壁面粗糙度突增对明渠紊流边界层影响的数值模拟研究

壁面粗糙度突变问题是明渠紊流研究中的一项重要内容。文中利用计算流体力学软件FLUENT对粗糙度突增的明渠紊流边界层进行数值模拟,分析了壁面从光滑到粗糙突变过程中对突变点下游流动特性产生的影响,包括断面主流速分布、紊流强度分布以及壁面切应力和摩阻流速的变化。模拟计算中采用交错网格的有限体积法离散控制方程,并应用标准的k-ε紊流模型来封闭方程组。将模拟结果与实验结果进行对比,两者吻合较好,从而验证了数值模拟方法的可行性与可靠性。     

微尺度内流流场数值模拟方法及实验

以Micro-PIV实验测量的微尺度流场为基础,利用Fluent数值计算软件设计最佳微尺度流动数值模拟方案.针对微尺度特性,采用设定壁面粗糙度和多孔介质模拟粗糙元的微尺度效应处理方法,利用Fluent软件提供的realizable k-ε模型和标准k-ω模型,分别在Reynolds数为100和300情况下对边长600μm的矩形断面的微通道内流场水流流动进行数值模拟,通过各种数值模拟方案下计算出的速度场与Micro-PIV实验结果的对比,得出以多孔介质模拟壁面粗糙元、配合realizable k-ε模型进行数值计算的方案是微尺度流场CFD的最佳方案.     

泵站出水流道的数模分析

将CFD技术应用于泵站山水流道的分析与设计，基于Navier—Stokes方程和标准k-ε紊流模型．求解泵站出水流道内湍流流场，数值模拟的结果对泵站出水流道水力优化设计具有指导意义。     

基于灌水器流量的湍流模型适应性研究

采用通用流体模拟软件FLUENT所提供的5种不同的湍流模型:标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Real-izable k-ε模型、标准k-ω模型、SST k-ω模型,对滴灌灌水器微流道内流场水流流动进行了数值模拟.通过对比模拟得出的宏观参量-灌水器的流量与实验室试验的结果,评价了这些不同的湍流模型对不同类型灌水器内流场流量模拟效果的影响,为灌水器内流场的理论分析以及灌水器流道结构的工程设计提供了一定的参考依据.     

大型泵站肘形弯管进水流道数值优化研究

针对江都三站运行存在的主要问题，采用了直接求解基于时间平均的N－S方程雷诺和k-ε紊流模型方程组的方法，通过数值模拟预测肘形弯管进水流道内部流动，优选了肘形弯管的改造方案，改善了流速分布，使得该泵站装置具有了较高的性能。     

不同湍流模型下水轮机蜗壳CFD仿真精度的分析

为分析不同湍流模型下,水轮机蜗壳流场数值仿真精度的高低,对美国Applegate电站的混流式水轮机金属蜗壳展开了研究。在网格划分、壁面函数选择等相同设置条件下,分别选择标准k-ε、RNGk-ε以及Realizable k-ε湍流模型,进行流场分析和试验。对比仿真和试验数据可知,RNGk-ε湍流模型下,蜗壳的水力性能最好、计算精度最高。为水轮机流道CFD数值模拟中,湍流模型的合理确定,提供了参考依据。     

黄河上游大柳树-沙坡头河段河床变形数值模拟

对黄河宁夏境内具有连续弯道的大柳树一沙坡头河段的泥沙运移及河床变形等进行了平面二维数值模拟研究．建立了修正的平面二维RNGκ-ε紊流泥沙数学模型,其中水流模块采用修正的RNGκ-ε紊流模型,泥沙模块采用全沙模型,考虑了不同粒径组悬移质和推移质运移对河床变形的影响。数值模拟结果与实测结果比较吻合。表明该模型可以用于模拟具有连续弯道的多沙河流泥沙运移及河床演变过程;在4种典型工况下分别进行了数值模拟,研究了不同水沙条件对水沙运移及河床变形的影响;吸取了关于泥沙数学模型中水流模块和泥沙模块的耦合式算法和分离式算法的优点,建立了一种半耦合算法,其计算量比耦合式算法大大减小,计算精度上比分离式算法要高。     

基于VOF法的坡面薄层流水力特性数值模拟

应用Fluent计算软件,采用VOF方法对坡面薄层流进行自由表面追踪,结合标准k-ε紊流模型模拟了不同粗糙度床面条件下流速、雷诺数、弗汝德数以及阻力系数的沿程变化,并验证了数值模拟方法的正确性。结果表明,数值模拟方法具有可行性,坡面薄层水流表面张力作用不可忽略。     

灌溉管网中变径管水力特征的试验研究与数值模拟

运用RNGk-ε紊流模型,对不同流速条件下管道中流体的流动进行了数值模拟。给出了6种常见PVC变径管件的模拟计算结果,并选取其中4组进行试验验证。对变径管件的局部能量损失机理进行了探讨,分析了灌溉管网中变径段独特的水流特性及能量耗散机理。结果表明,模拟结果与试验结果基本吻合,得到了局部阻力系数与变径管上下游管径比的拟合关系式。     

多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟

利用多孔介质模拟微通道壁面粗糙元,建立了一种新的微尺度化流场的数值模拟方法.多孔介质模型厚度由微通道壁面相对粗糙度折算,多孔介质的阻力系数由该区域内的流态及阻力计算;配合采用k-ε和k-ω多种形式的湍流模型,对边长为600μm的方形断面微通道流场在雷诺数分别为100和300的情况下进行了数值模拟计算.通过模拟结果与Micro-PIV测量数据的对比分析发现,采用realizablek-ε湍流模型,搭配多孔介质微尺度化模型进行数值计算,能够有效地模拟微尺度流场的流动状况,而标准k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型的微尺度模拟计算结果虽接近试验测量值,但仍有偏差;标准k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型的微尺度模拟效果较差.     

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.     

湍流模型对离心泵扬程预测准确性的影响

为研究涡黏性类湍流模型和雷诺应力类湍流模型在离心泵扬程预测中的准确性,采用CFX 14.0软件分别对10台不同比转数n_s的离心泵在3个不同流量(0.3Q,1.0Q,1.2Q)下的扬程进行预测,并将模拟值与试验值进行对比.研究结果表明:在0.3Q流量下,低比转数离心泵采用雷诺应力类中的BSL-EARSM模型可以获得更为准确的扬程值;在1.0Q,1.2Q流量下,采用雷诺应力类模型中的BSL-RS模型相对于常用的RNG k-ω和k-ω模型具有更好的准确性.当采用涡黏性类模型对1.0Q流量下的扬程进行预测时,预测值均小于试验值.对于文中研究的比转数大于103的扬程预测,在3个流量下,模拟值均小于试验值.研究结果为离心泵扬程预测的数值模拟方案选择提高提供了参考.     

半开式旋涡泵空化分析及试验

半开式旋涡泵采用新型的半开式叶轮,为研究其空化特性,采用基于雷诺时均方程和RNGk-ε湍流模型的单相模型对其内部流场进行数值模拟,得到了叶片表面速度和压力的分布规律,半开式旋涡泵的叶片根部是发生空化的危险区域．在对空化监测方法进行总结分析的基础上,针对半开式旋涡泵的具体特点,选择能量和噪声结合的方法进行了试验研究,结果表明,半开式旋涡泵工作性能稳定,半开式叶轮改善了旋涡泵的空化性能．在同等条件下半开式旋涡泵比闭式旋涡泵的性能有较大改善,对深入研究半开式旋涡泵的理论计算和设计提供了依据．     

开缝叶片低比转数离心泵空化性能的数值模拟

为了进一步提高低比转数离心泵的空化性能,对离心泵叶轮叶片进口附近的开缝进行研究.考虑开缝的3个参数,设计6组水力模型探究开缝对低比转数离心泵性能的影响.针对离心泵运行过程中产生空化的流动特点,基于Rayleigh-Plesset方程来描述空泡成长和溃灭过程的空泡动力学模型,采用RNG k-ε模型对在相同工况下的离心泵中两相流动进行数值模拟与分析.模拟结果表明:在叶片进口处开缝可以提高泵空化性能,其中第二组模型的空化性能提升比较明显,空化余量由4.447 m下降到3.910 m,降低了12.1%,水力效率由71.56%上升至76.46%;在相同工况下,开缝叶轮流道内的能量分布更加均匀,而扬程在额定流量下只有很小的变化.该模拟结果对研究低比转数离心泵内部流动特性及性能的提升具有一定的参考价值.     

轴流泵内部流动数值模拟及PIV试验

为了研究轴流泵内部流动数值模拟中不同湍流模型的适用性,分别采用standard k-ε模型、RNG k-ε模型、SST k-ω模型以及大涡模拟(LES)方法,基于结构化网格与网格滑移技术,对叶轮直径为200 mm、名义比转数n_s为700的模型轴流泵进行了性能预测和全流场数值模拟;计算了水泵的扬程和效率,并与在水泵试验台上测试得到的外特性结果进行了对比和分析.结果表明,在最优工况附近,standard k-ε模型、RNG k-ε模型和SST k-ε模型都能较精确地预测轴流泵的外特性,基于RNG k-ε湍流模型的扬程和效率误差相对较小;在非设计工况下,不同湍流模型具有不同的特性.在0.8Q_opt,1.0Q_opt和1.2Q_opt工况下,针对叶轮与导叶间的轴向间隙处进行了PIV内部流场测试;将各个湍流模型下的数值模拟结果与PIV的测量结果进行比较,发现基于雷诺时均方程的3种湍流模型的内流场流线与PIV的测量结果进行比较,发现基于雷诺时均方程的3种湍流模型的内流场流线与PIV的试验结果具有基本相同的趋势性,从而证明了数值模拟计算的可靠性和有效性;而采用LES计算得到的流场与PIV测量结果产生一定的偏差.同时,对轴流泵在不同流量工况下内流场的流动结构进行了分析.     

双腔室自激振荡脉冲喷嘴空化射流的数值模拟

为研究自激振荡脉冲喷嘴结构参数对内部空化射流流场的影响,以单腔室自激振荡脉冲喷嘴结构为基础,对采用前后串联方式建立的双腔室自激振荡脉冲喷嘴进行Fiuent数值模拟.选用RNG k-ε湍流模型,分析来流雷诺数、前后腔室腔长比、腔径比的改变对空化射流的影响,并以腔室内的液相体积分数及喷嘴出口处的流速作为流场变化的评价指标.数值研究结果表明:当双腔室内部来流雷诺数由2.98×10⁵变到4.31×10⁵时,喷嘴腔室内的空化程度先增大后减小,与之相对应的液相体积分数先减小后增大;前后腔室腔长比为0.67时,腔室内空化气囊形状规则同时具有对称分布的涡环结构,有利于脉冲空化射流的发生;当腔室腔径比为1.20时,腔室内涡环结构与空化气囊均具有一定的对称性,同样可促进脉冲空化射流的发生,同时在出口处速度分布均匀且流速较大.     

核主泵小流量工况下不稳定流动数值模拟

为研究小流量工况下核主泵驼峰现象,通过三维软件Pro/E对核主泵内部流道进行三维造型,基于雷诺时均N-S方程和k-ε湍流模型两方程及SIMPLEC算法,应用计算流体力学软件CFX对核主泵小流量工况进行了定常数值模拟和分析.结果表明：采用定常数值模拟,可以阐明小流量区域的不稳定驼峰现象.泵壳出口位于泵壳的中心,使得沿叶轮旋转方向的主流与出口处的液体发生摩擦和碰撞,造成能量损失,导致内部流场分布不均匀.核主泵对称性结构、叶轮叶片进口和出口复杂旋涡、导叶内复杂的回流以及泵的旋转失速与不稳定驼峰的形成都有密切的联系.核主泵在小流量下运行时,出现不稳定流动,严重时会引起泵的振动.     

轴流泵内部流场空化问题研究

本文利用Navier-Stokes方程、RNG 湍流模型和欧拉-欧拉均相流模型,对轴流泵偏大流量工况下的空化流动进行了数值模拟。通过对计算结果进行分析,阐述了轴流泵各段中空泡的主要来源,有效预测了发生空化、空蚀的主要部件和区域,并揭示了叶片背面压力带和空化带的关系。对比计算扬程和效率确定了空化的发展阶段,对于保障轴流泵稳定运行有一定指导意义。     

螺旋槽流道微泵的数值模拟方法分析

分别在无滑移边界条件和滑移边界条件下,采用不同的双方程湍流模型以及层流模型对微型泵内部流动进行数值模拟,研究适合微型泵的计算模型和边界条件．分别使用了3种湍流模型（标准k-ε,RNGk—ε,Realizable k-ε）和层流模型进行了数值模拟,通过对流场的速度分布和压力分布的分析发现：与无滑移壁面条件的模拟结果比较,滑移壁面条件时速度分布比较均匀,但两者压力分布趋势相同．在压力与流量间的性能曲线方面,计算结果和试验结果的比较表明,在无滑移壁面边界条件时,各种模型的计算结果与试验结果总体相差很大,同时,层流模型的计算结果较好;而在滑移壁面边界条件时,所有模型的计算结果与试验结果的误差都很小,同时,标准k—ε湍流模型和RNGk—ε湍流模型的计算结果总体要比使用层流模型稍好一些,并且当泵在高转速下趋势更明显．