桨距角对螺旋桨气动特性的影响

为了研究桨距角的大小对螺旋桨的整体气动性能的影响,基于滑移网格和动网格技术,使用CFD软件求解非定常不可压流动的N-S方程和S-A湍流模型,分别对桨距角静态变化和动态变化下的螺旋桨气动特性进行了模拟分析,桨距角静态变化角度分别为0°,3°和6°,桨距角动态变化时桨距角按照正弦变化曲线从0°增大到4°.数值计算结果表明:在桨距角静态变化过程中,螺旋桨的拉力和扭矩均随桨距角的增大而增大,而效率降低,相对于桨距角0°,桨距角3°时的拉力提高了20%~30%、扭矩提高了将近30%~40%.在桨距角动态变化过程中,随着桨距角的增加,拉力、扭矩及需用功率均呈线性增加,效率减小,此外,桨距角静态变化时的桨距角3°与和桨距角从0°增大到4°动态变化时的桨距角3°所对应的气动参数大致相同.     

液力透平变工况瞬态特性的数值分析

为了研究液力透平变工况时的瞬态特性,基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,对液力透平内部流场进行全三维非定常数值模拟,获得了变工况下液力透平内部流场的瞬时压力脉动、轴向力和径向力的变化规律.结果表明:变工况条件下,液力透平内部的瞬时压力脉动更为明显,小流量工况时静压力虽小,但压力脉动幅度最大,大流量工况的压力脉动幅度次之,最优工况时的压力脉动幅度最小;转轮进口动静耦合面处各个位置的压力脉动幅度与所处的位置有关,蜗壳环形出口位置的压力脉动较大,隔舌处压力脉动较小,压力脉动幅度随着流量的增大而增大;转轮进口动静耦合面和进出口的压力脉动主频等于叶频(转动频率与叶片数的乘积);液力透平在各个工况下均有径向力和轴向力存在,变工况下瞬时径向力的矢量分布近似圆形,瞬时轴向力在一个周期内变化趋势为先减小后增大,且存在最小值区域;流量越大,径向力和轴向力越大.     

修锉叶片出口对离心泵非定常性能的影响

为探究修锉叶片出口对离心泵非定常性能的影响,对一台比转速为180的离心泵叶片出口的压力面和吸力面分别进行两种厚度修锉,采用ANSYS-CFX软件的标准k-ε湍流模型对各方案进行非定常数值模拟,对比分析不同叶片出口修锉方案对离心泵外特性、内部流场、压力脉动以及径向力的影响。研究结果表明:离心泵叶片出口压力面修锉方案PS1、PS2使离心泵的水力效率分别提高1.1%和1.5%,但在一定程度上会降低扬程,吸力面修锉方案SS1、SS2使离心泵的扬程分别提高6.3%和7.1%,但在一定程度上会降低水力效率;对吸力面进行修锉可以提高蜗壳扩散段壁面和蜗壳出口的静压值,同时降低叶轮及蜗壳流道中速度分布的均匀性,但对压力面进行修锉则相反;4种修锉方案均能在一定程度上改善离心泵蜗壳流道内的压力脉动,减小压力脉动的能量损耗,其中方案PS2效果最好;修锉方案PS2、SS1、SS2均能在一定程度上减小叶轮径向力同时增大隔舌径向力,其中方案SS2的影响效果最为明显。综合分析,叶片出口压力面修锉方案PS2使离心泵性能最佳。     

不同径向间隙对离心泵动静干涉作用影响的数值模拟

通过改变蜗壳基圆直径改变叶轮与隔舌之间的间隙,采用SST模型对3个蜗壳基圆直径的离心泵全流道进行非定常数值模拟.3个蜗壳基圆直径分别为184、198和214 mm,其对应的间隙率为5.74％、13.79％和22.99％.通过非定常数值模拟获得了不同基圆直径离心泵的压力脉动特性、作用在叶轮上的径向力和扭矩特性,并对其进行比较分析.结果表明:不同测点的压力脉动、作用在叶轮上的径向力和扭矩呈周期波动,均以叶片通过频率为主;不同基圆直径泵叶轮上的径向力矢量图基本呈圆形分布;随着蜗壳基圆直径的增大,叶轮上的径向力先减小后增大,各测点压力脉动幅值逐渐减小,高频脉动也逐渐减少.同时针对蜗壳基圆直径为184 mm的泵进行数值模拟,并对该泵进行了性能试验,对比分析结果表明:数值模拟的结果是可信的.     

高速直升机尾推螺旋桨气动设计研究

为了研究高速直升机的动力推进装置,基于螺旋桨片条理论和环量优化设计理论对高速直升机尾推螺旋桨进行了气动优化设计和气动性能计算.在设计过程中,以高速飞行工况(H=2 000 m,v=400 km/h)为设计点,完成了一款直径D=2.5 m高速直升机尾推螺旋桨的气动方案,给出了螺旋桨桨叶最优环量、弦长以及扭转角分布.基于采用片条理论计算了在不同工况下螺旋桨的气动性能,结果表明该螺旋桨在较宽的前进比范围内均能保持较高效率(η=0.80~0.85).同时采用CFD数值模拟方法完成了2个典型状态点(静止状态v=0 km/h、高速状态v=400 km/h)的气动性能分析,获取了螺旋桨气动性能参数和流场信息,其中数值计算的拉力系数与效率值与理论计算值相差1%~2%,从而验证了复合式高速直升机尾推螺旋桨气动设计方案可靠性.     

小型风力机系统气动及发电性能试验研究

为了揭示小型风力机系统气动及发电性能的差异,分别对某新型的风力机风轮及连接发电机的同一风轮的气动性能和发电性能开展风洞试验,详细分析了风轮的气动特性及发电机的电磁特性.基于风轮气动功率和发电机的发电功率试验数据,给出了风力机不同风速下的最优工作曲线和实际工作曲线,在不同风速下实际工作曲线中的发电功率峰值及其对应转速均小于最优工作曲线中的气动功率峰值及其对应转速.风轮的气动扭矩随转速先增大后减小,然而发电机的电磁扭矩随转速增大而增大,当发电机逐渐增大的电磁扭矩等于开始减小的气动扭矩,发电机的转速无法进一步加速到气动功率最大值对应的转速,这种不匹配是导致风力机系统气动和发电性能差异的主要原因.试验数据可为研究风力机最大功率控制策略提供支持.     

混流泵内部流动的试验研究

混流泵叶轮内流动性能直接影响整台泵的外部性能.为了探讨混流泵叶轮内部的流动机理,设计了透明蜗壳,加工了1套半开式混流叶轮,建立了混流泵试验系统并利用PIV对其在不同流量工况下叶轮内部的流动性能进行了试验测试.通过对叶轮流道内的时均相对速度分析后发现,在设计流量工况下压力面附近相对速度从进口到出口先减小后增大,吸力面附近的相对速度先增大后逐渐减小.在叶轮出口处沿叶片高度方向的相对速度靠近压力面附近变化不大,靠近吸力面附近从叶根到叶顶逐渐降低,相对流速最小值出现在吸力面叶顶附近.在小流量工况下,流道中部叶高截面至叶顶的区域内会出现回流现象.同时还研究了不对称形状的蜗壳对叶轮内部流动的影响,对叶轮相对蜗壳不同位置流道内的流动进行了测试,发现相对蜗壳不同位置流道内的相对流速的分布趋势基本相同.     

气液两相条件下离心泵内部流态及受力分析

为研究离心泵在气液两相条件下叶轮内部流态及受力情况,选取一比转数n_s=129的离心泵为研究对象,基于CFX软件提供的Eulerian-Eulerian非均相流模型对泵内部流场进行三维瞬态数值模拟,得到不同初始气相体积分数下叶轮流道内气相体积分数分布及叶片载荷等物理量变化规律,并将数值模拟结果与试验结果进行对比验证.结果表明:叶轮内气体主要集中分布在叶片吸力面区域,出口处则集中分布在流道中间区域,叶轮前盖板区域气相体积分数大于后盖板区域;当初始气相体积分数逐渐增大时,叶轮流道内流动紊乱,气液两相流动的不均匀性加剧,旋涡区域增大;随着初始气相体积分数的增大,叶片进口到靠近出口位置,叶片压力面所受压力载荷相对于吸力面减小的更快,而在出口位置附近叶片吸力面压力载荷减小的更快,叶轮径向力的不平衡性加剧,叶轮所受转矩减小.数值计算结果与试验结果在趋势上趋于一致.     

离心泵间隙对压力脉动及径向力的影响

针对采用超厚叶片的离心式无过载潜水排污泵非定常流动所引起的蜗壳流道内的压力脉动及壁面受到的径向力的问题,基于标准k-ε湍流模型和SIMPLE算法,研究了间隙对压力脉动及径向力的影响.设计了基圆直径D3分别为390,435,460 mm的3种计算模型,通过对3种模型进行非定常计算,得到由于间隙的变化导致的隔舌处压力脉动的特性及蜗壳壁面所受径向力的变化规律.计算结果表明：由于叶片和隔舌的动静干涉作用,蜗壳流道内各监测点的压力脉动及壁面所受径向力的变化具有明显的周期性;蜗壳内各监测点压力脉动的主频均为叶片通过频率;在相同流量下,间隙越小,压力脉动越剧烈,主频处的脉动幅值越大;同一计算模型,随着流量的增大,在一个旋转周期内蜗壳壁面所受到径向力的平均值先减小后增大;与原始方案相比,在相同流量下,间隙增大或减小,径向力的平均值均会增大.     

导叶时序位置对离心泵叶片载荷影响的数值模拟

采用结构化网格及SST湍流模型,对不同导叶时序位置下离心泵内部流场进行三维非定常数值模拟,并对模拟结果进行试验验证,研究时序效应对叶轮叶片和导叶叶片载荷的影响.结果表明:当隔舌大约处在2个导叶中间(cl0,cl5位置)时,蜗壳不对称作用对叶轮内部流场影响降低,叶轮叶片压力面载荷增大,叶轮做功能力较好; 当叶片逐渐靠近蜗壳隔舌时,蜗壳不对称作用对叶轮内部流场影响增大,叶片出口吸力面大于压力面载荷的位置逐渐向叶片中段偏移,导致叶轮做功能力逐渐降低; 导叶叶片载荷分布受导叶与隔舌相对位置的影响较为明显.当导叶叶片尾缘靠近蜗壳隔舌时,导叶叶片载荷出现吸力面大于压力面的情况.     

气动力对车辆稳态转向特性的影响分析

根据简化的三自由度车辆模型，建立了车辆稳态转向特性的评价指标（稳态横摆角速度增益、侧向速度增益和侧倾角增益）与气动力的关系。分析了侧向气动力、侧倾气动力矩和横摆气动力矩对车辆操纵稳定性的影响。为改善车辆高速行驶稳定性提供了理论依据。     

蜗壳隔舌半径对离心泵性能及水力载荷特性的影响

为研究蜗壳隔舌半径对离心泵性能及水力载荷特性的影响,针对同一叶轮匹配5种不同隔舌半径的离心泵进行非定常数值计算.通过计算获得了不同泵的水力性能、压力脉动特征、叶片载荷及叶轮上的径向力分布,并且与试验结果进行对比分析,验证了采用的数值计算方法具有较高的正确性.研究结果表明:隔舌半径对扬程的影响较小,随隔舌半径的增大,各工况下效率呈先增大后减小的趋势;当隔舌与基圆半径之比TR取值为0.09~0.24时,叶片工作面与背面的载荷差值有最小值,即此时叶片受力沿进口至出口的变化最小;随着隔舌半径的增大,泵内的压力脉动水平逐渐降低,TR=0.03时,叶频处的压力脉动幅值约为TR=0.3时的2倍;隔舌半径对叶轮径向力的大小影响显著,在设计工况下,径向力随隔舌半径的增大而增大,且TR=0.3时的径向力约为TR=0.03时的2.5倍.     

离心泵内部非定常水力激励特性

以单级蜗壳式离心泵作为研究对象,基于RANS法对离心泵内部流场结构进行了三维非定常数值模拟,探讨其内部的非定常流动特征所诱发的压力脉动特性及水力激励力特性,并在叶轮旋转周期过程中重点针对叶轮及其单个叶片的受力情况进行相关分析.结果表明:不同工况下各监测点压力脉动幅值的变化规律具有一致性,静压沿蜗壳周向分布不均匀;在压力脉动频谱图及叶轮径向力频谱图中叶频均占主导地位,而单个叶片激励力则体现为轴频;单个叶片所受径向力大小随流量的增加而增大,小流量工况下单个叶片的受力不均匀性明显,而接近额定工况时各叶片受力较均匀,且相差不大;通过对单个叶片非定常激励力特性的分析可知,小流量工况下由于隔舌附近叶片出口流动分离使得叶片受力变化明显,受射流尾迹影响更为突出.     

喷口形状对喷水推进器性能的影响

为探究不同喷口形状的喷水推进器推进性能,以一台轴流式喷水推进器为研究对象,应用计算流体力学的方法针对3种不同形状(平面形、凸面形和凹面形)喷口的喷水推进器进行定常数值模拟,对比分析额定转速与高转速时其不同形状喷口内部流动特征和喷水推进器推力性能,从而寻找最优推力性能的喷口形状.计算结果表明:叶轮转速在不断变化时,平面形喷口的推力性能始终大于另外2种形状喷口的喷水推进器性能;在高于额定转速时,空化发生会影响叶轮做功能力,从而降低喷水推进器推力性能;在额定转速时,平面形和凹面形喷口推力性能较好,但平面形喷口最高轴向速度分布较多;高转速时,平面形喷口受空化影响最小,能够持续提供稳定的动力.研究结果揭示了不同喷口形状对不同转速下喷水推进器的适用性以及喷水推进效能,可为喷水推进器性能优化及设计提供一定的理论依据.     

筒阀动水关闭过程中下边缘形状对流场的影响

为研究筒阀下边缘形状对动水关闭过程周边流场的影响,选用RNG k-ε湍流模型,运用动网格和滑移网格技术,利用Fluent仿真软件对2种不同下边缘形状筒阀的动水关闭过程进行三维非定常流动数值模拟.通过对不同关闭行程的筒阀周边压力场和速度场,以及筒阀内外表面和下端面压力分布的对比分析可知,小倾斜度下边缘形状的筒阀不易产生汽蚀,倾覆力矩较小,下端面所受下拉力较小,且节流处速度分布均匀、过渡平滑,水力损失小.与小倾斜度下边缘形状的筒阀相比,弧形下边缘形状筒阀的倾覆力和下拉力具有较小的波动性,在筒阀下端面入流处压力扰动小,筒阀关闭行程中其下端面压力变化幅度小,能有效防止发卡现象发生.该研究对于筒阀下边缘形状的设计和优化以及提高水轮机筒阀运行稳定性具有一定的参考价值.     

振荡流态下孔板流量计的瞬时压力-流量特性分析

为了研究孔板流量计在动态非稳定流态或振荡流态下的瞬时压力-流量特性,理论分析了孔板前后的旋涡域大小随流速变化是引起孔板进出口瞬时流量差的主要原因.借助CFD数值解析方法,建立孔板模型,并在模型入口加载某一频率下的正弦流速,对孔板流量计在振荡流态下的瞬时压力-流量特性进行分析.结果表明:当孔板流量计处于低频振荡流动状态时,孔板两端差压也处于周期振荡状态,差压与节流孔瞬时流量同频不同相,差压幅值随入口流速振幅增大而线性增大,且线性增长系数与振荡频率相关;孔板的入口与出口存在周期波动的瞬时流量差,振荡频率越大或入口流速峰值越小,瞬时流量差的波动越小.由于相位滞后和瞬时流量差的存在,使孔板流量计的测量流量与实际出口流量之间存在偏差.振荡频率越大,偏差也越大.     

双吸离心泵叶轮内泥沙磨损非定常特性研究

双吸离心泵广泛应用于黄河沿岸的泵站中,其主要部件叶轮普遍存在磨损问题。叶轮是高速旋转的部件,存在动静干涉作用,导致叶轮内的磨损特性是非定常的。采用欧拉-欧拉方法对双吸离心泵进行固液两相流非定常计算,分析了不同工况下,叶轮壁面上的磨损率、冲击角、固相体积分数和速度的非定常特性。结果表明,叶轮表面磨损率、冲击角、固相体积分数和速度均具有周期性,等于叶轮旋转周期;定常计算的磨损率远小于非定常结果,定常计算不能准确预测磨损率。磨损最大部位为叶片头部和尾部。冲击角对磨损损失具有增强或减弱的作用,冲击角脉动曲线与磨损率脉动曲线相似。固相体积分数对磨损脉动特性影响较小,对磨损率有所影响。固相速度对磨损率影响显著。     

密封唇部微观纹理方向对油封密封性能的影响

基于旋转轴密封的泵送机理,综合考虑密封唇表面三角形纹理方向的影响,建立了油封密封区域的数值计算模型,模型耦合了关于温度求解的能量守恒方程.通过迭代求解数值方程,得到唇表面三角形纹理不同方向(以三角形的重心为旋转中心,分别向右旋转0°,45°,90°,135°,180°,225°,270°,315°)时油封的泵汲率、油膜厚度、摩擦扭矩、唇口密封压力、唇口平均温度、唇口最高温度等密封性能参数,结果表明:所研究的三角形纹理的8个方向,泵汲率随方向的变化最显著,变化差值为0.783 6 mL/h,而其余密封性能参数变化值相比较小,表面纹理设计时应优先考虑三角形纹理方向对泵汲率的影响;综合考虑各项密封性能参数,三角形纹理方向为135°时油封的泵汲率、摩擦扭矩、唇口平均温度、唇口最高温度均较优,在8组不同纹理方向油封中密封性能最优.