坡面水力侵蚀比尺模拟试验设计与验证

 针对黄土高原坡面水力侵蚀调控实体模拟试验中存在验证不充分的问题,利用黄土高原小流域水力侵蚀调控实体模拟试验理论与技术,设计黄土坡面水力侵蚀比尺模拟试验,并对其进行验证。结果表明:在正态条件下,满足几何、降雨强度、入渗、径流运动、输沙、床面变形等相似条件下所建造的坡面模型;在试验条件下,虽然与模型原型流型有所偏离,但降雨、径流流态、平均流速、阻力系数、汇流过程、产沙、输沙及床面变形是基本相似的。表明该方法可以作为坡面治理水土流失、优化治理方案,寻求水土资源高效利用措施的工具。     

低比速多级潜水泵优化设计

按无过载设计要求,为大幅度提高效率,以QS10低比速潜水泵的优化为例,选择叶轮出口宽度、叶片进口冲角、叶轮叶片数、导叶进口安放角等10个参数为变化因素,按L27(310)正交试验方案设计了27组模型;研究了适合多级泵性能预测的方法;通过分析计算流体力学两级全流场数值模拟的结果,得到各几何参数对轴功率、效率指标影响的主次顺序:导叶叶片进口安放角β3对效率的影响最大,叶片出口安放角β2对轴功率的影响起主要作用;将正交分析所得到的最优方案制成样机进行性能测试,该优化模型泵额定点效率为58.61%(大于国家规定的效率值51%),最大轴功率值为3.83 kW(符合设计要求的4 kW),验证了正交设计结合数值模拟手段在泵优化设计方面的可行性。     

选沙对水力侵蚀比尺模拟试验侵蚀过程相似的影响

针对坡面水力侵蚀比尺模拟试验存在的选沙困难、侵蚀过程相似验证不充分的问题,在前人研究的基础上.就降雨条件下选沙对黄土坡面水力侵蚀比尺模拟试验侵蚀过程相似的影响进行了研究.结果表明,无论选用何种模型沙,当雨强比尺满足λi=λ1l/2,土壤含水量比尺满足λθ=1,径流过程都满足相似;依据悬浮相似选择的模型沙,需检验其是否满足起动相似,利用经检验不满足起动相似的模型沙进行的试验,侵蚀过程也不满足相似;利用依据起动相似选择的模型沙进行的试验,侵蚀过程满足相似要求.黄土坡面水力侵蚀比尺模拟试验宜选用依据起动相似为主的选沙方法选择模型沙.     

双向潜水贯流泵装置性能试验与数值分析

该文针对城市防洪排涝泵站的特点,研发了2套双向潜水贯流泵装置,并采用CFD(computational fluid dynamics)技术计算了双向潜水贯流泵装置的内流场,分析了灯泡体段对泵装置正反向运行的影响,包括灯泡体段的水力损失、导叶体内部的流态及"S"形叶轮的水力性能,并经试验验证分析了数值计算结果的有效性。计算结果表明,反向运行时导叶体内部流态较好,反向运行工况优于正向运行;正向运行工况流量为4和5m3/s时,导叶体内均出现涡旋;灯泡体支撑件对"S"形叶轮的水力性能影响极小,但对泵装置水力性能影响较大;正向工况时"S"形叶轮所受轴向力小于反向工况。通过泵装置模型性能试验比较了2套泵装置的综合水力特性指标,并给出了供参考的潜水贯流泵装置的结构尺寸,其中导叶体扩散角为3°,灯泡体长度为2.43D、灯泡体直径为0.46D、泵装置总长为13.45D(D为叶轮名义直径),灯泡体采用流线型尾部及5片支撑件。     

低比转速离心泵内部流场分析及试验

为了研究低比转速离心泵内部流动特性,对10种不同设计方案的低比转速离心泵进行了数值模拟和性能预测,讨论了叶轮和蜗壳的关键几何参数对内部流场和外特性的影响,分析了不同设计方案下泵内的静压、流线、速度和湍动能等分布,并针对复合式叶轮短叶片的分布位置和蜗壳喉部面积进行了对比试验。试验结果表明,该文优选的方案D,通过增加偏置短叶片后,扬程提高了5.5 m,效率提高了3.23%;增大蜗壳内部和喉部面积后,5种设计方案的额定点扬程均提高了约10 m,效率提高了约5%,且扩大了高效区范围。该研究将为低比转速离心泵的性能     

水力侵蚀调控物理模拟试验相似律的初步确定

针对目前水力侵蚀调控模拟试验相似律研究中存在的问题，利用流体动力学及相似论的基本原理，探讨了黄土高原小流域水力侵蚀特点，确定了水力侵蚀模拟相似遵循的基本相似准则和比尺关系。分析及验证结果表明，黄土高原小流域沟道暴雨侵蚀水力输沙运动多数情况仍可视为紊流运动，遵循紊动水流输沙方程；侵蚀模拟试验不但需要满足几何相似、同时必须满足运动相似和动力相似；小流域水力侵蚀模拟应满足的基本比尺关系为几何相似、降雨相似、水流运动相似，侵蚀产沙运动相似、床面变形相似及土壤水运动相似等。     

坡面水土流失比尺模型相似性的试验研究

通过不同比尺的系列模型试验,为坡面水土流失的比尺模型相似性研究,提供了原型和模型的降雨-产沙资料。试验结果表明,坡面产沙浓度随时间的变化有较强的紊动性,因此建议采用经验回归的方法率定降雨产沙的比尺关系;原型和模型的侵蚀产沙量都与雨强成幂函数相关,其雨强系数随模型几何比尺的增大而减小,而雨强指数的大小与坡面几何尺度的大小无关。     

输卤泵叶轮内部湍流流动的分析

混流式输卤泵内部伴有盐析的液固两相流动问题非常复杂,首先需要了解在清水状态下,其内部真实流动现象的物理本质。为此,该文基于Navier-Stokes方程和标准的κ-ε湍流模型,首次模拟了清水状态下输卤泵叶轮内部的三维湍流场,并运用实验手段对叶轮进出口流场进行了测量,给出速度和压力分布图。同时,结合数值计算与实验研究,对输卤泵叶轮进出口流场进行了初步的理论分析。实验结果表明,计算所采用的κ-ε模型的修正方法基本符合此型泵内部流动的实际情况;并认为叶轮进口处特殊的轴向速度分布,对叶片的改进设计值得注意。提出的结论、观点将为今后该型泵内部卤水流动研究提供依据。     

润滑油分离机内部流场数值模拟与分离效率分析

用数值方法研究碟式分离机内部流场是优化其设计的重要手段。针对润滑油碟式分离机,采用VOF多相流模型并结合RNG k-ε湍流模型和离散相模型对其内部油水固分离过程和分离效率进行了数值模拟。模拟结果表明,碟片间隙中流场基本为层流,在中性孔和碟片外缘为湍流区;入口速度对油水分离结果影响不大,而对固体颗粒的分离会产生较大的影响;固体颗粒计算分离效率和实测分离效率最大相对误差为1.5%,额定处理量为700 L/h时,入口速度为2.5 m/s,此时分离效率为97.2%,满足设计要求。研究结果表明,该文提出的三相流分析方法是可行的,对碟式分离机的结构优化设计具有重要的指导意义,同时也减少了所需的试验时间和费用。     

中国常用人工鱼礁流场效应的比较分析

不同结构的人工鱼礁在海中会产生不同的流场效应,为了对比分析不同结构人工鱼礁的流场效应差异,该文利用CFX软件,对6类礁型18种中国常用人工鱼礁进行了数值模拟。引入了2种相对评价方法(比礁高和比混凝土体积)和3个评价指标(礁体中垂面上的上升流面积、背涡流面积和上升流高度)。首先分析了评价指标适用的相对评价方法,然后对18种鱼礁进行比较研究,最后从每类礁型分别选出一个礁体为代表研究它们在不同流速下(0.2,0.4,0.6,0.8和1.0 m/s)上升流和背涡流的差异。结果表明:研究上升流和背涡流面积时比混凝土体积法更科学,研究上升流高度时比礁高法更有效;无论上升流还是背涡流,三角型礁的相对面积都为最大,复合型礁次之,框架性礁最小;上升流高度、上升流面积和背涡流面积都不随来流速度变化;最大上升流流速与来流速度呈线性关系,其斜率在不同礁体间存在差异;该研究以期为不同海域不同要求下人工鱼礁的选择和设计提供了参考。     

高扬程无过载潜水排污泵的优化设计与试验

为实现低比转速潜水排污泵高扬程、高效率、无过载性能的统一,该文对WQS150-48-37型低比转速潜水排污泵采用不同设计方法,经优化得出3种方案。应用Pro/E软件建模,结合Fluent软件对3种方案进行了多工况内部流场分析和性能预测,并与外特性试验结果对比。研究结果表明：采取增大叶片包角、减小出口角,控制流道扩散程度和增大蜗壳直径等方法可以得到满足高效率、高扬程、无过载要求的设计方案。其中,突破传统离心泵设计方法的新型通道式叶轮高效区范围更宽,扬程曲线陡降,无过载性能较好,可为高扬程无过载潜水排污泵的进一步优化设计提供参考依据。     

离心泵气液固多相流动数值模拟与试验

为研究离心泵输送含有气固液多相时内部的流动情况,采用Pro/E三维造型软件进行几何造型,基于ANSYSCFX软件应用雷诺时均方程、双方程湍流模型,并结合SIMPLEC算法对其内部三维气固液多相流各相流动规律进行数值计算,将计算结果与试验结果进行对比结果表明:受气相所产生旋涡的影响,固相体积分数在径向量纲位置r/R2为0.4时达到最大值后直线急剧下降,下降至一定值后开始波动变化,而气相体积分数在径向量纲位置r/R2为0.4时较小,从径向量纲位置r/R2为0.4以后急剧增大。气、固两相互相影响对方颗粒的分布。气相主要集中在叶片工作面的中间位置,气相的存在使叶轮流道内产生旋涡,影响叶轮流道内的能量交换与传递;固相在没有旋涡的流道内是紧靠叶片表面运动的,在有旋涡流道内主要是随着旋涡旋转方向进行流动,固相所占比值的增加对流动轨迹的影响并不明显。对气液固多相流的深入研究和应用提供了有价值的参考。     

导叶出口边位置对井用潜水泵性能的影响

为研究空间导叶出口边位置对井用潜水泵性能的影响规律,该文针对250QJ125型5级井用潜水泵,在其他几何参数均给定的条件下,通过沿轴向改变原始导叶的出口边位置,使其既满足与旋转轴线垂直又与半径线重合,设计了6个模型方案。基于雷诺时均N-S方程和RNG k-ε模型,采用SIMPLE算法对6个模型方案进行全流道三维数值模拟,获得各方案的扬程与效率,发现导叶出口边位置沿轴向延伸30 mm时,为最佳改进方案,此时模型泵水力效率提升1.2%,扬程增加6.8 m。同时根据各方案在设计工况下外特性的计算结果,提取各方案第1～5级的叶轮数据,发现原方案与最佳改进方案相比,首级叶轮水力效率、扬程基本相同,原方案的其余次级叶轮效率、扬程与其首级相比差距较大,最佳方案的其余次级叶轮效率与首级叶轮基本持平,扬程下降1 m,但是相比于原方案的其余各级扬程,均大约提升了2.2 m。最后分析了各方案在导叶出口截面上的内流场,结果表明：导叶出口边位置沿轴向延伸可改变液流在导叶出口处的流态,使其呈分散旋转流动,分散旋涡的数量与导叶叶片数相同;当导叶出口边延伸至适当位置时,能够减小下级叶轮的入口环量及冲击损失,改善导叶与下级叶轮之间的匹配关系。     

多喷嘴射流泵数值模拟及试验研究

设计了一种能够缩短喉管长度的多喷嘴射流泵。并采用k-ε湍流模型和壁面函数法对不同结构参数下的多喷嘴射流泵进行了数值模拟和试验研究。结果表明,喷嘴数和喉嘴距对射流泵工作性能影响较大;在吸入室及喉管入口处湍动能较大。得出了射流泵的最佳性能喷嘴数,确定了工作流体和被吸流体喉管混合均匀长度,验证了多喷嘴射流泵可缩短喉管长度,提高了射流泵工程应用价值。     

旋流泵含气混输数值计算及涡室流场探针测量

为探索旋流泵内部流场及气液两相流混输特性,该文通过32WB8-12型旋流泵外特性试验和泵最优工况流场五孔探针测量,得出泵性能曲线和5个测点静压ps、绝对速度v、圆周速度vu、径向速度vr和轴向速度vz分布情况。针对N-S方程中四项力在气液两相流动中的具体表现特性进行力学分析,说明了泵内部两相流动特点及关联因素之间约束关系。阐明了旋流泵含气混输抽吸和扬程形成的基本原理,及空化和气液两相流混输的不同特点。选择性能试验最优工况,基于改进重组化群k-ε湍流模型(RNG k-ε模型),应用Fluent软件对泵内部流场进行数值模拟,得到了3个轴面静压、速度矢量和含气率分布图。证明泵进口轴向运动为主流,气体主要集中在压力较低的进口区域。气相的引入,其微团与液相尺寸、形状及弹性模量的不同,造成两相流场惯性力、摩擦力和浮力发生变化,由此解释了外特性变化及气液抽吸与内部流动之间定性的因果关系。探讨了旋流泵内部气液两相流动速度场和过流通道发生畸变的基本原理,为建立旋流泵内部气液及空化流动模型提供实例。     

不同抽回间距的单井循环地下水源热泵系统试验

针对单井循环地下水源热泵系统的研究不足,搭建了物理模拟砂箱试验台研究单井循环地下水源热泵系统地下水流动和换热规律,并开展了抽回间距变化的试验研究。结果表明,增大抽回间距能够显著改善三种热源井的抽水温度,在条件允许的情况下应尽量增大热源井的抽回间距;当抽回间距增加相同数值,抽水温度改善情况循环单井最好,其次是填砾同井,最后是抽灌同井,增加抽回间距对热贯通严重的热源井更有效。     

自吸喷灌泵自吸过程的非定常流动数值计算与验证

为了建立一种适合自吸喷灌泵在自吸过程中的气液两相流数值模拟方法,采用 ANSYS CFX 软件,进行仿真自吸喷灌泵自吸过程的数值计算,研究自吸过程中气液混合、气液分离及气液逸出现象,分析自吸过程中泵内部的速度、压力及含气率的变化规律,了解自吸过程的气液两相流特点。自吸泵的整个自吸过程分为3个阶段：自吸初期由叶轮旋转作用排水产生的吸气阶段（t≤0.5 s）、自吸中期由气水混合及气水分离作用产生排气功能的吸气阶段（0.5 s4 s）。自吸成功的关键就是叶轮的旋转迫使叶轮进口处少量的水混合着一部分气体沿着叶轮叶片压力面流动至叶轮出口处并进入正反导叶,然后沿着反导叶叶片压力面流出,表明在自吸过程中气水混合物总是沿着较高的压力面流动。通过采用摄影技术得到多级自吸喷灌泵在自吸初期及中期时泵出口段水柱高度的变化规律,发现试验结果与数值计算结果非常相近,不仅两者的变化规律基本相同,而且其结果相差不超过6%。     

基于CFD的潜水轴流泵性能分析及其特性试验

为了研究高转速轴流泵性能预测问题,采用圆弧法和流线法完成550比转速QY90-4.4-1.5轴流式潜水泵叶轮和导叶水力设计。采用计算流体动力学(CFD)对泵性能进行预测,运用Pro/E软件完成泵流道三维实体造型和非结构网格划分,基于标准k-ε湍流模型进行泵内部流场数值模拟,得到模型泵性能预测数据和曲线。在样机型式试验及综合分析基础上,发现实测与预测性能参数吻合程度较高,由于对回流及二次流等的模拟还存在欠缺,在偏离额定工况较大时泵流量-扬程、流量-轴功率和流量-效率曲线产生一定的误差。通过分析最优工况叶片表面压力和相对速度分布,揭示叶片头部因液流撞击形成较大压降梯度,背面进口边稍后是较宽的低压汽蚀危险区。叶片表面速度沿半径逐渐增大,基本上没有径向分速度。总体符合速度环量沿半径均匀分布的假设。     

轴流泵装置导叶出口水流速度环量对出水流道水力损失的影响

为了定量研究大型泵装置导叶出口水流的速度环量对出水流道水力性能的影响,提出了泵装置导叶出口断面水流的速度环量定量表示方法和平均角速度的测量方法,分别采用数值计算和模型试验的方法研究了导叶出口水流的剩余环量对虹吸式出水流道和直管式出水流道水力损失的影响。结果表明:导叶出口水流的环量对出水流道水力损失的影响较为明显,存在使出水流道水力损失最小的最优环量,虹吸式和直管式出水流道的最优环量分别为0.972和1.308 m2/s;虹吸式出水流道和直管式出水流道最优环量时的水力损失计算值较零环量时的水力损失计算值分别小0.126和0.180 m。研究结果不仅有助于改进低扬程泵装置出水流道的优化水力设计,同时对改进轴流泵导叶的优化水力设计也有重要意义。     

污水处理潜水搅拌机效率的理论计算与模拟分析

对于污水处理潜水搅拌机效率在国内目前尚无计算公式和相关的概念,只有水推力、转矩、转速等参数,但是效率又是每个机械不得不考虑的一个参数。该文在分析潜水搅拌机功率损失的基础上,利用功率定义以及动量守恒推导出潜水搅拌机的效率计算公式,得出搅拌机的效率与水推力的3/2次方成正比,与叶片直径成反比,与潜水搅拌机的轴功率成反比的关系。利用此公式,分析了目前国内普遍使用的25款搅拌机效率现状,效率普遍偏低,五分之四的效率低于60%;并对某潜水搅拌机效率进行数值模拟分析,其池内流体平均流速为0.291m/s,效率为62.43%。污水处理潜水搅拌机效率公式的定义与探讨,为行业内潜水搅拌机的设计与应用提供了参考。