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.     

基于重叠网格的水轮机导叶尾流水动力特性数值研究

为研究水轮机导叶运动对水轮机暂态过程中叶栅流场的流固耦合动态特性影响,基于二维时均瞬态N-S方程和标准k-ε湍流模型,分别应用ANSYS FLUENT软件中的重叠网格方法和动网格方法,对高雷诺数下槽道内水轮机单个导叶在均匀来流条件下模拟水流绕流翼型叶片的导叶匀速关闭运动过程.结果表明:2种方法得到的关闭过程中叶后不均匀流场动态水力特性呈现出强非线性,导叶的升力系数、阻力系数随时间的变化规律较为吻合,槽道内各典型时刻的流场压力、尾涡结构、湍流强度分布特征也基本一致.但重叠网格方法的网格数量约为动网格方法的1/3,计算耗时约为动网格方法的1/4,说明重叠网格方法在计算效率方面具有比动网格方法更好的优越性.研究表明2种方法都可较好地模拟导叶动态绕流问题,但对某些复杂非线性动边界流固耦合问题进行非定常流模拟时可以优先选择重叠网格方法,2种方法都具有较高工程应用价值.     

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。     

混流式水轮机固定部件动力特性分

提出了一种混流式水轮机固定部件动力分析附加质量的计算方法,通过引入质量单元将附加质量添加到固定部件结构的有限元控制方程,使用附加质量模型简化计算部件结构的流固耦合效应。与基于压力－位移格式的计算模型相比较,基于本文附加质量的模拟方法是可行的。     

间距比对圆柱系统从水流中获取能量的影响

对均匀来流下由5个圆柱交错布置且两端刚性连接的圆柱系统的涡激振动进行了模拟,采用流固双向耦合数值方法,通过流固耦合求解器同时耦合求解流体模型和结构模型.对流速分别为0.5,0.6和0.7 m/s下,进行不同横向和流向间距比的计算,以分析间距比对由圆柱系统利用涡激振动从低速水流中获取能量及能量密度的影响.计算结果表明:在小间距比下,圆柱后无明显的涡脱落,圆柱系统振幅响应很小;但当间距比较大时,各圆柱后出现频率一致的泻涡,圆柱系统获得较大的振幅响应.获取能量随组合间距比的增大先增长较快,但当流向间距比L/D≥6,横向间距比H/D≥4时,获取能量值趋于稳定;当L/D=6,H/D=4时,能量密度在3个流速下都出现了最大值.因此选择L/D=6,H/D=4为合理的组合间距比,此时圆柱系统可从水流中充分获取能量.文中结论可作为流体机械振动系统的设计参考.     

长距离输水系统停泵水锤的数值模拟

运用瞬态水力学理论和特征线方法，结合某实际工程，对联合采用空气阀、泄压阀和二阶段缓闭蝶阀进行水锤防护的长距离有压输水管道系统的事故停泵水力过渡过程进行了计算和分析，得到管线沿程的水锤压力包络线和空化体积曲线，以及典型断面的压力时程线。计算结果表明，采用两阶段缓闭蝶阀、泄压阀和空气阀进行水锤安全防护是十分必要的，有利于抑制正水锤压力的继续升高和阻止负水锤压力的持续降低，防止断流弥合水锤的发生。但从计算结果看，管内仍存在局部空化现象，需要进一步优化空气阀的布置。     

约束方式对蜗壳初始保压缝隙形成机理的影响分析

准确掌握初始保压缝隙的开度值和形成机理,是保压蜗壳结构研究的基础和重点之一。而初始保压缝隙主要随保压水头和边界条件的不同而改变,因此充压浇筑阶段钢蜗壳的约束方式是必须考虑的重要因素。该研究从保压结构施工工艺出发,基于充水保压蜗壳全仿真算法,构造出施工阶段的初始保压缝隙,探讨了不同支承形式(连续式和离散式)和支墩与钢衬之间的接触滑移对初始缝隙形成机理的影响。结果表明,初始保压缝隙具有非均匀和局部非张开特性,其中蜗壳腰部附近缝隙开度最大,其次是蜗壳顶部,底部最小。支承形式和接触滑移对缝隙的构成存在较大影响,虽然规律基本一致,但数值上差别较大。是否考虑接触对蜗壳腰部的缝隙开度影响最大,尤其在蜗壳的进口段,最大相差达1.8倍,主要是由于滑移增强了蜗壳水平方向的扭转变形,导致侧向位移增大。通过与原型监测结果对比验证了算法的准确性,同时也说明考虑支墩与钢衬之间的接触更加接近真实情况。     

混流式水轮机全流道三维非定常湍

基于大涡模拟动态亚格子湍流模型和三维时均N-S方程，应用非结构网格的滑移网格技术，进行了混流式水轮机全流道动静干扰的三维非定常湍流计算。捕捉到了水轮机各过流部件内的流场随时间的变化情况。计算结果表明水轮机中的水流处于复杂的湍流运动状态，随着时间的推移，水轮机内部湍流运动变化剧烈，得到的计算结果更接近实际流场的分布。     

基于反馈力浸入边界法的水轮机双列叶栅动态绕流特性

为了解决柔性结构体或刚性结构体与黏性流体相互作用产生的影响,采用网格生成简单,计算效率较高,适用于复杂结构外形浸入边界法进行处理,避免了贴体动网格生成的困难,相比传统的浸入边界法主要适用于柔性体,对于刚性边界问题Lai和Peskin使用反馈力近似处理.文中基于此方法对水轮机双列叶栅动态绕流特性进行数值模拟.在整个流场中使用笛卡儿自适应加密网格,利用有限差分法进行离散求解.通过数值计算,得到水轮机双列叶栅的流场分布特性以及导叶尾迹区内各流向断面压力、速度以及涡量分布的不均匀度指标.计算成果为进一步研究导叶动态绕流形成的不均匀流场对水轮机叶片流激振动的影响提供参考.     

导轴承刚度对水轮机轴系自振特性的影响

为研究水轮发电机组轴系横向自振特性,采用有限元方法对轴系进行离散,利用能量法获得运动方程,根据简化的实际机组轴系参数,采用Matlab软件计算机组轴系各阶的固有频率、主振型以及临界转速,分析导轴承刚度系数的变化对机组轴系临界转速和主振型的影响．计算结果表明:当仅改变其中1个导轴承刚度时,上导轴承对机组临界转速几乎没有影响,下导和水导轴承对临界转速的影响较大．当导轴承刚度达到一定值时,临界转速不再随其增大而增大,出现“饱和”现象;而同时增加3个导轴承的刚度,机组轴系的临界转速有较大的增大．上导轴承的改变对前三阶振型几乎没有影响,下导和水导轴承的改变会导致某一阶的振型与原振型相反．工程中估算机组临界转速时需充分考虑导轴承刚度对机组的影响．