自由表面旋涡数值模拟与涡、汇模型理论分析

为研究吸气旋涡的产生机理,并进行相应的理论分析,将水利和水工设备进水口前常见的自由表面旋涡现象简化为盆池自由放水模型,采用“流体体积”(VOF)方法结合RNG k-ε湍流模型模拟自由表面旋涡现象．通过数值模拟获得自由液面从纯水涡到吸气旋涡的生成与演化过程,将计算结果与理论Burgers涡模型进行对比,发现Burgers涡模型的切向速度分布方程与计算结果相符,涡量向中心聚集是导致自由液面发生凹陷并最终产生吸气旋涡现象的原因之一,同时发现Burgers涡的径向速度和轴向速度分布方程与计算结果相比存在很大差异．进一步简化模型后,剔除切向速度影响,模拟了无旋流体的排水过程．通过理论推导在球坐标系下提出“汇球面”模型,获得了较好的速度分布方程,并发现“汇”效应也是产生吸气旋涡现象的重要因素之一．     

进水池表面吸气涡数值模拟与试验

为了有效地消除表面吸气涡,对进水池内流场进行了数值计算,模拟了表面涡吸气的动态过程;建立了试验模型,验证CFD方法的可靠性;并提出了圆形盖板消涡装置,探求其有效性;采用了螺旋度密度分析法,揭示了表面涡的吸气及其抑制机理。结果显示:采用的CFD方法可以较好地预测表面吸气涡的动态过程;吸气准备阶段,自由水面出现凹陷,喇叭管进口附近形成螺旋度密度管;随着气体从自由水面进入水体,自由水面下方形成另一螺旋度密度管;当连续气柱形成时,两个螺旋度密度管相互连通,形成气体通道;通过在自由水面和喇叭管进口之间放置一定尺寸的圆形盖板装置,可以消除表面吸气涡。     

翼型间隙空化数值模拟的湍流模型比较分析

为了比较不同湍流模型对间隙泄漏空化计算的影响及间隙泄漏空化的流动特性,利用CFD方法对一侧有间隙的翼型绕流流动进行分析.选取具有不同攻角和间隙的翼型作为研究对象,并利用3种常用的湍流模型,结合修正后的空化模型,对翼型间隙泄漏涡引起的空化进行计算.计算结果表明:修正密度的RNG k-ε模型对间隙泄漏空化的形态预测及泄漏涡附近主流方向速度分布的预测更为准确;受壁面条件和翼型尾迹的影响,泄漏涡所在位置的主流方向速度在间隙为10 mm时具有较大值.小间隙条件下,翼型间隙内侧的剪切空化更为强烈,翼型上方的泄漏空化距翼型上表面更远.间隙增大至10 mm时,较高的涡中心速度使泄漏涡空化发展距离更远、溃灭更慢.翼型叶顶的圆角对间隙流动有一定的引导作用,使间隙内侧及其附近的速度分布更为均匀,并对空化的发生位置产生影响.     

Ω涡识别方法在双进口两级中开泵中的应用

为了研究双进口两级中开泵内部流动的涡旋特性,基于SST k-ω湍流模型,采用非定常数值计算方法,通过外特性试验和GCI准则验证了数值计算方法的合理性,并引入新一代涡识别方法Omega(Ω)法,对其内流场中的涡旋结构进行分析.研究结果表明:传统的涡识别方法不能有效剔除壁面剪切层的影响,而Ω方法能将流体的剪切和纯旋转运动进行区分,获得较为清晰的泵内涡旋结构,特别是在两级叶轮中,能准确捕捉到尾迹涡的形态和分布情况;在不同工况下,将三维的Ω涡识别方法简化到二维平面后,其在反流道中的适应性更好,规避了之前许多没有形成涡旋结构而流线呈现出强扭曲的区域,同时证明了轴向涡旋在反流道中占主导地位.另外,研究过程证明了Ω方法在双进口两级中开泵这种复杂流体机械内部涡旋结构的识别中具有较大的优势,可以为该型泵进一步的设计优化提供相关理论依据.     

有挡板渠道中污染物扩散的大涡模拟

渠道中的突出建筑物对流场结构和污染物扩散过程有着重大影响,增加了预测污染物浓度分布的难度。为了探索使用数值模拟的方法来研究这种复杂流场下污染物扩散的适应性情况,采用大涡模拟（LES）方法计算了设有两个挡板的渠道中的非定常流场和污染物浓度分布。通过Smagorinsky-Lilly亚网格模型计算亚格子应力,在已知流场信息下直接求解三维污染物对流扩散方程。大涡模拟得到的浓度值计算结果与试验数据吻合较好,其准确性明显高于雷诺应力模型的计算结果,从而表明大涡模拟模型在此类问题中的可行性。     

离心泵泄漏流转子动力学特性分析

为研究泄漏流对离心泵转子振动特性的影响,以及计算由于离心泵前腔泄漏流作用在盖板上的不对称压力形成的涡动力,建立了离心泵前腔泄漏流模型,提出了一种研究离心泵前腔泄漏流诱导产生涡动力的数值计算方法。首先对离心泵进行全流场数值模拟,然后把其运算结果作为前泵腔单独数值模拟的初始条件,分析前腔流道内部流场的压力和速度矢量分布情况,并求出不同涡动频率比对应的法向和切向涡动力,最后运用最小二乘法对涡动力与涡动频率比之间的二次曲线进行拟合,求出全部6个转子动力学系数,结果表明数值模拟能较准确地计算出前腔泄漏流诱导产生的涡动力。     

高温熔盐泵内部非稳态流动对压力脉动特性的影响

为探究高温熔盐泵内部非稳态涡结构与压力脉动特性的关联性,构建熔盐泵与储盐罐全流道计算模型,基于RNG k-ε湍流模型的数值计算,对不同工况下泵内压力脉动频谱特征与涡结构演化规律进行分析.结果表明:由动静干涉引起的叶频(f_BPF)、导叶频(f_DPF)及其倍频信号在泵内压力脉动频谱中占主导,同时压力脉动程度随运行工况与测点位置差异显著.采用Q准则捕捉到导叶内部多种非稳态周期涡演化过程,包括尾缘脱落涡((2~3)f_R)、吸力面脱落涡(3f_R)等;关联分析可知涡结构演化核心区压力脉动程度显著增强,其特征频率与涡脱频率相一致,表明压力脉动与涡结构演化息息相关.研究结果为揭示熔盐泵内部非稳态流动激励特性及水力优化参考提供依据.     

凯乐塔电站进水口消涡措施试验研究

凯乐塔电站受枢纽总体布置及实际地形条件的约束,引水口上游建筑物边界形成一个环状区域。来流受边界条件的影响,在电站右侧进水口前形成吸气漩涡。经过综合分析和多组试验研究,采取优化胸墙结构并设置消涡墩组合方案,消除了进口前的吸气漩涡。方案结构简单,运行稳定可靠。     

基于大涡模拟的水轮机内瞬态湍流场特性分析

基于三维瞬态N-S方程,采用大涡模拟方法中的Smargorinsky模型,应用模拟动静干扰效果较好的滑移网格技术,以标准k-ε模型稳态计算的结果作为初始条件,对某混流式水轮机全流道进行了的三维瞬态湍流数值模拟.用Fluent 6.3,采用非结构化的混合网格和压力速度耦合的PISO算法,成功地模拟了水轮机在运行中的各种瞬态细节过程,如涡旋的卷起、增长、合并、破碎和脱落.模拟结果给出了偏工况下水轮机导水机构和转轮流道内大尺度涡结构的瞬态发展演变过程.计算结果表明大涡模拟方法能较好地模拟水轮机内水流的瞬态流动特性和瞬时涡的发展演化过程,该方法可为探索研究水力机械复杂流道湍流运动状态下涡旋的形成机理提供有价值的参考.     

沟槽壁面对泰勒涡流稳定性影响的数值模拟

利用CFD数值模拟方法对光滑壁面与沟槽数量为18的2种同心圆柱模型内的泰勒-库艾特流动进行计算,在对比光壁模型的PIV试验与CFD数值计算结果后,发现两者吻合良好,验证了文中采用数值计算方法的准确性;针对泰勒涡流流态,定量分析了光壁模型R-Z平面上径向速度以及轴向速度的周期波动性,讨论了环隙中不同径向位置的径向以及轴向速度分布规律,获得了泰勒涡胞尺寸随着Re数增大而减小的变化规律;在相同的Re数下,沟槽数量为18的模型内也出现了泰勒涡流,通过比较2种不同结构模型内流场以及涡量场,发现沟槽的存在显著改变了流场分布,增大了环隙内涡量的大小及泰勒涡胞的尺寸,环隙中部指向外圆柱方向的径向速度也较光壁模型增大了20%,同时,计算获得R-θ平面内沟槽区域的流场分布表明该区域存在着明显的旋涡运动.     

基于RANS/LES混合模型的90°方形弯管内流分析

为了了解90°方形弯管内流速度、压力分布、流动结构等流场信息带来的影响,分别对2种RANS/LES混合模型DDES和SAS在离心力作用下的弯管流场数值模拟,并将流动横截面速度分布和外弧面流向压力系数分布与试验结果进行对比分析.在此基础上,进一步比较了2种模型的瞬时流动结构和湍动能分布.结果表明:DDES和SAS的速度分布曲线及外弧面压力系数变化趋势相近,但是DDES在近壁区速度曲线和外弧面壁面压力系数分布上更接近试验结果;根据壁面小涡的尺度分布,DDES模拟结果在贴壁和近壁处有多种尺度的小涡,而SAS结果仅在贴壁面处存在若干无规则小涡;DDES能模拟出理论上四涡交界处的低湍动能区,而SAS未能得到这一现象.     

混流泵内部流动不稳定特性的数值模拟

为了研究小流量工况下混流泵内存在的不稳定流动特性,基于大涡模拟亚格子尺度模型与滑移网格技术, 对包括进口管和出口弯管的混流泵全流场进行三维非定常湍流计算．外特性试验结果表明,在60％～85％最优工况范围内,扬程-流量特性曲线呈正斜率特性．数值模拟结果与试验结果误差控制在4％内,表明大涡模拟可以准确预估混流泵存在的扬程-流量正斜率不稳定特性．在此基础上,分析了混流泵产生正斜率不稳定特性的内流机理．分析结果表明,在小流量工况下叶轮入口切向速度呈明显的非对称性,叶轮与导叶流道内液流的失速效应使叶轮叶片表面和导叶叶片入口轮毂侧存在大尺度的旋涡结构．导叶流道内旋涡尺度较大,压力脉动沿导叶轴向呈明显的周期性波动,使旋涡区域从吸力面侧逐渐扩展到导叶流道,旋涡结构的涡核附着在压力脉动最小值的导叶吸力面中间叶高区,且涡核旋向与叶轮旋向相同．     

离心泵叶轮非设计工况下内部湍流流场的模拟

采用ANSYSCFX11．0软件、标准k—ε湍流模型及SST湍流模型封闭雷诺平均方程，对低比转速离心泵叶轮在非设计工况下内部流场进行了三维定常湍流数值模拟，获取了离心泵叶轮内部流场结构，此两种模型所计算出的内部流场图案与参考文献中的PIV试验结果以及大涡模拟（LES）的计算结果基本一致，获得了文献中出现的“交替失速”这一特殊的流动现象．此外，对不同直径处将本计算所得到的速度轮廓的形态与文献中的PIV及LES结果进行了比较．结果显示采用标准k—ε湍流模型及SsT湍流模型能够对离心泵内部流动进行比较精确的模拟，但是在局部上与PIV试验结果有一定的偏差，并进行了初步分析，但仍需要对湍流模型进行进一步的探索和研究．     

射流泵内部流动计算中不同湍流模拟方法的比较

为了掌握射流泵中工作流体与被吸流体的混合过程,通过基于雷诺平均N-S方程(RANS)的不同双方程湍流模型以及大涡模拟(LES)对射流泵内部三维单相流场进行数值模拟,并将这些模型的计算结果和试验值进行对比,研究了适合射流泵模型的数值方法,并在此基础上,对不同工况下射流泵的内部流动进行了分析．结果表明:采用LES方法对射流泵湍流场进行模拟计算的结果是可靠的,无论是压力比还是效率,LES模型的数值模拟结果均与试验值吻合较好;采用双方程模型预测的喉管段高速核心区在混合过程中能量耗散过快,且没有预测出剪切层的旋涡结构,只有LES方法才能得到合理的旋涡结构,从而能准确地反映出大流量工况时剪切层中工作流体和被吸流体间的动量和能量输运及混合过程,因此LES所预测的射流泵的能量特性比其他湍流模型更接近试验值;流量比越大,工作流体与被吸流体在喉管内的混合位置越靠后,势流核区沿轴向区域越长,均匀混合后的轴向速度越大．     

理想状况下涡流发生器尾涡特性

采用大涡模拟技术计算了理想工况下54种涡流发生器的水动力特性,以尾涡大小、尾涡间距和尾涡强度作为衡量参数,依次分析了3种流速、3种几何尺寸和6种安装角度时涡流发生器的尾涡特性,并用粒子图像测量方法对计算结果进行了验证.研究结果表明:反向涡与水流方向的夹角远大于同向涡与水流方向的夹角,并且随着涡流发生器与涡旋间距离的增大,各夹角先增大后减小,直至同向涡和逆向涡合并到同一条直线上;随着涡流发生器安装角度绝对值的增大,尾涡大小和强度均线性增大,并且一对涡旋内同向涡和反向涡之间的距离增大,相邻两对涡旋之间的距离逐渐减小;随着流速的增大,尾涡强度显著增大,但各个涡旋之间的距离不变;随着涡流发生器安装边长度的增加,组内同向涡和反向涡之间的距离逐渐增大,但湍动能的分布区域大致相同.     

基于动网格技术水平轴风力机叶片及尾迹流场旋涡特性

为了研究风力机流场中涡的产生及演化过程,采用动网格技术中的重叠网格方法对水平轴风力机流场进行计算,利用Q准则对叶片表面、叶尖涡及中心涡涡旋结构进行可视化分析,并将计算结果与相同工况下滑移网格计算结果进行对比分析.结果表明:对比2种方法在不同截面的叶片表面涡量分布,动网格方法计算得出在吸力面流动分离区域更大,能够捕捉到更多叶片表面边界层分离的细节;叶尖涡在向下游运动过程中将出现“叶尖涡跳跃”现象;中心涡在尾迹流场中涡量分布呈双峰状,在风轮后0.5D~2.0D内,叶尖涡与中心涡发生混合扩散;动网格与滑移网格计算得出尾迹流场中,中心涡分布趋势基本一致,采用动网格方法得出涡量峰值更大,采用滑移网格方法得出中心涡更早发生扩散.相较于滑移网格方法采用动网格方法研究风力机流场中的涡会更具优势.     

一种湍流计算的非线性PANS模型

大多数雷诺平均湍流模型(RANS)基于线性和各项同性假设求解雷诺应力(Reynolds stress),因此对高压力梯度区、大曲率回流以及复杂的分离流动的预测误差较大.在近壁区较少网格的条件下,部分时均(PANS)方法被认为比大涡模拟(LES)获得结果更好.通过RNG k-ε湍流模型构造部分时均化模型,引入雷诺应力的非线性求解方法,提出了一种新的非线性PANS模型,并应用该非线性PANS模型分别对绕NACA0015水翼翼型流场和90°长方形截面弯管内流场进行了流动的数值模拟.结果表明:非线性PANS模型的数值结果与试验数据吻合较好,其在高压力梯度区的预测准确性高,并能准确预测流动分离诱发的三维非线性流动,证明了该方法捕捉高压力梯度、大曲率流动的有效性.该计算方法可以用来预测透平机械内部复杂的涡结构.     

串列式轴流泵首次级叶轮能量特性及相互作用

为了分析串列式轴流泵的能量特性以及首次级叶轮之间的相互作用及其对能量特性的影响,采用数值计算的方法,对一串列泵内不同流量工况下的内部流场进行计算．湍流模型采用了一种RANS／LES的混合模式的FBM模型,基于试验结果对数值方法进行了验证,结果显示该数值方法能够较为精确地预测轴流泵的能量特性,FBM湍流模型预测结果精度高于标准k-ε模型．串列泵具有和普通轴流泵不同的能量特性:扬程随流量增大单调减小,功率随着流量增大而缓慢增大,说明串列泵具有良好的调节特性;首级叶轮的能量特性随流量变化而改变,具有和普通轴流泵几乎相同的能量特性,次级叶轮的存在明显改善了首级叶轮在小流量工况下的特性;次级叶轮的能量特性和普通轴流泵相比,具有较大差别,这是由于首级叶轮的存在改善了次级叶轮的进口流动,使次级叶轮在较大流量范围内具有恒定的能量特性．     

水泵水轮机水轮机工况大流量区数值分析

为了研究水泵水轮机水轮机工况大流量区域的流场特性,依据某抽水蓄能电站水泵水轮机模型机进行建模,分别采用结构化和非结构化2套网格,基于剪切应力传输模型SST k-w和SIMPLEC算法对该区域流场进行了模拟,并与试验结果进行了比较验证,详细分析了大流量下转轮内部流动特性.结果表明：水泵水轮机进入大流量区后,由于流体相对转轮速度的不断提升,转轮流道内生成了周期性分布的涡结构并且涡结构不断增大,向流道出口边延伸,引起能量损失,导致转轮叶片压力面上流体速度的上升,进而对数值计算的网格质量提出了较高的要求,揭示了大流量区计算难度高的内在原因.结论可为水轮机工况大流量区域的数值计算和流场分析提供了理论依据.