蜗壳内部含沙水两相流动的CFD模拟分析

基于N-S方程,对水轮机金属蜗壳在清水和含沙水两相流动时的内部流场进行了全三维CFD数值模拟,输送清水介质时采用标准k-ε湍流模型,输送含有固体颗粒的含沙两相介质时采用k-ε-Ap模型,采用笛卡儿坐标、混合四面体非结构网格和SIMPLE算法进行计算,揭示了含沙水两相流体在水轮机引水部件中的运动规律,分析了水轮机蜗壳内部流场两相流动机理,对蜗壳内部泥沙磨损进行了预测和分析,得出的模拟结果与实际电站的资料基本吻合,说明利用CFD模拟进行蜗壳内部泥沙磨损性能预测及优化设计是可行的。     

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.     

离心泵全流场与非全流场数值计算

为研究不同计算域对离心泵数值计算结果的影响,采用虚拟分块网格划分技术和标准k-ε湍流模型,对5台不同比转数离心泵设计工况下的内部流动进行了三维定常全流场与非全流场数值模拟.基于全流场和非全流场数值计算结果分别进行了性能预测和内流场特征分析,并将性能预测结果与试验结果进行了对比分析.结果表明：不同计算域对数值计算结果影响显著;全流场数值模拟性能预测精度高于非全流场数值模拟,扬程预测精度平均高1.54%,效率预测精度平均高1.67%;流场分析发现两种计算方法得到叶轮内的静压分布基本一致,而蜗壳内静压分布存在着明显差异;全流场数值计算得到的叶轮与蜗壳的间隙速度分布呈现层状分布,而非全流场数值计算得到的结果呈三角形分布;由于全流场计算区域考虑叶轮进口口环、前后盖板间隙流的影响,其数值计算得到的蜗壳断面内二次流分布并不完全对称.     

转速对离心泵内部流动的影响

采用FLUENT,在双参考坐标系下,利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行数值离散,选用标准k-ε湍流模型,SIMPLEC方法求解,对6台不同转速下离心泵的内部流场进行了叶轮和蜗壳的耦合数值模拟并进行了能量性能预测.同时,分析了转速对离心泵内部流场的影响,指出不同转速下泵内部流场是比较相似的;性能预测发现比例定律的扬程计算结果具有比较高的精度,轴功率的计算精度则相对较低.     

基于多孔介质模型下微灌网式过滤器CFD湍流模型选择及流场分析

应用Fluent软件可快速准确地进行流场分析,但针对微灌网式过滤器,如何构建流体模型以及如何选择湍流计算方法,值得探讨。基于多孔介质模型,分别采用3种不同湍流模型计算方法对过滤器展开了数值模拟,并以AZUD-M100网式过滤器为样品进行了对比试验。结果表明,不同湍流模型有一定差异,标准k-ε模型、Realizable k-ε模型的模拟值与试验结果偏差在3%以内,具有更高的精度,基于多孔介质模型的标准k-ε模型或Realizable k-ε模型更适合过滤器的数值模拟。研究了微灌网式过滤器内部流动规律,发现压力损失主要发生在滤网2侧;进出水管路与滤筒间的夹角,以及其交界处过流截面的骤变易产生速度、压力、湍动能的变化,造成流动紊乱和能量损失。     

不同比例长短叶片对混流式水轮机内部流场的影响

为探究不同比例长短叶片对混流式水轮机各过流部件内部流场的影响,采用RNGk-ε湍流模型和三维时均N-S方程,对不同比例长短叶片混流式水轮机进行全流道三维定常数值模拟。计算结果表明在不影响转轮区流态的情况下,适当增加短叶片长度,水轮机抗空化空蚀性能有所提高,尾水管进口低压区覆盖面积有所减小。但随着短叶片长度的增长,水轮机效率降低,且固定导叶尾部、活动导叶头部以及蜗壳鼻端高压覆盖面积增大。以上结论对长短叶片混流式水轮机的设计、优化和改型等研究具有一定的指导意义。     

三种紊流模型数值模拟明渠弯道三维水流的比较

采用不同的紊流模型:标准k-ε模型、RNGk-ε模型、Reynolds应力模型,结合VOF方法跟踪处理自由表面,数值模拟了明渠180°弯道水流的复杂流动状态。将数值模拟的结果与试验资料进行比较,分析了不同紊流模型的计算精度。研究表明,标准k-ε模型无法准确地预测具有复杂二次流特性的紊流流动,Reynolds应力模型和RNGk-ε模型,能够有效地预测具有强曲率影响的明渠弯道三维水流运动。     

长短叶片混流式水轮机全流道内部流场数值模拟研究

为研究某电站长短叶片混流式水轮机内部流动特性,利用仿真模拟软件CFX,基于N-S方程和标准k-ε湍流模型,在典型小流量工况下,对水轮机蜗壳进口到尾水管出口的全流道内部流场进行三维湍流计算,得到水轮机各过流部件的流动情况。计算结果表明,蜗壳内静压分布沿向心方向均匀降低,速度矢量均匀增大。导叶间速度和压力在圆周方向对称性良好,进出口无明显漩涡。长短叶片表面压力分布合理,工作面无明显回流及二次流。尾水管内流线顺畅,呈中心对称分布,速度沿向心方向均匀减小。各流线回旋形成较为对称的涡带,且涡带中心无偏移,管内无明显回流。研究结果对该水电站水轮机日后运行维护具有重要的指导意义。     

湍流模型对混流泵性能预测的影响

为研究不同湍流模型对混流泵外特性预测的影响,选取了一比转数为465的混流泵模型,基于SIMPLEC算法与非结构化四面体网格,通过选取标准k-ε、RNG k-ε、k-ω、SST k-ω等湍流模型进行了数值计算。预测了扬程系数、效率和轴功率,与试验数据进行了对比,并分析了压力与相对速度分布。研究表明,基于4种湍流模型预测的性能曲线与试验数据的变化趋势基本一致。基于标准k-ε与RNG k-ε模型预测的结果较为接近,而基于k-ω 与SST k-ω模型预测的结果较为接近。对于扬程系数和效率而言,在（0.6~0.9）Qd 下,k-ω与SST k-ω模型预测更为准确,在（0.9~1.3）Qd 下,标准k-ε与RNG k-ε模型预测更为准确。针对本文设计的混流泵模型,在（0.7~0.9）Qd 下选用k-ω模型,在（0.9~1.2）Qd 下选用标准k-ε模型,则可确保性能预测精度在±5%范围内,满足工程计算的要求。     

自吸泵内部流场的数值模拟及性能预测

基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,应用三维无结构四面体网格及SIMPLEC算法建立自吸泵内部流场的数值模型,利用计算流体力学软件Fluent对设计工况及多个非设计工况下自吸喷灌泵叶轮和蜗壳的三维不可压缩湍流流场进行了数值模拟,得到其内部流场的速度分布和压力分布情况,揭示了泵自吸过程中流体的运动规律,最后预估该泵的扬程及效率并与试验值进行对比分析.结果表明,在相同半径处,叶片工作面压力比背面压力大;在回流孔处存在较大的压力梯度和速度梯度,并且由于分离室边壁的影响形成了大小不同的旋涡;数值模拟性能曲线与试验曲线基本一致.     

考虑旋转和曲率影响的SST k—ω湍流模型改进

分析了离心泵中常用湍流模型的优缺点,采用考虑旋转和曲率影响的RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型分别对SST k-ω湍流模型进行了改进,生成了两种新的湍流模型.以开源代码库OpenFOAM作为平台对改进的湍流模型实现了程序化,应用新的湍流模型分别对-低、中、高比转数的离心泵进行数值计算,并将修改前后的数值计算结果与试验结果从能量性能的角度进行了详细对比.分析结果表明,改进后的湍流模型能成功用于离心泵内流计算中,且计算精度较修改前更接近于试验值.     

网式过滤器的计算模型选择及内部流场分析

为了解网式过滤器内部流场特性,分别采用Fluent软件提供的Standard k-ε、RNGk-ε及Realizable k-ε模型同多孔介质阶跃模型耦合计算,通过物理试验与计算结果对比,确定了Realizable k-ε模型与多孔介质阶跃模型能更好地模拟网式过滤器中的流场。在此基础上,分析了该过滤器的内部流场,指出排污口固体边界和出水口边界条件对该过滤器的速度流场和压强场分布规律影响很大;滤网内、外侧的水流流速沿X轴分布不均匀,从而影响了网式过滤器的过滤效率及使用寿命,其结构有待进一步研究。     

双方程湍流模型在高雷诺数水翼绕流模拟中应用

为了研究不同湍流模型在水翼绕流数值模拟中的适用性,采用3种双方程湍流模型,对某二维水翼在高雷诺数(Re=7.0×105)下的无空化绕流进行了定常数值模拟。分析比较了标准k-ε模、RGN k-ε模型以及Realizable k-ε模型结合不同近壁区处理方式所得模拟结果的差异。通过SIMPLEC算法实现速度、压力的分离求解,离散差分格式具有二阶精度。结果表明,Realizable k-ε湍流模型结合增强型壁面函数法所得翼型绕流速度分布与实测值最为接近。     

旋流自吸泵内部流场的数值模拟

采用雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型,应用三维非结构四面体网格建模,选用旋转流体机械模型中的多重参考坐标系模型（MRF）,对设计工况下旋流自吸泵叶轮和蜗壳耦合的三维不可压缩湍流流场进行了数值模拟,得到了其内部流场的压力分布和速度分布情况．对叶轮内部的相对速度流场和压力场进行了细致的分析,证实了叶轮和蜗壳由于相对位置不同,相互作用而引起的叶轮内部流场具有一定的非对称性,对蜗壳速度流场进行了分析,得到了蜗壳内靠近叶轮出口处的速度值较大的结论,并指出,由于蜗壳结构复杂而导致的内部流动紊乱,会造成一定的损失,另外。还对导壁附近区域和分离室内流场进行了深入研究,揭示了导壁附近区域和分离室内存在旋涡这一现象,并对旋涡形成的原因进行了分析和探讨．     

长短叶片混流式水轮机流动特性分析

为探讨长短式叶片混流式水轮机的内部流动规律,基于CFD性能预测方法,采用SIMPLE算法和RNGk-ε模型,计算水轮机在不同工况下的速度-压力分布,探讨水轮机内部流场的速度分布、压力分布、尾水管涡带和压力脉动情况。研究结果表明:蜗壳内流体流动较为规律,当蜗壳内流体旋转至转轮进口处时,蜗壳内的流体排泄可能迟滞,流动复杂。导叶开度增加后,尾水管旋涡区向下移动,强度增大,且对扩散段流态造成影响。在部分工况下能很好地捕捉到真实最大压力脉动信息。研究可为深入了解水轮机激振的内在机理、改善水轮机的综合性能提供一定参考。     

模拟翼型热敏介质空化流的湍流模型修正与应用

为了研究湍流模型对热敏介质空化流数值模拟精度的影响,结合滤波器模型(Filter-based model,FBM)和密度修正模型(Density-corrected model,DCM),基于局部网格尺度和气液两相混合密度,修正了3种湍流模型(k-ε、RNG k-ε和SST k-ω)的湍流粘度,并分别采用原始湍流模型和修正湍流模型,以不同温度的水为介质,对NACA0015翼型进行了单相和气液两相数值模拟。通过与实验数据比较,验证了数值模拟结果的准确性。研究结果表明,修正的k-ε模型消除了湍流尺度的影响,通过修正的RNG k-ε模型计算得到的空泡发展规律与实验结果一致。修正后的RNG k-ε模型揭示了空化与温度变化的规律,反映出较好的修正效果,可为低温热敏介质空化流数值模拟提供理论参考。     

限速切断阀的限定流量特性研究

限速切断阀由于阀口开度较大，与阀口压差相比其内部流道阻力不能忽略，从而用传统的解析方法不能对限定流量准确计算。以限速切断阀具体结构为计算实例，采用RNG k-ε湍流模型对限速切断阀的流场进行三维数值仿真，并与试验测试和理论计算结果进行了比较与分析。结果表明流场仿真所预测的限定流量与试验测量结果吻合良好。     

低比转数冲压焊接离心泵三维湍流数值模拟

对一低比转数冲压焊接离心泵在带分流叶片以及不带分流叶片情况下的叶轮及蜗壳耦合场进行了数值模拟.计算采用雷诺时均方程和RNGk-ε湍流模型,速度与压力耦合采用SIMPLEC算法.计算了设计工况、小流量工况及大流量工况下离心泵内部流场分布.增加分流叶片后.离心泵叶轮流道内的回流和二次流现象得到了有效控制.对比分析性能预测与试验结果的差异,在设计工况时离心泵性能预测的最大偏差为3%;非设计工况时性能预测的最大偏差为10%.     

基于FLUENT的离心泵水力性能预测技术

介绍了用数值模拟方法进行离心泵性能预测的研究现状和存在的问题．采用商业软件FLUENT,在双参考坐标系下,利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行数值离散,选用标准k-ε湍流模型,SIMPLEC方法求解,对10台离心泵的设计点工况进行了叶轮蜗壳耦合三维粘性相对定常的数值模拟并进行了性能预测．计算了各模型的扬程和效率并与试验值进行了对比和分析．对比分析结果表明,基于FLUENT数值模拟结果预测离心泵水力性能的方法具有比较高的精度。可以应用于工程实践．     

基于CFD的高温减压塔底泵次级叶轮优化设计

运用Fluent软件,利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行数值离散,采用标准k-ε湍流模型及SIMPLEC算法进行求解,对9组由不同出口宽度的次级叶轮与不同喉部面积的蜗壳所组合成的高温减压塔底泵的次级内部流场进行了数值模拟与性能预测,基于预测结果绘制了性能曲线,并分析了叶轮出口宽度与蜗壳喉部面积对性能的影响.分析结果表明：随着喉部面积的增大,蜗壳进口宽度增大,小流量区蜗壳中更易产生回流,致使扬程降低,高效区向大流量偏移;增大叶轮出口宽度,可扩大高效范围.分析结果为高温减压塔底泵次级叶轮的优化设计提供了参考,选择C-b组合为最终优选方案.