稳定运行。其中机组内部复杂流动演变导致的剧烈压力脉动是影响机组动态特性的关键。该研究基于计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）数值模拟方法对水泵水轮机低水头起动过程进行研究,重点分析了导叶与尾水管区域的压力脉动特性及产生原因。结果表明：机组起动过程中,无叶区时均压力幅值是固定导叶与活动导叶间的6倍,且时均压力幅值在无叶区沿周向分布不均。动静干涉主导了无叶区时均压力和脉动压力的变化,而在上游固定导叶与活动导叶间的动静干涉作用主要影响的是压力脉动幅值。尾水管直锥段压力脉动在机组起动过程不同阶段表现出不同的波动特征,PID(proportion integration differentiation)调节阶段压力波动较为明显。通过内部流动对比发现,活动导叶开启会引起无叶区水流速度的分布变化和波动,活动导叶小开度下转轮进口和无叶区存在明显的大尺度旋涡,这些和动静干涉联合作用是导致无叶区时均压力和脉动压力波动幅值高的原因。尾水管涡带在起动过程经历了从边条状涡...     

滴灌自清洗网式过滤器全流场数值模拟与分析

为了全面了解现有自清洗网式过滤器内部水流结构和特性,为进一步结构优化提供依据,该文采用Fluent(6.3)软件对其进行了全流场数值模拟。在分析过滤器结构及自清洗原理基础上,建立了过滤器内部流场的数学模型和自清洗系统的动网格模型,给出了过滤过程和自清洗过程计算区域和网格、以及进出口边界条件,对比分析了自清洗流量与进出口压力降关系模拟结果和试验结果。分析表明：模拟压降与实测压降符合较好,可以保证后续模拟结果的可靠性;在此基础上,对过滤过程内部流场进行了模拟,得到了水流流速、紊动能和压力的分布规律,分析了过滤器结构设计不足。运用动网格技术,对过滤器自清洗过程进行了数值模拟,通过流速、紊动能和压力分布等流场分析,指出了自清洗系统的不足,研究结果可为过滤器结构优化设计提供参考。     

轴流泵叶轮导水锥型式对叶轮水力性能的影响

为探究轴流泵叶轮导水锥的设计方法,揭示导水锥流场的内部流动特性以及不同型式导水锥流场与叶轮流场之间的相互影响关系,并对导水锥头部圆整问题进行初步探索,该文基于三维不可压缩流体的雷诺平均N-S方程和k-ε湍流模型,采用6种型式的导水锥,利用Fluent软件对各型导水锥流场及其叶轮流场进行三维流场计算。结果表明:出口流场均匀性最好的维多辛斯基式导水锥的叶轮水力效率最高,而出口流场均匀性最差的直锥式导水锥叶轮水利效率最低。叶轮对水流的预旋作用对导水锥流道出口断面轴向速度分布均匀度影响较大,而对速度加权平均偏流角和水力损失的影响很小。同时,水流预旋对导水锥出口流场的轴向速度影响较大,切向速度影响较小。导水锥流场液流越近叶轮,其受叶轮旋转的影响越大。适当增加导水锥的长度可提高叶轮水力效率,但导水锥长度过长会导致水力损失增加,建议导水锥长度最佳取值范围为叶轮外径的0.5~0.7倍。导水锥头部的圆整,可有效消除因尖锐头部造成的逆压梯度,从而减少流场的不稳定性。随导水锥头部圆整长度的增加,导水锥的水力损失降低,叶轮水力效率升高。建议导水锥头部圆整位置距导水锥头部应为导水锥长度的1/8~1/7倍。研究可为高效轴流泵水力模型设计提供参考。     

旋流器结构参数对同心环状缝隙螺旋流影响

旋流器与管道所形成的同心环状缝隙空间会因其结构参数的变化而产生差异，空间结构的变化会对环状缝隙螺旋流流场产生影响，进而影响旋流器的起旋效率。为明确旋流器结构对环状缝隙螺旋流的影响，进行了结构参数（直径×长度）为70 mm×100 mm、70 mm×150 mm、60 mm×150 mm³种旋流器所形成的同心环状缝隙螺旋流三维流速试验。试验结果表明：旋流器结构参数的变化并未改变环状缝隙螺旋流三维流速的整体分布规律，只是对轴向、径向和周向流速的大小和离散程度产生了影响，且旋流器结构参数的变化对径向、周向流速的影响较大。对于长度相同的两旋流器，直径由60 mm增大至70 mm后，各断面轴向、周向平均流速与流速波动增大，而径向平均流速降低，但流速波动增大；对于直径相同的两旋流器，长度由100mm增大至150 mm后，轴向平均流速增大，而流速波动降低，径向、周向平均流速与流速波动均逐渐增大。旋流器直径对水头损失、起旋效率的影响要远大于长度，当直径由60 mm增大至70 mm后，水头损失与起旋效率均增大；在本试验条件下结构参数为70 mm×100 mm的旋流器起旋效率最高，即旋流器的较优结构参数为70 mm×100 mm。该研究成果可为旋流器的选型以及结构优化提供一定的参考。     

离心泵压水室内部定常和非定常流动PIV测量

为研究离心泵压水室内的流动特性,利用PIV技术在内同步和外同步模式下分别测量了其内部的定常和非定常流场,详细分析了压水室内部流动现象和流动规律。结果表明,压水室内速度沿轴向分布均匀,随圆周角增大而减小;在叶轮和压水室的交界处,存在清晰的速度分界线;受蜗舌的分流作用,部分流体回流入叶轮流道,扩散管入口处速度显著降低;压水室内部周期性非定常流动规律明显,第VIII断面上,速度的大小和波动幅度沿径向均呈减小趋势,周向速度的波动与叶轮流道内部高速流区的位置有关,而径向速度的波动主要受叶片干扰和哥氏力的影响。研究结果为压水室设计以及离心泵内部流动的试验研究提供了借鉴。     

导流条安放角度对管道车间断面螺旋流流速特性的影响

为分析筒装料螺旋流管道水力输送的能耗问题,该研究以导流条安放角为主要控制变量,采用理论分析与模型试验相结合的方法,研究了不同导流条安放角条件下管道车间断面的螺旋流流速特性。结果表明:不同导流条安放角条件下,管道车间断面的轴向流速分布趋势基本相同,均呈现先由管壁向内扩散,再由管轴线向外扩散的分布特征,且管道车间各断面轴向流速值整体较大,最大值达到3 m/s。不同导流条安放角下车间断面的径向流速基本在-1～1 m/s之间波动,且径向流速值为0的区域相对较大;随着导流条安放角度的增加,管道车间断面的径向流速逐渐呈现120°旋转对称分布,且在0°、120°与240°极轴方向上径向流速值较小。相较于轴向和径向流速,周向流速受导流条安放角的影响最大,且周向流速强度随导流条安放角的增大而增大,最大值能达到1.5 m/s。同时随着导流条安放角的逐渐增大,沿圆周断面呈逆时针旋转的周向速度增加;同径向流速类似,随着导流条安放角的增加,管道车间断面的周向流速也逐渐呈现120°旋转对称分布,但在0°、120°与240°极轴方向上周向流速值反而较大。该研究不仅完善了管道螺旋流理论,而且可为筒装料管道水力输送技术的推广应用提供理论参考。     

螺旋凸轮泵转子腔流量特性数值分析与验证

为了阐明螺旋角对凸轮泵转子腔内部流量特性的影响规律,揭示螺旋角和凸轮泵特性曲线的定量关系,基于FLUENT动网格技术和RNG k-ε湍流模型,对凸轮泵转子腔内部进行三维瞬态流动数值计算,比较了9种螺旋角凸轮泵转子腔内部流量特性,揭示了螺旋角对转子腔内部瞬态流动结构的影响机制,并通过理论计算及试验验证数值预测分对比析,其相对误差在2.5%~5.7%,具有较高的准确性。研究表明:螺旋角对凸轮泵流量特性及泵腔内部流动有显著影响,相比直叶转子,螺旋转子出口的平均流量和流量脉动幅值均明显降低,从而有效抑制转子腔内二次流、旋涡结构与转子间隙区速度突变;螺旋角为45°~60°时,泵出口平均流量达峰值,泵出口流量脉动幅值最低,转子腔内部流动结构较好,结果表明凸轮泵转子腔最优螺旋角取值为45°~60°。该研究可为凸轮泵转子优化设计提供参考。     

坡面薄层水流流态判定方法的初步探讨

为了研究坡面薄层水流流态的判定方法，从水力学与泥沙动力学观点出发，在4种不同坡度有机玻璃床面与人工粗糙床面(砂粒粒径为0.5～1 mm)上对坡面薄层水流进行了试验研究，并应用水力学二元流雷诺数与泥沙动力学绕流雷诺数对坡面薄层水流流态进行了分析比较，研究结果表明绕流雷诺数能较好反映坡面薄层水流流态。     

导叶式混流泵多工况内部流场的PIV测量

为研究不同流量工况下混流泵内部流动特性,该文基于粒子图像测速技术(particle image velocimetry)对0.8、1.0、1.2倍流量工况下混流泵的内部流场进行试验研究,测量获得了混流泵叶轮进口轴截面、叶轮与导叶间隙和导叶内部流场的速度场分布,分析了流量变化对混流泵内部流动的影响。研究结果表明,外特性试验重复性较好,试验结果较为可靠。3个工况下混流泵叶轮进口流场的速度分布趋势基本一致,进口的来流基本沿着轴线方向;随着流量增加,叶轮进口速度不断增大,最大速度达到7.49 m/s,从轮毂到轮缘高速区域速度梯度更为明显,速度等值线分布逐渐形成以左上角为圆心,不断向周围递减的趋势。受动静干涉作用影响,叶轮与导叶间隙流场速度分布较为紊乱,在导叶进口边轮毂附近形成逆时针方向旋涡,诱使叶轮出口流体向外缘侧偏转;随着流量增加,逆向旋涡明显减小,内部流动更趋于平稳。动静干涉效应进一步影响导叶进口流场并形成明显的旋涡结构,造成流道堵塞;在导叶出口由于环形蜗室的影响形成大尺度旋涡结构;随着流量增大,导叶外缘高速区向下游移动,导叶进出口的旋涡结构逐渐消失,流动损失减小。研究成果为揭示混流泵内部流动特性和优化混流泵设计提供参考。     

夹沙螺旋管流能耗的试验研究

在水平圆管中设置导叶式起旋器,使管内夹沙水流形成了强制螺旋流,螺旋流可以分解为强制涡流与轴向平直流,前者可起“抬托”泥沙的作用,后者则同普通管道输送固粒一样起输移的作用,这样使本来以推移质形式运动的泥沙较为容易地转变成悬移质。该文应用动量和动量矩定律,对圆管内强制螺旋流的清水与夹沙两种情况进行了理论分析和试验研究,得到的结论是:螺旋管流的能坡可以用达西公式来表达;其夹沙能力远高于同能坡下的平直流情况;在非饱和状态下,附加“旋浮”沙的能坡正比于含沙量     

基于基流比例法的渭河生态基流计算

为使生态基流更好地体现中国北方河流生物需水的年际间和年内变化,该文提出基流比例法。将长期径流系列资料划分为丰、平、枯及特枯年等不同年型,采用传统方法确定某一年型的基流比例后,通过该年型与其他各年型平均径流量之间的比值,推求出基流比例之间的关系,由此计算出其他各年型的基流比例及生态基流值。根据需要,还可进一步将年内划分为不同时段分别计算。以渭河干流宝鸡段为例,应用该方法计算了各年型及年内各时段的生态基流值,其结果为5.02～36.73 m3/s,比较后发现其他几种常见方法计算的生态基流值均在该范围之内,各代表年基流的保障程度基本都能达到90%以上,但是近几年呈现递减的趋势。该方法适合中国北方河流生态基流的计算。     

蔬菜有机与无机生产系统能流、经济流的比较研究

通过田间试验分析比较了莴苣、洋葱有机与无机生产系统的能流、经济流及对土壤环境的影响。结果表明,有机系统蔬菜的长势、产量、经济效益均高于无机系统;能量产投比有机系统受施肥种类影响很大;土壤微生物量有机系统高于无机系统。