混流式水轮机蜗壳·导叶及转轮内部水流的二维与三维数值模拟比较分析

基于N-S方程和标准k-ε紊流模型,采用CFD计算流体力学软件对HLA616-WJ-55混流式水轮机原型机的蜗壳、导叶及转轮内部水流进行二维定常数值模拟,并与同型式水轮机的蜗壳、导叶及转轮内部流动三维数值模拟结果进行比较分析。结果表明,二维与三维蜗壳内部流动的规律基本一致,压力分布和速度分布比较均匀,流动状况较为理想。二维CFD分析能较全面地预测水轮机蜗壳、导叶及转轮内部流场的结构,数值模拟结果对水轮机选型和优化设计均具有重要的指导意义。     

CFD在水力机械湍流分析与性能预测中的应用

为了研究水力机械运行特性，将最新发展的计算流体动力学（CFD）理论与方法应用于水力机械湍流分析，给出了水力机械湍流流动控制方程，分析了求解湍流流动的Reynolds时均法和大涡模拟法的适用性，建立了通过湍流流场分布预估水力机械能量特性和空化特性的数学模型。通过基于k-ε双方程湍流模型的轴流泵全流道三维定常湍流计算，获得了与实际情况相符的流动细节。根据计算结果对轴流泵的能量、空化性能所做的预估．与试验结果基本一致。CFD理论和方法为探寻水力机械流场流动特性与结构动力特性间的复杂关系提供了一种新手段，为研究和开发高性能、大流量、高水头的水轮机和水泵提供理论和实际应用参考。     

含沙河流中轴流式转轮优化设计

从流体动力学出发，研究了水轮机过流部件中的沙水运动、包括泥沙磨损机理、流动特性等。分析和掌握它们间的关系，根据这些特征参数间的关系，利用多目标函数最优化理论，建立含沙河流中水轮机过流部件最佳耐磨损能力和最优效率优化设计的数学模型，提出求解此数学模型的数值计算方法。用奇点分布法进行翼型骨线积分计算（无限薄），综合考虑泥沙磨损的影响，在所得翼型骨线上进行加厚得以翼型。本文论述的方法和计算公式正确有效，不仅适用于传统人工设计含沙水中转轮计算，更适用于设计含沙河中转轮的计算机计算。     

基于内特性法的水轮机完整综合特性曲线

为解决目前水轮机过渡过程计算中确定水轮机边界条件时通常使用的外特性法和内特性法的不足之处,结合这2种方法的优点,提出一种在水轮机过渡过程计算中处理水轮机边界条件的方法,即根据综合特性曲线的数据,利用统计分析方法和水轮机基本理论公式,计算水轮机基于内特性解析方程的基本参数,如出流角α、转轮出口安放角β、转轮出口相对宽度b2、导叶相对高度b0、转轮出口相对半径r2,在特性曲线上的规律。将求得的结果用于我国某电站机组甩负荷过渡过程的计算,得出了变量随时间的变化规律,计算结果与实际情况相符合。这种外特性法和内特性法相结合的方法,弥补了单独采用内特性法或外特性法计算特性曲线存在的问题,而且对小开度区特性曲线的研究具有一定的参考价值。     

3D欧拉法和层流模型对水轮机转轮内部流场的数值模拟

3D欧拉法和层流解法都具有控制方程个数少，计算简单、省时的特点，均能够快速地在最优工况点附近得到合理的数值解。可以用于转轮叶片的初步的水力计算和其他湍流模型计算结果的校核。分别应用这2种算法对一混流式水轮机转轮内部流体的三维流动进行了数值模拟，方程离散采用有限体积法，插值采用二阶迎风格式，压力-速度耦合采用SIMPLEC算法，计算了3个典型工况(最优工况、大流量工况和小流量工况)，得到了转轮内部合理的速度分布和压力分布。最优工况点的效率计算值比试验值高3．09个百分点，计算所需时间比标准κ-ε湍流模型少30％～40％。     

混流式水轮机导叶绕流的三维湍流数值模拟

在现有水轮机引水元件（包括导叶）内部流场数值计算方法和设计理论的基础上，基于Navier-Stokes方程和标准的κ-ε紊流模型，采用贴体坐标和交错网格系统，用SIMPLEC算法对一模型机的蜗壳、座环和导叶进行了联合计算。计算结果表明：混流式水轮机导叶叶间流道中的水流运动沿周向呈周期性变化．叶道中间水流速度较大，越靠近叶片速度越小；随着导叶开度的增大，水流切向速度减小，径向速度增大，导叶出口的水流角增大；导叶出口水流速度及环量分布不均匀，与工况变化有关，进行转轮及全流道三维湍流计算时应考虑这一因素；叶型表面水流速度和压力分布随导叶开度变化的规律比较复杂。     

任意二元厚翼栅正命题的奇点解法

建立了一种二元任意直列与圆列厚翼栅正命题的奇点解法，假定通过翼栅的流动为不可压缩，无粘的有势流动，点涡元分布在翼型的围线上，这种方法可成为轴流与混流叶片式水力机械中三元流动分析的基础，实用结果表明该方法比传统方法更为完善和合理。     

旋转栅对脱油型旋流器流场影响的数值分析

根据计算流体力学方法,利用雷诺应力湍流模型和多相流模型中的混合物模型,对采用叶片式、螺旋式和通式3种不同旋转栅的脱油型动态旋流器流场分别进行数值模拟,以揭示旋转栅流道结构对动态旋流器流场的影响。结果表明:旋转栅结构形式对动态旋流器内湍流强度和湍流耗散的影响非常大;螺旋式旋转栅可以降低动态旋流器内旋转栅附近的湍流强度,但对旋流器内整个流场湍流的改善并不明显;与叶片式和螺旋式旋转栅相比,通式旋转栅所产生的切向速度和轴向速度较大,具有更强的分离能力和更宽的高效分离域。     

轴流泵水力模型CAD/CAM

以ＦＯＲＴＲＡＮ语言和ＡｕｔｏＣＡＤ图形软件作为ＣＡＤ系统的支撑环境,叶轮优化设计采用简化三元流动模型,环量沿径向分布可任意控制,优化参数可根据需要选取,叶片造型采用平面叶栅法。模型试验表明,设计点准确、设计质量高。并且在国内首次利用数控加工中心实现了泵转轮叶片ＣＡＭ。     

混流式水轮机转轮X型叶片的水力特性

X型叶片作为国外先进水轮机设备的关键部件,对其结构和水力特性的研究是很有必要的。在反复设计和计算的基础上,摸索和总结出一些X型叶片的结构特点和水力特性。分析表明,X型叶片的主要结构特点为：叶片进口均有“负倾角”,靠近上冠处翼形为负曲率。同时,为适应能量转换和出口条件的要求,叶片出水边不在轴面上,而成一空间曲线。由于X型叶片的以上特点,使叶片间流道内液体的流动趋于顺场均匀,消除了常规叶片正面常见的“横流”现象,减轻了叶片近下环处的负荷集中,在提高水轮机的运行效率、增加过流量和改善转轮空化性能,及转轮受力状况等方面都有较大潜力。     

长江三峡库区优先流模型修正及验证

为模拟长江三峡库区优先流运动,以Macro模型为基础模型,依据长江三峡花岗岩区试验地特征及观测数据,对模型驱动变量、土壤物理特性参数进行了适当修正,得到了试验地区优先流运动模型。应用EF统计方法对实测结果和模拟结果进行了检验,检验结果表明不同层次土壤中优先流流量的EF统计值均大于0.89,说明所建立的优先流模拟模型能够较好地模拟优先流过程。     

三峡紫皮大蒜和百合大蒜染色体核型比较分析

采用染色体常规制片方法,对三峡紫皮大蒜和百合大蒜进行染色体核型比较分析。结果表明,三峡紫皮大蒜染色体数目为2n=2x=16,染色体基数x=8,染色体核型公式为K(2n)=16=12m+4sm,主要由中部和近中部着丝点染色体组成,染色体相对长度组成为2n=16=2L+6M2+6M1+2S,属于"2A"型,核型不对称性为60.04%;百合大蒜的染色体数目为2n=2x=16,染色体基数x=8,染色体核型公式K(2n)=16=14m+2sm,主要由中部和近中部着丝点染色体组成;染色体的相对长度组成为2n=2L+6M1+6M2+2S,属于"2B"型。核型不对称性为60.88%。通过这2种植物核型分析比较,表明三峡紫皮大蒜和百合大蒜在进化中属于比较原始的物种,百合大蒜的进化程度稍高于三峡紫皮大蒜,两者核型相似表明亲缘关系比较近,可能两者基因交流比较频繁。     

双涡轮液力变矩器的涡轮流场数值分析

采用流体分析软件Fluent对D315型双涡轮液力变矩器的内部流场进行了数值计算，并基于计算结果，对不同工况下第一涡轮和第二涡轮的内部流动状况进行了流场分析，揭示出了流动规律．     

波涌灌田面行水流动的数值模拟及其灌水技术

根据连续方程,零惯性的动量方程以及最佳灌水状态概念,建立了描述波涌灌田面行水流动的零惯性模型,用Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈａｏｎ和Ｐｒｅｉｓｓｍａｎ法对模型求解实现了波涌灌田面行水流动的模拟,探讨了波涌灌田间入渗和行水机理。用计算机模拟试验的方法,研究了波涌灌灌水技术参数对灌溉系统性能的影响,提出了确定波涌灌灌水技术参数的原则和方法以及连续地面灌灌水技术的改进方案。模拟结果得到商丘田间试验的验证。     

三峡库区森林小流域森林理水调洪功能模拟研究

为给三峡库区理水调洪型植被建设提供方法和依据,该文以四面山响水溪森林小流域为研究对象,采用美国地质调查局（USGS）主持开发的MMS（模块化模型系统）,构建适合于三峡库区的分布式暴雨水文模型PRMS_Storm,模拟暴雨产流过程.结果表明:① PRMS_Storm用来模拟响水溪森林流域暴雨产流过程满足国家乙级洪水预报标准,可用来发布洪水预报;②综合不同森林群落水文功能评价结果,提出流域3种森林群落配置情景:针阔混交林型(情景1)、阔叶混交林型(情景 2)、综合配置型（针阔混交林、常绿阔叶林和灌木林）(情景 3);③对各森林群落配置情景的模拟表明,各配置情景都可使地表径流减少20%以上,壤中流增加16%以上;与流域植被现状相比,各配置情景,分别可削减洪峰20.8%、9.6%和18.9%;最大降雨峰值0.8 mm/min的降雨过程削减洪峰的作用非常明显,尤其对短历时降雨洪峰的削减作用更明显;针阔混交林型理水调洪作用最优,是最优的理水调洪配置情景,其次是综合配置型,阔叶混交林型较差.但是,从所研究的响水溪流域实际情况出发,综合配置更符合实际,是最佳理水调洪型群落配置.      

导叶对双流道水力透平机性能的影响

参考低比转速混流式水轮机的叶片设计原理与双吸泵的结构型式,设计出一种卧式双流道混流式水力透平机,对导水部件采用4种不同翼型导叶的方案进行了探讨,从定性和定量2个方面评价了各方案水力透平机性能的好坏.结果表明:利用传统的头部较厚的导叶不利于水流绕流,在引、导水部件处能量损失严重,而添加头部修型的负曲率导叶的水力透平机效率最优,且转轮叶片面上的流场分布非常理想,确定其为该设计要求下水力透平机的导叶叶型,为将来水力透平机的结构优化和性能预测提供了理论依据.     

面向网衣清洗的内壁-中心体空化喷嘴数值模拟

为提高空化水射流清洗网衣表面的能力,设计了一种内壁-中心体空化喷嘴。采用空化喷嘴空化流CFD数值方法,对比分析仿真与理论解,验证了基于两方程湍流模型的二维轴对称空化流数值模型的可靠性。开展了淹没水射流环境下的内壁-中心体空化喷嘴空化流数值计算,获取了内壁空化器与中心体对喷嘴空化效果的影响,并计算讨论了水深对空化效果的影响。结果表明：水射流通过喷嘴喉部时,分别在内壁空化器及中心体表面产生空泡;中心体空化效果较内壁空化器更好,但对射流阻塞作用更强;内壁空化器会提高喷嘴喉部压强,进一步提高中心体空化效果;内壁空化器与中心体均可降低喷嘴空化效果对水深的敏感度;本研究可为养殖网箱网衣清洗喷嘴设计提供空化流动力学机理研究基础,并提供了低成本、高效率的设计方法。     

三峡库区长江干流和支流富营养化研究

长江上游重庆段人口密集,由于历史的原因,环境方面基础设施落后,大量未经处理的工业废水、城市生活污水、船舶污染物和大面积的农田地表径流汇入长江及次级河流。特别是三峡大坝建成蓄水之后,主河道和支流水体流动明显变缓,加之长距离回水,部分次级河流自2003年起明显富营养化,并有逐渐加重的趋势。本文综合了2002～2009年对长江三峡水库入库河流营养状态的研究,得出了次级河流水体综合营养状态的评价,并结合三峡库区现有污水和垃圾处理设施处理能力与实际排放量的分析,对于库区支流富营养化趋势进行预测。最后,通过总结国内外已提出的许多行之有效的富营养化防治措施,对三峡库区的富营养化防治提出一些建议。     

三峡水库夏季次级河流库湾营养状态及营养盐输出

2003年6月三峡水库成库后,由于水体流速减缓,部分次级河流库湾发生了不同程度的富营养化现象。2004年7月,对受三峡水库蓄水影响的12条次级河流库湾夏季水体营养化程度进行了调查。结果表明:pH值7.17~8.89;DO含量2.20~10.10 mg/L;透明度0.1~1.0 m;CODMn1.60~9.79 mg/L;TN0.72~5.27 mg/L;TP0.013~0.369 mg/L;叶绿素a 1.54~20.00 mg/m3。三峡水库次级河流库湾水体夏季营养程度较高,根据综合营养状态指数法评价的结果表明,各条次级河流的综合营养状态指数39.2~69.2,其中8条河流达富营养化水平,4条河中营养,无贫营养。12条次级河流CODMn、TN、TP输出负荷总量分别为:1773.6、1153.1和61.25 g/s。随着三峡水库蓄水水位的提高,受蓄水影响的次级河流增多,库湾的长度及面积加大,三峡库区次级河流库湾水体富营养化现象可能会更加严重。