基于CFD的混流式水轮机内的涡旋研究

混流式水轮机尾水管中的低频涡带、转轮中的叶道涡及导叶和转轮叶片出口处的卡门涡是产生压力脉动,引起机组振动的主要水力原因。为了解决机组运行的稳定性问题,基于计算流体动力学(CFD)数值模拟方法,从影响水轮发电机组稳定运行的流体因素出发,研究混流式水轮机中各种涡旋的产生机理和本身特征,找到减轻涡旋造成不利影响的有效办法。     

混流式水轮机导叶绕流的三维湍流数值模拟

在现有水轮机引水元件（包括导叶）内部流场数值计算方法和设计理论的基础上，基于Navier-Stokes方程和标准的κ-ε紊流模型，采用贴体坐标和交错网格系统，用SIMPLEC算法对一模型机的蜗壳、座环和导叶进行了联合计算。计算结果表明：混流式水轮机导叶叶间流道中的水流运动沿周向呈周期性变化．叶道中间水流速度较大，越靠近叶片速度越小；随着导叶开度的增大，水流切向速度减小，径向速度增大，导叶出口的水流角增大；导叶出口水流速度及环量分布不均匀，与工况变化有关，进行转轮及全流道三维湍流计算时应考虑这一因素；叶型表面水流速度和压力分布随导叶开度变化的规律比较复杂。     

一种轴流式叶轮的全三维优化设计

针对一种磁力驱动的循环冲沙装置,提出了轴流式叶轮优化方案以提高叶轮水力性能。通过 CFD数值模拟,对轴流式叶轮内流场进行了紊流数值分析,并研究了同一工况下不同叶片结构、叶片数、导流棒对内流场的影响。由内流场分布特点,选择了叶轮有关结构参数,改进了叶轮结构。试验表明,改进后的轴流式叶轮其水力性能得到提高,从而验证了 CFD 分析在优化设计轴流式叶轮中的可行性。     

一种轴流式叶轮的全三维优化设计

针对一种磁力驱动的循环冲沙装置,提出了轴流式叶轮优化方案以提高叶轮水力性能。通过CFD数值模拟,对轴流式叶轮内流场进行了紊流数值分析,并研究了同一工况下不同叶片结构、叶片数、导流棒对内流场的影响。由内流场分布特点,选择了叶轮有关结构参数,改进了叶轮结构。试验表明,改进后的轴流式叶轮其水力性能得到提高,从而验证了CFD分析在优化设计轴流式叶轮中的可行性。     

北京百花山自然保护区丛藓科8种植物叶解剖结构比较

对采自北京百花山自然保护区的丛藓科8种植物的叶片厚度、细胞层数、中肋厚度、中肋细胞层数、厚壁细胞层数及分布位置、导水细胞有无及排列方式等进行切片观察,结果表明：叶片最厚的是平叶毛口藓（Tri-chostomumplantiflium）,最薄的是尖叶对齿藓（Didymodonconstrictavar.constricta）;仅剑叶舌叶藓叶片具2层细胞,尖叶对齿藓为1层,其余六种部分为2层。中肋厚度从大到小是：高山赤藓（Syntrichia sinensis）〉反扭藓（Ti mmiella anomala）〉长叶纽藓（Tortella tortuosa）〉卷叶湿地藓（Hyophila involuta）〉剑叶舌叶藓（Scopelophilacataractac）〉尖叶对齿藓〉细拟合睫藓（Pseudosymblepharis duriuscula）〉平叶毛口藓。高山赤藓中肋有主导水细胞和副导水细胞之分;长叶纽藓、卷叶湿地藓、反扭藓的中肋细胞9~10层,分化较复杂,平叶毛口藓中肋无厚壁细胞;除了剑叶舌叶藓外,其余7种叶细胞表面都有疣或乳突。对8种藓类植物叶的结构与干旱环境的关系进行了讨论。     

不同前导叶时序位置下离心泵内压力脉动特性研究

【目的】寻找前置导叶的最佳时序位置,提高离心泵的综合性能。【方法】以某低比转速单级离心泵为研究对象,采用RNGk-ε湍流模型,对设计工况下前置导叶相对径向导叶在4种不同时序(前置导叶相对周向旋转0°、15°、30°、45°)位置下离心泵内部流动进行了三维黏性非定常数值模拟。【结果】随着前置导叶时序位置的增大,时均扬程和时均效率均呈周期性波动,当时均扬程处于波峰时,时均效率处于波谷,当时均效率处于波峰时,时均扬程处于波谷,最大时均扬程比最小时均扬程高1%,最大时均效率比最小时均效率高1.43%;随着前置导叶时序位置的改变,离心泵的必需汽蚀余量先增大后减小,最大必需汽蚀余量比最小必需汽蚀余量高6%,前置导叶相对周向旋转45°时,必需汽蚀余量最小,空化性能最好;叶轮和径向导叶压力脉动的主频和幅值直接受时序效应的影响。【结论】前置导叶的时序位置对离心泵的外特性、空化特性、振动特性等都有影响,综合比较分析4种时序位置下离心泵的性能差异,以前置导叶相对周向旋转45°时离心泵的水力性能最好。     

八个绿化树种水分状况与水力结构的季节变化

为了解绿化树种的水分状况和水力结构特征的季节变化规律,该文应用改良的冲洗法,选取油松、侧柏等8个树种为研究对象,测定枝条水势和水力结构的变化.结果表明:8个树种水势的日变化在不同月份皆呈现“单峰”趋势;导水率和比导率的逐月变化幅度反映了木质部栓塞脆弱性为国槐、女贞、旱柳、黄栌油松、侧柏、沙地柏小叶黄杨;叶比导率的变化幅度与比导率的变化趋势一致,进入10月份国槐和黄栌表现出严重落叶现象时,它们的叶比导率值并没有明显降低,说明植物的落叶可能对保持存留叶片的水分状况有重要作用. 作为CAM植物的小叶黄杨在水势上一直保持低值,并且在水力结构的各个参数分析上均有其特殊性,这种情况的出现很可能与其不同的光合途径有关.      

两种苹果砧木根系水力结构及其PV曲线水分参数对干旱胁迫的响应

研究干旱胁迫对平邑甜茶(Malus hupehensis)和楸子(Malus prunifolia)根系水力结构及其PV曲线水分参数的影响。设定正常与干旱2种水分处理,对2种苹果砧木进行氯化汞-巯基乙醇处理和压力室-容积(PV)曲线测定试验,并利用高压流速仪(HPFM),测定平邑甜茶和楸子根系水力结构。结果表明:随着水分胁迫的加重,平邑甜茶和楸子的根系导水率、根系叶比导水率、根系茎比导水率出现减少趋势。在适宜水分和重度干旱条件下,平邑甜茶根系叶比导水率分别为楸子根系叶比导水率的95%和92%,平邑甜茶根系茎比导水率分别为楸子根系茎比导水率的52%和62%,楸子与平邑甜茶相比在根系茎比导水率和根系叶比导水率上出现增加趋势。干旱胁迫可能会导致水通道蛋白的活性受到抑制,致使其根系导水率出现降低,继而导致了地上部分气体交换受到影响。严重干旱时,楸子与平邑甜茶相比可能具有更大的水孔蛋白表达量来抵御干旱胁迫。在2种水分条件下,楸子的初始质壁分离时的渗透势(ψs^tlp)、饱和含水时的渗透势(ψs^sat)、初始质壁分离时的相对水含量(RWC^tlp)、初始质壁分离时的相对渗透水含量(ROWC^tlp)、组织细胞总体弹性模量(ε'')值与平邑甜茶相比较均处于较低水平,束缚水含量(Va)值处在较高水平。对PV曲线水分参数进行隶属函数综合评价得出的Δ值为楸子大于平邑甜茶,平邑甜茶和楸子之间b值差异不明显。在适宜水分和重度干旱条件下楸子所体现出的输水策略优于平邑甜茶。PV曲线水分参数同苹果砧木根系的水力结构一样能够随着植物所处的环境做出相应的调整。对于PV曲线水分参数研究发现,楸子在膨压保持方面与平邑甜茶相比,其抗旱性优于平邑甜茶。     

混流式水轮机全流道三维数值模拟

基于CFD计算软件,以N-S方程为控制方程,采用Sparlart-Allmaras湍流模型和结构化网格,对蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮及尾水管等过流部件进行了全过流部件的三维数值模拟.利用NUMECA自带后处理模块CFView,对原转轮流道内速度矢量分布和静态压力分布的流场进行分析,解释了其设计中的不足及由此产生的过流能力差和效率低等问题.据此在不改变其它过流部件的前提下,提出了只对转轮进行了改造的措施,经验证取得良好的效果.     

冲沙槽式渠首导水墙结构优化试验研究

通过5种不同高度的导水墙进行试验,导水墙高度分别为0.7,1.0,1.5,2.0,2.7 m.对冲沙槽式渠首导水墙的高度进行结构优化.导水墙高度的改变对冲沙槽槽内水力特性及防沙效果有较大的影响.随着导水墙高度增大,导水墙外侧水流的侧向流就越明显,冲沙槽槽内水流流态就越复杂,引水口进水比就越大.当冲沙槽高宽比K=0.4,进水口进沙比存在一个最小值.即冲沙槽高宽比K=0.4,渠首引水防沙效果最好.     

叶片式海流能发电装置的叶片流场仿真

为了解叶片形状对叶片式海流能发电装置流场分布的影响,以上海海洋大学研制的叶片式海流能发电装置为原型,采用FLUENT软件对7种不同形状的叶片进行了流场数值模拟,获得了不同形状叶片的速度云图及压力云图。通过比较分析不同形状叶片的外流场速度分布和压力分布情况可知,不同叶片形状对叶片式海流能发电装置外流场变化发展以及稳定运行具有一定作用。该流场分析结果充分证实了叶片形状的合理设计对实现海流能发电装置的受力情况和改善流场分布具有重要作用,并为后期装置的优化提供了可靠的理论参考依据。     

对称翼型导叶的轴流泵数值模拟

针对农业灌溉中对轴流泵性能的要求,为了更深入的研究该轴流泵的性能特性,研究了NACA0006对称翼型导叶的轴流泵性能,利用计算流体动力学软件Fluent,采用RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法对该轴流泵进行数值模拟。通过对其进行数值计算和对比分析表明,设计工况下的数据值不仅与Fluent软件模拟的数据值相对误差为1.9%,并且应用Fluent软件模拟计算得到泵的性能曲线与性能实验的结果吻合较好,证明了在轴流泵导叶设计中,NACA0006翼型不仅结构简单、适用性良好,而且取得了更高的效率。     

混流式水轮机蜗壳·导叶及转轮内部水流的二维与三维数值模拟比较分析

基于N-S方程和标准k-ε紊流模型,采用CFD计算流体力学软件对HLA616-WJ-55混流式水轮机原型机的蜗壳、导叶及转轮内部水流进行二维定常数值模拟,并与同型式水轮机的蜗壳、导叶及转轮内部流动三维数值模拟结果进行比较分析。结果表明,二维与三维蜗壳内部流动的规律基本一致,压力分布和速度分布比较均匀,流动状况较为理想。二维CFD分析能较全面地预测水轮机蜗壳、导叶及转轮内部流场的结构,数值模拟结果对水轮机选型和优化设计均具有重要的指导意义。     

燃气轮机可转导叶部套保养工作实践

分析了濮阳首站轴流燃气轮机串联压缩机组可转导叶部套发生故障的原因。根据可转导叶部套的结构和故障特点,提出了通过保养的方法改善并提高可转导叶部套的工作可靠性的几种方法,并对这几种保养方法进行了定性分析和实践总结。     

贯流式水轮机基本力特性的解析表达式

根据叶片式水力机械的广义基本方程式和贯流式水轮机导叶布置的几何特征，建立了一组基本力特性的解析表达式。该方程组适用于贯流式水轮机装置的稳定工作过程和过渡过程状态的分析与计算。用该方程组计算一些贯流式水轮机装置的过渡过程，结果表明它是正确和适用的。     

含沙河流中轴流式转轮优化设计

从流体动力学出发，研究了水轮机过流部件中的沙水运动、包括泥沙磨损机理、流动特性等。分析和掌握它们间的关系，根据这些特征参数间的关系，利用多目标函数最优化理论，建立含沙河流中水轮机过流部件最佳耐磨损能力和最优效率优化设计的数学模型，提出求解此数学模型的数值计算方法。用奇点分布法进行翼型骨线积分计算（无限薄），综合考虑泥沙磨损的影响，在所得翼型骨线上进行加厚得以翼型。本文论述的方法和计算公式正确有效，不仅适用于传统人工设计含沙水中转轮计算，更适用于设计含沙河中转轮的计算机计算。     

基于现代最优控制理论的轴流涡轮级S2流面优化设计计算方法探讨

把数学规划论和现代最优控制论引入了轴流涡轮级的优化设计。采用非线性数学规划条件极值问题的求解方法进行了轴流涡轮级子午面几何通道形状及叶片几何参数的最优化设计，再在优化了的子午面几何通道内建立包括涡轮级内所有性能参量的最优流型命题的物理模型及其数学表达式，并归化为一个在给定初始状态、自变量终端固定、部分状态变量终端受有约束的条件下使级的输出功率最大的最优控制问题，应用“代价函数法”及“共轭梯度法”计算得到符合给定约束条件并使目标函数取极值的最优环量分布，结果令人满意。     

三峡水轮机转轮中三维空化流动的解析理论与方法

为了提高三峡水电站水轮机的空化性能,提出了水轮机转轮三维空化流场的分析理论与方法,通过数值模拟首次实现了混流式水轮机转轮内三维空化流场和叶片上三维空穴匹配的预测。将流面Ｓ１保角变换成圆柱或环列翼栅,用非线性贴体面元奇点法解映射二维平面上翼栅的空化流动。采用流线曲率法计算有厚叶片Ｓ２流面的流动。对流面Ｓ１与Ｓ２空化流解进行迭代计算,以最终确定转轮中三维空化流场。计算结果表明它适用于任何一种型式的反击