局部阻塞对管道瞬变流频响特性的影响分析及应用

为了了解局部阻塞对有压管道系统的影响,采用传递矩阵法分析了局部阻塞对管道瞬变流频响特性的影响及频响图的变化形态与阻塞点位置和阻塞局部阻力系数之间的关系,将其应用于管道局部阻塞的检测,并进行了数值试验验证,结果表明:与正常管道相比,局部阻塞点的存在使管道瞬变流频响图中各次谐波的幅值均不再保持定值,而是随着谐波次数的不同呈周期性变化;奇次谐波的幅值随谐波次数周期性变化的主频率及相位与阻塞点的位置相关,而该主频率对应的幅值与局部阻塞的局部水力损失系数相关,据此可进行管道局部阻塞位置和阻塞程度的检测.因此,基于对管道瞬变流频响特性的分析进行管道局部阻塞的检测是可行的.     

有压与无压交接水力系统有限体积法模拟分析

针对含无压段的长距离调水工程,采用二阶Godunov格式的有限体积法进行有压与无压交接水力计算模拟.首先根据有限体积法,分别对有压与无压的控制方程离散,采用Riemann求解器计算通量,并引入MINMOD斜率限制器进行数据重构.边界处采用虚拟边界,实现了计算区域与边界处的统一.在1个无压计算时步内,进行数个有压计算,从而实现有压与无压的交接计算.将所建模型与传统特征线法计算结果进行对比,验证了所建模型的精确性.结果表明,在库朗数小于1.00时,MOC在有压流与无压流均会产生较大的计算误差,而FVM计算更加准确.对比了有压与无压交接水力计算结果与有压段独立计算的结果,后者结果更加保守,工程经济性较差,证明了提出的有压与无压的交接水力计算的必要性与准确性.     

管网中泵破坏瞬变流的数值模拟

建立了管网中泵破坏瞬变流的数值模拟，该模型考虑了泵破坏无量纲非线性边界条件，运用特征线法对方程进行了求解。经验证，证明模型是可靠的，可用于工程分析计算。     

导流片对弧度弯管输水性能影响的数值模拟

迪恩涡流及螺旋流作为管路中常见的湍涡结构,虽然具有相似的传热传质等功能,但迪恩涡流易引发管路系统振荡,对有压输水管路系统安全产生巨大威胁。通过前人的物理模型试验建立了管径D=50 mm,曲率半径为2.8 D的弯管管路系统,并根据试验数据验证了数学模型。基于模型管段设计了27种导流片组合用以形成螺旋流,模拟了管内多尺度涡流结构,重点分析了涡流在弯管段及出口直管段的流速、压强和湍动能分布。模拟结果表明：涡流的湍动能及湍流强度对管路系统存在不同程度的影响,弯管管路系统的输水能力在湍动能较大、湍流强度较低的条件下相对较高;螺旋流强度对弯管的输水效率及管路系统的安全性影响显著,当管路进口流速V=1.5 m/s时,弯管管路系统在导流片（个数N=8个、高度H=15 mm、偏转角度θ*=60°）作用下,管路输水效率相对提升10.62%,管路事故风险概率相对降低24.41%。研究成果可为长距离螺旋流输送理论及有压管路系统优化提供技术指导。     

水流冲击多段滞留气团的三维数值模拟

针对水气两相瞬变现象,充分考虑了水体弹性、气体可压缩性、水-气交界面的动态运动以及多段气团间相互作用,采用三维CFD方法对起伏管道内含多段滞留气团的水气两相作用进行建模和模拟,选择Standard k-ε湍流模型进行模拟研究,将三维计算结果、现有一维模型计算结果与试验结果进行对比分析,并通过水气两相分布图展现动态变化过程.结果表明:与一维模型相比,三维CFD模型能够更为准确地模拟起伏管道内瞬变压力波动,并且能够清楚描述水气掺混、耦合的动态变化.水流冲击初始两段滞留气团压力波动曲线显示,多气团间的瞬变压力并非同步变化,可能呈现多气团峰值压力交替出现的情况,这与初始气团长度密切相关.水气交界面自由变化,阻断水体长度时刻发生变化,当水体运动到管道弯曲处时会产生新的阻断水体,将气团分成若干部分.     

起伏管道内水流冲击滞留气团的三维动态特性模拟

采用三维CFD方法对起伏管道内水气耦合作用的过程进行建模和模拟,研究气团压缩-膨胀-变形的三维动态特性.在考虑气团压缩性、水体弹性基础上,采用Standard k-ε、RNG k-ε 和Realizable k-ε这3种湍流模型进行模拟研究,并将三维计算结果、现有一维模型计算结果与试验结果进行了对比分析.结果表明:与一维模型相比,所采用的三维CFD模型能够较准确地模拟起伏管道内水流冲击滞留气团瞬变过程中气水形态变化和压力波动;Standard k-ε湍流模型能够较好地模拟压力峰值和波动周期,RNG k-ε 、Realizable k-ε湍流模型次之;整个过程中,水-气两相互相掺混,水-气交界面自由变化,并不垂直于管道中心线,与管道中心线呈一定的夹角存在;三维CFD计算结果可以很好地模拟较短长度气团的动态特性变化.     

保水堰局部体型优化的数值模拟

保水堰作为南水北调中线工程天津干线的新型衔接性建筑物,其水力特性关系到整个输水工程的成败,但就原体型来看,保水堰在不同水位运行时呈现出的三种流态都存在不良流态。本文通过数值模拟的方法对保水堰局部体型进行了初步优化,使其体型更加符合水流运行条件,使保水堰的流态、管道流速分布都达到了一个比较协调的状态,并且增大了局部水头损失,对消能更有利。数值模拟的计算结果与模型试验基本吻合,体型优化结果可为实际工程的设计和运行提供参考。     

基于HLLC近似Riemann求解器的天然河道水流运动模拟

天然河道断面几何形状快速变化条件下的一维复杂水流运动高精度数值模拟仍面临较大困难.基于Godu-nov格式,提出了基于守恒型圣维南方程的HLLC近似Riemann求解器的通量计算方法,将该求解器由浅水方程拓展至守恒型圣维南方程;提出了针对天然河道复杂断面几何形状下的变量空间重构方法:依据过流断面面积和静力矩等效原则将河...     

三维数值模拟在孔板消能输水隧洞设计中的应用

另仂水库利用现有的导水洞布置输水隧洞,设计采用孔板消能形式降低输水隧洞内水流平均流速,避免高速水流对下游隧洞出口处河道的冲刷。孔板消能形式主要是利用水流流经突缩的孔板后又突然扩散,加强水流的紊动性,在孔板下游处产生强烈的湍流区域,消除水流大量动能。由此在洞内形成的二次流态具有明显的三维特征,采用RNGk-ε双方程湍流模型模拟隧洞内强湍流流态,并将模拟结果与经验公式计算结果及物理模型试验结果对比,探讨孔板消能设计的合理性和不同工况下隧洞内流态情况。     

山丘区自压输水管道水锤计算与模拟方法

为了准确预测和防护山丘区自压输水管道的水锤破坏,提高管道输水的安全性和可靠性,针对山丘区自压输水管道落差大、距离长和地势起伏的特点,提出将输水管道划分为弯曲段和带倾斜角度的直管段,利用极限思想将弯曲管段基于切线的曲线拟合矢量化方法,拟合为沿管道中心线具有相同过流断面的多段等效短管;采用拟合等效短管和倾斜直管相结合的方法进行水锤计算,建立了自压输水管道的数值计算模型.以陕西省千阳县一自压管道输水工程为例进行了验证分析,通过模拟管道末端阀门不同关阀时间的水锤压力变化规律,得出最优关阀时间为50 s≤T≤120 s,提出了相应的水锤防护方案.结果表明该方法的计算和模拟精度高,可为山丘区长距离自压管道输水工程建设与管理提供参考.     

基于FLUENT的矩形管道流场数值模拟

【目的】与其他输送方式相比,气力输送具有输送效率高、布置灵活以及易实现自动化控制的特点。为了研究易拉罐气力输送系统的弯管内部流场的变化,可使用实验测量的方法,但此方法很难获得弯管内部流动特性的各种细节。【方法】利用FLUENT软件中的Realizable k-ε湍流模型,对矩形管道的内部流场进行了数值模拟。通过软件的后处理功能得到流体通过弯管时的压力云图和速度矢量图,可以将流体的压力和速度的变化直观地反映出来。【结果】由于弯管受到曲率的影响,在离心力的作用下,弯道外侧的压力大于弯道内侧的压力。与此相反,靠近弯管的内壁面的速度较大,而外壁面速度较小。【结论】通过运用FLUENT软件模拟了流体在弯管内部运动过程中的流场变化,进一步分析出内部流体速度与压力的变化原因,对真实流场分布具有参考价值,为后续的结构优化设计做了铺垫。     

基于Fluent软件的管道的流场数值模拟

管道中流体的研究是流体力学的重要研究方向之一。近年来,流体在化工、运输、科技、生物、医药发挥着重要的作用,使得对其典型模型的研究有着重要的意义,且在工业生产中有着重要的实际价值。管道转弯引起流体偏流是引起管道内设备换热不均、管道磨损的主要原因。因此,研究弯管管道内流体的偏流机制从而设计出使用的管道均流结构,可以有效的缓解由弯管管道存在而引起的一系列问题。文章运用Fluent软件对弯管管道中的运动流场进行模拟,探究弯管管道内流场的变化,对实际流场具有参考价值。     

不同管径水平管道气液两相流动数值模拟

为更好了解管道中的气液两相流运动过程,揭示气液在不透明管道中的分布规律及运动形态,提高管道自压输水在实际工程中的安全性.基于已有研究成果,应用Fluent软件进行三维水平管道的数值模拟研究,并分析了不同管径、流速下两相流流态,及压力、流速等各项水力要素的变化.结果表明:三维CFD模拟可较好地展示管道气液两相分布规律;增...     

基于STAR-CCM的拖拉机进气系统阻力数值模拟与试验

进气系统主要功用是供给发动机足够的清洁空气,其系统阻力直接影响进气量,进而影响发动机燃烧性能。文中以某拖拉机进气系统为研究对象,利用STAR-CCM软件对其流阻特性进行数值模拟。通过进气系统台架测试各测点静压值,与仿真静压值进行对标,其最大偏差为8.4%,验证了所建立的进气系统流阻仿真方法的准确性。研究结果可助力解决进气管路最小边界设计和空滤器降阻优化等问题,降低试验成本,缩短产品开发周期。     

基于TVD格式数值模拟带调压室的水击过程

调调压室通常用来解决水电站的水击问题,准确数值模拟其过程十分重要。近年来计算流体力学热衷于用TVD格式数值模拟各种激波,水击波也属于一种激波。本文将水击方程与涌波方程联合计算,采用 Harten经典修正通量TVD差分格式,结合水击模型上游动边界以及初始条件,数值模拟带调压室的水电站压力管道的水击过程。通过对上游带调压室水击工程实例计算表明,本文方法能有效的模拟其水力过渡过程,比经典差分一阶Lax-Friedrichs格式和二阶MacCormark格式更能准确地捕捉水击波,计算精度显著提高,为水击计算提供新方法。     

基于结构化网格的离心泵全流场数值模拟

采用计算流体力学(CFD)方法对全流场模型下离心泵的性能进行了分析。阐述了离心泵计算区域的拓扑块生成和结构化网格划分方法;分析了全流场模型和非全流场模型的数值模拟结果,并比较两者产生差异的原因。证实了腔体的存在对模拟结果的影响,得到的全流场数值模拟性能预测精度优于非全流场数值模拟,其流态分布也存在显著的差别,并获得了口环泄漏量与离心泵流量和扬程的关系。将离心泵全流场模型的模拟结果与试验值进行了对比:设计工况点(Qd),离心泵的扬程相对误差为0.79%,效率相对误差为0.9%,模拟结果和试验结果比较接近;在0.2Qd时,扬程相对误差为6.24%,效率相对误差为9.61%,极小流量点的数值模拟精度有待提高。     

低压管道输水波涌多孔灌溉软管设计与模拟

根据目前我国南方丘陵山地灌溉区域的经济状况、管理运行情况和水资源供应等条件,给出了低压管道输水波涌多孔软管灌溉系统的设计,并应用软件建立该系统的多孔软管模型,在模拟条件下对其进行了分析。研究表明,在灌溉系统配水均匀性方面,该多孔软管能够较好的满足要求。     

基于格子Boltzmann方法的三维溃坝数值模拟

为了模拟溃坝水流的流动过程,在基于格子Boltzmann方法(LBM)的基础上采用壁面适应局部涡流黏度的大涡模拟模型,引入自由滑移法处理固壁边界条件,模拟瞬时全溃坝以及瞬时局部溃坝水流的流动过程,并就瞬时全溃坝时两种消能坎的消能效果进行比较.数值模拟结果表明:基于LBM方法的数值模拟方法可以准确模拟瞬时全溃坝水流演进过...     

枝状管网水力瞬变工况的试验与数值模拟

采用试验并结合特征线法(MOC)对带有一个分支管管网阀门关闭时产生的水锤压力及波动规律进行了研究,试验采用压力传感器监测水锤压力波动、角位移传感器测定阀门的关闭时间及关闭规律,结果表明:MOC方法能较好地预测管网阀门关闭产生的最大水锤压力值,管网监测点计算与试验值相对误差小于13％,但MOC方法计算所得压力波的衰减比较缓慢,而试验得到的压力波衰减很快,是由于在计算中使用的恒定流摩阻所致;在此基础上对5种阀门关闭方案产生的瞬变流动进行了数值计算,表明管路末端2个阀门同时关闭时管网中产生的水锤压力最大,在实际工程中应避免阀门同时关闭的操作;管网最大水锤压力随关阀时间的延长而减小,当阀门关闭时间一定时,采用曲线关闭规律产生的最大水锤压力比直线关闭规律产生的要小,而采用两阶段直线关闭规律产生的最大水锤压力压力小于线性关闭的,对于实际工况中的两阶段关闭应通过延长第一阶段关闭时间以减小最大水锤压力．     

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.