起旋器内部的流速场和涡量场特性

为解决低压管道灌溉中存在的含沙水流淤堵管道的问题,采用了低压管道灌溉的螺旋流输水方式.起旋器是产生螺旋流的主要装置,通过理论分析与试验探索,在起旋器内部通道设置了4个测试断面,并对各测试断面内螺旋流的水力特性进行研究.结果表明：导叶对起旋器内部的流速场和涡量场都有重要影响.在不同半径的柱面上,导流片曲线段区域流速变化较大,且越靠近圆管边壁流速变化越强烈.在相同半径的柱面上,轴向流速变化最大,周向流速变化次之,径向流速变化最小.在导叶的进口产生涡旋,继而涡量不断增加并向无导流片区域扩散,形成了涡量密集区且在有导流片的区域,越靠近圆管边壁涡量变化越快.同时用罗斯比数与埃克曼数的大小来反映水流通过起旋器时水流旋转的强烈程度.起旋器内螺旋流涡量场中罗斯比数小于1,埃克曼数量级为10-6～10-5,表明水流通过起旋器时旋转较为强烈.     

不同径高比动导叶旋流器的管流特性

浑水管道输水灌溉系统中,防泥沙淤积问题的技术措施为管道输水灌溉技术在渠灌区的推广应用提供技术支撑管。试验通过旋流器的作用产生螺旋流,以降低泥沙沉积的速度。通过试验分析了不同径高比导叶的旋流器在运动时产生的螺旋流旋流特性将圆管螺旋流看作是水泵产生外来压力的轴向Poiseuille流动和旋流器导叶强制导旋产生的周向Coutte流动,并将其流速分解为轴向流速,周向流速和径向流速。结果表明,测试断面的压力随着旋流器上导叶径高比的增加而增加;旋流器位于测试断面下游时的压力大于其位于测试断面上游时的压力;测试断面下游水流的轴向速度随导叶径高比的增加表现为先增大后减小的趋势。断面的轴向流速分布呈现类对数分布,在中心区域,即距管轴约小于2.5 cm的范围内,轴向流速较大,且相对比较均匀;在此范围以外受液体黏度影响,流速变化较快。其周向速度随导叶径高比的增加有先减小后增大的趋势,且在r_1rr_2(r_1距管轴约2 cm,r_2距管轴约3 cm)的主流区,周向速度具有强制涡的速度分布特征,该区域的速度值较大,水流旋转强度激烈。在rr_1,rr_2的准自由涡区,该区域速度值相对较小,尤其在管壁处,水流黏性的影响,速度最小。径向速度随导叶径高比的增加逐渐减小。同时,通过对涡量场的研究,得出了测试断面旋涡的大小和分布情况,进一步认识到流体运动的物理本质。     

基于V3V的泵站进水池内附底涡动力特性研究

采用体三维速度场测试系统V3V测量漩涡工况下立式轴流泵喇叭管下方的流场,分析了附底涡演变过程中漩涡区速度梯度分布、漩涡强度及漩涡涡动能的变化。结果表明：附底涡的发生过程是一个伴随着附底涡区速度梯度、漩涡强度及漩涡涡动能不断变化的过程。随着时间的推移,附底涡区速度梯度、漩涡强度及漩涡涡动能先增大,达到最大后保持0.4s, 然后迅速减小,附底涡形成发展的时间大于漩涡溃退消失的时间。在漩涡发展初期,随着距离进水池底部高度的增大,漩涡强度逐渐减小;在漩涡进入保持阶段后,附底涡满足漩涡强度守恒定理;受喇叭管内复杂环境的影响,附底涡强度从喇叭管内最先溃退消失,从上向下逐渐减小。本研究可为进水池优化设计提供理论指导。     

非定常空化流动涡旋特性分析

基于试验和数值结果对三维非定常空化流动的涡旋特性进行分析.试验采用高速摄像系统对三维空穴发展过程进行观测.数值计算中采用混合密度分域的湍流模型和基于相间质量传输的空化模型.与试验结果对比,表明该计算方法能够准确捕捉云状空化的非定常过程：附着空穴的初生和发展,附着空穴的断裂,以及大尺度脱落空泡团的形成.基于计算结果,采用涡量分析法并引入复杂流场中的涡旋结构判据研究了空化现象的发生和发展对涡量输运过程的影响.结果表明：反向射流的形成和发展导致速度梯度的变化,从而引起涡量产生项的非定常变化;气液两相的相互转换会导致流场内体积变化率以及密度梯度的变化,同样引起体积变化率项和斜压矩项的非定常变化.采用速度梯度张量不变量Q和R分析空化现象的涡旋特性可以发现：在水翼前端附着空穴区域,旋转效应大于形变效应;脱落空泡位置附近,旋转效应和形变效应共同支配云状空泡运动.     

轴流泵叶顶泄漏涡形成演化机理与涡空化分析

为了掌握轴流泵叶顶泄漏涡(TLV)的形成演化机理,评估涡形成空化条件和间隙宽度的影响,进行了轴流泵间隙泄漏流动实验和数值计算分析。通过流线涡量云图三维可视化分析,得到间隙流动特征及其涡结构,并比较分析涡初生时吸力面的速度流线、涡量和湍动能。对比了不同截面的物理量分布,并对不同空化条件下空化发展与TLV涡强度之间的关系进行了分析。研究表明:泄漏剪切带是形成TLV的主要区域,该区域的湍动能和涡量均较大,轴向主流与间隙射流形成对流,促进了涡的生成和发展,大间隙下的泄漏流速、涡强度与涡尺度更大;TLV核心区涡旋来自剪切带形成的剪切涡和周向的来流涡。在大空化数下,涡与空化分布基本一致,涡强度与空化正相关,叶顶涡空化在大间隙时延伸更远。在小空化数下,涡与空化位置不完全重合,空化形成所需要的涡强度较低,易扩展形成片状空化,间隙宽度对空化的影响较小。     

立式轴流泵进水流场PIV测量

采用3D-PIV激光流速仪对立式轴流泵喇叭管和进水池内部流动进行了测量,2个典型流量工况下的测量结果表明:设计流量(Q0)工况时,叶轮进口断面流速场呈对称分布,断面轴向流速均匀度达到0.87,无旋涡发生,喇叭管内及泵叶轮进口水流流态良好;大流量(1.2Q0)工况时,叶轮进口断面流速场呈非对称分布,断面轴向流速均匀度仅0.70,流道及喇叭管内有较强的旋涡产生,并进入叶轮诱发振动。分析了旋涡核心区的细部流动结构,导出了旋涡的数字形态,揭示了涡核内水流圆周分速度的分布规律,涡核中心的流速接近为零,圆周分速随涡核半径增加而增大,在半径3~5 mm范围内速度梯度最大,旋涡的强迫涡特征十分明显。提出了基于流量的单元面积加权流速均匀度及相应的计算公式,使过流断面流速均匀度的计算结果更为合理、更加符合实际。     

正态漏斗附近水沙数值模拟

针对水库淤积问题,设计了一种正态漏斗排沙装置,在水槽中开展水流试验。对正态漏斗附近水流-泥沙进行欧拉两相流模拟,用水流试验数据对数值模型进行验证,进而分析了不同边界条件下流速、涡量和相浓度场。结果表明,漏斗内部流速梯度较大,泥沙相浓度等值线呈V型不对称分布,漏斗前缘、左后侧和右后侧出现大涡量区。与锥形漏斗对比,正态漏斗近壁面流速大,水流阻力小,3种边界条件下平均涡量减小25.8%～27.2%,出口泥沙相浓度增大15.2%～16.5%,具有降低能量耗散、显著提高排沙效率的作用。     

含沙空化对轴流泵内涡量分布的影响

考虑空化与泥沙磨损的联合作用,采用SST k-ω湍流模型和ZGB空化模型,数值模拟研究不同空化程度下,轴流泵内涡量的变化过程。结果表明:涡量主要分布在叶片背面后部、出口边处以及叶片头部,工作面处涡量较小。相比清水而言,输送介质中含沙对叶轮和导叶内涡量的影响较大;随着粒径的增大,叶轮和导叶表面涡量随之增大,然而涡量的增大幅度不明显。低含沙量和小颗粒泥沙可以改善导叶内漩涡分布,减小漩涡强度。随着空化压力的降低,泵内涡量迅速增大,说明,粒径对泵内涡量的影响不大,含沙量和空化是引起涡量增大的主要原因。     

机翼形堰绕流流场的PIV测量

为了研究机翼形溢流堰流动特性并探讨其水力特性,利用粒子图像速度场仪（PIV）在水槽中测量了相对水头高度（H0/P）分别为1.05,1.25,1.37,1.48,1.54时堰高与堰长比（P/C）为0.30的某机翼形堰的绕流流场,获得了5种雷诺数（Re）下对应流场的速度矢量、流线和涡量图.试验结果表明：在不同相对水头高度或来流速度下,机翼形堰具有相同的溢流流动特性,其速度、涡量分布规律基本相同,流线近似平行,流动平稳,无明显的漩涡出现,其绕流流动类似＂贴体＂流动,试验中堰顶处主流最大速度为0.36 m/s,上游堰踵和下游堰趾处速度较主流速度小得多,其值大小为0.05 m/s,速度的降低有效减少了水流对堰面的冲刷.堰顶处涡量最大为19.12 m2/s,加快了堰顶水流能量的耗散;上游堰踵和下游堰趾涡量几乎为0,避免了堰踵与堰趾出现危害性负压.     

热载体加热器内颗粒流动实验台设计与试验

为了研究竖直热载体加热器内陶瓷球颗粒的流动特性,设计制造了一套可视化流场试验装置。利用PIV技术,对直径为2 mm的陶瓷球热载体在竖直管内的速度场进行了研究,并利用Tecplot对陶瓷球的涡量进行了局部涡量的提取,以研究陶瓷球涡量场分布特点和其局部特征。研究结果表明,陶瓷球颗粒的轴向速度分布近似呈抛物线状。在竖直管内不同挡板处,涡量场与速度场一样具有贴壁特征;同时内置挡板有利于增加陶瓷球与热烟气的换热时间和效率。     

基于PIV的循环式生物絮团系统涡旋分离器内流场研究

为分析循环式生物絮团系统涡旋分离器的内流场特性,基于非接触式流场测试PIV (Particle image velocimetry)技术对试验规模涡旋分离器内流场进行测量,分析了该涡旋分离器在不同水力停留时间工况下(248、83、49 s)涡旋分离器内部流场的合速度、分速度和涡量等分布情况。结果表明:不同水力停留时间条件下,涡旋分离器内套筒内部区域的左下角和上部区域均表现一定的涡旋,同时随着水力停留时间的加快,中间内套筒内的颗粒速度方向大致相同,仅在筒壁附近产生小的二次流,同时沉积仓内的颗粒速度方向趋于一致;虽然水力停留时间加快,但轴向和径向的合速度变化不大,且不同速度占据的比例基本相同;不同工况下顺时针和逆时针涡量基本相同,且水力停留时间越慢,流场的涡量相对越小,并随着水力停留时间加快涡量分布趋向均匀,即高涡量区域逐渐增加; PIV试验由于激光能量一定,其穿透能力有限,因此,对于复杂结构的PIV试验所获得的结果有待改进。     

渠底螺旋流形成及其流速结构的分析研究

渠底涡管螺旋流排沙是利用涡管内产生的螺旋流排除渠道中来沙的一种泥沙处理技术.渠底涡管排沙的机理是水沙的惯性作用和边界条件相结合的产物.在涡管内水流沿管方向运动,同时受到渠道水流纵向流速的影响,在涡管内形成既有纵向流速又有横向流速的水流运动,从而形成螺旋流.为对渠底螺旋流形成及流速结构有一个比较深入的认识,首先分析了影响渠底螺旋流形成的关键因素,并通过已有的试验资料对渠底涡管内螺旋流横向流速分布进行分析计算,然后讨论了不同流量不同底坡对流速分布的影响,得出了关于渠底螺旋流的规律性结论.     

不同叶顶间隙下的轴流泵内部流场数值计算

基于标准k-ε双方程湍流模型和SIMPLEC算法,采用结构化网格技术,对轴流泵分别为0.15,0.50,1.00,2.00 mm的叶顶间隙进行了多工况数值模拟,讨论了不同叶顶间隙大小对泵性能的影响,并分析了叶轮出口轴面速度、出口环量的分布以及叶顶泄漏流和泄漏涡随叶顶间隙的变化情况.数值计算结果表明,当叶顶间隙超过0.50 mm时,泵性能下降的幅度明显增大;叶轮出口轴面速度在轮毂壁面和叶顶间隙处减小,而环量增加;叶顶间隙越大,轴面速度和环量受泄漏流的影响越大;通过数值模拟捕捉到不同间隙下叶顶泄漏流和泄漏涡,分析得出泄漏涡是由于泄漏流与主流发生卷吸作用而形成的,且泄漏涡在流道内的运动轨迹与叶顶间隙大小关系密切.     

渠底螺旋流形成及其泥沙起动机理的分析研究

渠底涡管螺旋流排沙是利用涡管内产生的螺旋流排除渠道中来沙的一种泥沙处理技术。渠底涡管排沙的机理是水沙的惯性作用和边界条件相结合的产物。在涡管内水流沿管方向运动，同时受到渠道水流纵向流速的影响，在涡管内形成既有纵向流速又有横向流速的水流运动，从而形成螺旋流。为对渠底螺旋流形成及流速结构有一个比较深入的认识，本文首先分析了影响渠底螺旋流形成的关键因素，并通过已有的试验资料对渠底涡管内螺旋流横向流速分布进行分析计算，然后讨论了不同流量不同底坡对流速分布的影响，得出了关于渠底螺旋流的规律性结论。     

风筛式清选装置筛面气流场试验

在DFQX-3型物料清选仿真试验台上,通过空间布点测量了筛面不同位置的气流速度.根据测量值得出筛面上流速小于或等于4.81m/s,属低速气流.利用Matlab绘制了筛面不同位置的横断面、纵断面、水平面的等速线和速度变化曲线,分析了风筛式清选装置的筛面气流场速度分布规律.试验表明,筛面两侧的流速对称分布,前后两端流速较接近,中间流速变化复杂.     

改进型INTER-MIG桨尾涡结构的PIV试验与模拟

采用粒子图像测速(PIV)技术和计算流体力学(CFD)对改进型INTER-MIG桨釜内尾涡结构进行研究,将数值模拟结果与PIV试验进行了比较,分析了几种湍流模型的差异;利用2D-PIV对尾涡结构进行涡量分析,并探讨桨叶直径对尾涡的影响,以及尾涡与湍动能之间的关系.结果表明:LES对尾涡的预测优于Reynolds平均法;改进型INTER-MIG桨在运动过程中产生运动轨迹不对称的上下尾涡,桨叶下尾涡先于上尾涡形成,下尾涡最大涡量高于上尾涡;在尾涡形成到发展至最大的过程中,桨叶直径对下尾涡的径向位移影响较大,在桨叶直径D/T=0.57时,桨叶下尾涡沿径向方向运动最快,湍动能最大;当尾涡开始衰减后,桨叶直径越大,尾涡耗散的速度越快;湍动能最大值介于两尾涡之间,且伴随着尾涡的发展而增大,随其衰弱而减小.研究结果表明改进型INTER-MIG桨釜内的搅拌机理,可以为该桨叶釜内的工程和优化设计提供参考.     

基于LES的泵站前池表面涡及液下涡流瞬态特性分析

泵站前池或泵站进水池是泵进口前的过流部件,在不同工况的流动中存在多种旋涡,可分为自由表面涡和液下涡,这些高度不稳定的旋涡是影响水泵装置运行效率及稳定性的重要因素。为了研究泵站进水池的内部涡流,采用大涡模拟(LES)及流体体积函数(VOF)方法对泵站进水池中的三维非稳态流动进行了非定常数值计算,并进行了系统的验证。基于数值计算结果,统计了旋涡的时均特性,讨论了RANS方法和LES方法对涡流预测的区别;采用λ2等值面将旋涡结构可视化,观测到自由表面涡及附底涡周围环绕的二次涡结构;分析了不同时刻表面涡及附底涡的形态和瞬态特性,通过涡量方程得到了对流项及拉升、弯曲项对主涡涡量变化的影响。结果表明:二次涡与主涡的相互作用在一定程度上增强了主涡动量的向外耗散,并通过自旋引起主涡轴向拉升或者弯曲。     

螺旋流排沙管三维数值模拟

涡管排沙以其成本低、效率高等优点而被常常应用于引水明渠的渠首中,但由于涡管尺寸小、流动三维性强等特点,涡管中流动的真实信息很难得到,不利于涡管的优化设计。应用FLUENT软件,以RNG k-ε湍流模型封闭Reynolds方程,SIMPLE算法求解方程组,采用VOF法追踪自由表面,对明渠排沙涡管中流态进行了三维数值模拟,得到了涡管内切向和轴向流速分布的完整信息。分析了水深、排沙涡管开口宽度、涡管直径、涡管与渠道轴线夹角、涡管开口长度和涡管纵向坡度等参数对涡管内流速分布的影响,对于明渠涡管螺旋流排沙设计具有一定的参考意义。     

面向鱼道设计的模型鱼洄游特征流速试验研究

水利工程中的鱼道设施为自然生态下鱼类洄游提供了一条人工通道,不同的鱼道入口流速下,鱼类的游泳行为存在较大差异。针对我国各流域中常见的鲤科幼鱼,以趋光性为特征选择了草鱼和鲤鱼为模型鱼,为寻找其诱导水流流速,定义了鱼类不同游泳行为下的四种特征流速(响应流速、临界流速、持续流速与突进流速)作为试验观察指标。通过应用自行研发的仿生态鱼类游泳行为的测试装置,测试了鲤科幼鱼体长与特征流速的相关性,通过试验数据拟合,得到了特征流速与鱼体长度之间的计算公式,可为仿生态鱼道进流区设计提供参考。     

水产养殖中水质与鱼类行为双向映射模型研究

在水产养殖中,水质参数与鱼类活动之间有着密不可分的相互映射关系。过去的监测更多偏向于单向映射,一般都是通过鱼类的行为表明水质的情况。针对仅仅通过鱼类行为反映水质情况会产生误判和滞后的问题,本文构建一种基于随机森林的鱼类行为与水质情况双向映射模型。双向映射模型不仅可以提供更多的信息从而提高预测的准确性,而且也可以通过相互验证提高模型的可靠性。首先,通过引入可变形卷积模块对YOLO v7进行改进,利用改进模型检测出视频中鱼类的位置再通过前后帧的坐标量化出鱼的游动参数。随后,将采集到的鱼类游动参数及对应的水质参数作为输入,使用随机森林模型进行分类、回归,分别完成鱼类游动参数和水质参数具体数值的预测以及指标异常级别的预测,从而得到双向映射关系。为了表明模型的泛化能力,分别在黎安港和新村港渔场2个数据集下进行实验。实验结果表明：提出的方法可以较好地实现鱼类行为与水质关系的双向映射,其中,分类实验平均准确率可以达到90.947%,回归实验决定系数R2的平均值可以达到0.801。