叶片式混输泵非定常流动的数值模拟

为了加深对叶片式混输泵内相态分离和气体局部聚集现象形成机制的认识,在细泡状流动假设下,基于双流体模型对叶片式混输泵在进口含气率为15％条件下的气液两相输运过程进行非定常CFD模拟．计算中,湍流模型采用SST模型,相间作用力考虑了阻力和附加质量力,初始流场根据纯水工况的稳态计算解给定．对该含气率下的5个流量工况进行了计算,并以其中的最优工况为例分析了输运过程中两相流场的分布及其随时间的演变,探讨了非定常过程中扬程的计算方法及变化特点．结果表明:由于两相所受离心力不同,输运过程中气相主要分布于轮毂面附近;受流道形状变化和叶轮旋转的影响,叶轮进口区容易促发气团的形成,是气团形成的起始位置．输运过程中含气率场和压强场将出现波动,进而导致扬程值的大幅振荡,影响混输泵运行的稳定．通过对比扬程特性的计算和试验结果,说明了所用数值模型和方法的基本可靠性．     

基于非均相流模型的离心泵气液两相流动数值研究

为研究离心泵气液混输状态下的内部流动特性,基于Eulerian-Eulerian非均相流模型以空气和水作为工作介质,在不同进口含气率工况下对离心泵内流场进行定常和非定常数值计算,相间阻力作用采用Schiller Nauman模型,得到叶轮内气相分布情况以及气液两相的速度流线图,探求气液两相在泵内的流动规律。计算结果表明:在叶片进口边压力面气相浓度较高处,会产生漩涡,说明叶轮流道内漩涡的产生与气体的聚集有很大的关系;增大进口含气率到10%时,叶轮流道内靠近吸力面处已经出现比较明显的相态分离现象,气相有沿着叶片吸力面向叶轮出口运动的趋势;气相在叶轮流道内会沿流道中部向前后盖板运动,随着含气率增大,靠近前后盖板侧的气相浓度逐渐增大,靠近叶轮出口边前盖板侧的气相浓度增加较后盖板更明显,最终气体可能会堵塞流道;在一个旋转周期内,叶轮出口压力呈周期性变化,进口含气率从1%增至10%,叶轮出口压力逐渐降低,监测点在不同含气率下压力脉动主频在叶片通过频率附近,进口含气率不超过10%时对监测点压力脉动的主频及次主频影响不大;通过对比试验结果和数值计算结果,证明所采用的计算模型和方法基本可靠。     

基于韦伯数的气液混输泵气相直径理论预测模型

为了获得叶片式气液混输泵合理的气相直径取值,从而提高其两相流动模拟的准确性,文中从韦伯数这一决定气泡尺寸的关键参数出发,基于临界韦伯数建立了气相直径与转速、流量、含气率之间的相关关系,进而提出混输泵内气相直径的理论预测模型,并在3级叶片式气液混输泵中对该理论预测模型进行了应用.在不同流量和不同含气率的20个工况下,根据试验结果对数值模拟中的气相直径取值进行了标定,并据此拟合确定了理论预测模型中的经验系数,最终气相直径的理论预测值与数值模拟标定值的平均误差为7.28%.通过对气相直径和韦伯数在混输泵轴面流道上的分布规律进行分析,明确了高气相直径和高韦伯数的出现区域,并发现叶轮流道内高体积分数的气相会随主流运动发展,而导叶流道内高体积分数的气相则会聚集形成低速气团并堵塞流道.研究结果对提高气液混输泵两相数值模拟的准确性具有一定的帮助.     

迷宫螺旋泵气液两相流场的数值模拟及试验

基于混合物多相流模型、RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法,应用CFD软件Fluent对迷宫螺旋泵内气液两相流场进行数值模拟并通过试验进行验证.通过分析流道内不同截面上的压力、速度以及含气率分布,研究泵内气液两相流场的流动情况.模拟结果表明,压力分布从进口到出口沿螺旋槽逐渐升高,增压效果明显,速度分布在环形腔的外侧比在内侧稍大,螺旋部分含气率分布比较均匀,进出口处出现含气率分布不均匀现象,局部含气率较高,在此要防止气堵现象的发生.试验结果表明所采用的计算模型基本符合泵内部流动的实际情况,这说明模拟结果一定程度上揭示了迷宫螺旋泵内部气液两相流场的流动规律,可为迷宫螺旋泵气液两相流研究提供理论依据,试验结果同时表明迷宫螺旋泵进行气液混输时具有良好的曝气效果,可作为传统曝气设备的替代产品.     

基于Eulerian-Eulerian模型的轴流泵气液两相流动数值分析

为研究轴流泵在气液两相流条件下的内部流动特性,以1台比转数为1 500的模型泵为研究对象,基于Eulerian-Eulerian非均相流模型,以空气和水为工作介质,进行了多种流量下不同进口含气率的定常数值计算,分析了不同气液两相工况下模型泵外特性变化情况,并通过叶轮内压力、气相分布以及气液两相速度分布情况探究气液两相在轴流泵内流动规律.计算结果表明:在水气混合工况下,此轴流泵的扬程和效率随着含气率的增加呈现逐渐下降的趋势;相同含气率下,压力面压力大于吸力面压力,从轮毂到轮缘,压力呈现增大的趋势,叶轮表面的气体主要集中在叶片的吸力面,随着流量的增加,压力最高点逐渐趋近于轮缘附近,压力面的气体逐渐增多,吸力面的气体逐渐减少,压力面的气体主要聚积在进水边,并有向轮缘移动的趋势;相同流量下,气体还是主要集中在叶轮的吸力面,随着含气率的增加,压力面最大压力区域有从进水边向轮缘中间区域移动的趋势,吸力面的气体有沿着进口向出口运动的趋势.另外,随着流量的增加,气液相的速度随之增加,在靠近轮毂的区域出现了明显的流动分离现象.     

基于MUSIG模型的气液两相流离心泵内部流动数值模拟

为了解决当前气液两相流泵内部流动数值模拟中所采用的欧拉-欧拉双流体非均相流模型无法考虑气泡离散相粒子直径的变化以及气相之间的聚合作用与破碎作用,导致在高含气量时的模拟结果与试验存在一定差距的问题,文中将一种新型的欧拉-欧拉双流体拓展模型,即MUSIG模型用于气液两相流泵内部流动的数值模拟,通过与气液两相流工况外特性试验数据对比发现,入口含气率在5%左右时,MUSIG模型计算得到的外特性曲线与试验结果有轻微偏差,整体趋势吻合较好;普通的欧拉-欧拉两相流模型在大含气率下与试验相差较大.基于MUSIG模型,分析入口含气率对内部流动特性的影响,结果表明:入口含气率的增加会引起内流失稳,流线紊乱,气相逐渐聚集在前盖板与流道中间部位,最后引起能量损失,叶轮出口压力下降.这些现象会随着入口含气率增加而逐渐加剧,最终扬程与效率均会随着含气率增加而下降.含气率小于3%时,内流较稳定;当入口含气率为5%时,扬程下降至32 m,效率下降至55%,推测此时流道内气相聚合,生成气囊.     

叶顶间隙对多相混输泵内流动特性的影响

为了揭示叶顶间隙对多相混输泵内流动特性的影响规律,在进口含气率为10%时,利用ANSYS CFX软件对不同叶顶间隙下泵内气液两相流态进行模拟,同时分析和总结了叶顶间隙对流道内流动特性的影响.研究表明,当叶顶间隙增加时,叶轮叶片进口附近低压区占比明显减少,并且叶轮进出口的压差也在逐渐减小.另外,在靠近叶片顶端时,压力等值线存在偏折现象.随着叶顶间隙逐渐增加,偏折加剧.存在叶顶间隙时,叶轮轮毂附近气相聚集得到了明显的改善,并且随着叶顶间隙的增加,气相在叶顶间隙内靠近叶顶处的聚集现象更加明显,导叶轮毂气相聚集位置沿着流动方向向下游移动.研究结果可为多相混输泵水力优化、性能改善和结构设计等提供依据.同时,研究结果进一步揭示了多相混输泵叶顶间隙流对混输泵性能的影响规律.     

旋流自吸泵气液两相流数值模拟

采用雷诺时均N-S方程和RNGk-ε湍流模型,使用多相流模型中的混合物模型,通过商用软件FLUENT,对自吸时旋流自吸泵内气液两相流场作了数值模拟.在对蜗壳流道和叶轮流道进行网格划分时,尺寸扭曲率为0.78.根据模拟结果,将泵内两相流场的静压分布,与单液相时的静压分布作了对比,并比较了叶轮内气相与液相相对速度的分布情况.另外,对含气率的分布情况作了分析.结果表明,自吸时气液两相状态下的静压稍小于单液相状态下的静压;泵内的主要流动是液相通过相间作用夹带气相的流动,液相速度略大于气相速度;靠近泵出口的两个叶道内,有气相的积聚,含气率较高.     

气液两相条件下进口含气率对离心泵相似定律的影响

为了研究气液两相条件下离心泵相似定律的适用性,选用NKG65-50-140型直联式单级单吸离心泵,基于试验和数值模拟方法对其进行研究。首先搭建了气液两相流开式试验台,进行了3种转速、不同进口含气率条件下模型泵性能试验;然后采用Eulerian-Eulerian非均相流模型、由空气和水作为工作介质进行了数值模拟,得到了3种转速、不同进口含气率条件下叶轮内的流动情况和气相分布情况。研究结果表明:进口含气率通过影响气体在叶轮内的分布而影响旋转叶轮与液体能量交换能力,从而影响气液两相流相似定律的适用性;同一流量系数时进口含气率越大,相似定律的适用性就越差;随着转速的降低,气体分布呈现从叶片顶尖、叶轮流道中部和蜗壳隔舌处移动的趋势,特别是进口含气率大于0.03后,气体更易堵塞流道。最后通过对比试验结果和数值模拟结果,验证了低进口含气率下所采用的计算模型和方法基本可靠,为泵设计提供了理论指导。     

基于量纲一化的离心泵内部气液两相流动特性

为研究气液混输状态下离心泵内部流动及外特性的基本规律,以某一比转数n_s=132.2的直联式单级单吸离心泵为研究对象,基于量纲一化方法,在不同含气率及转速下进行外特性试验和数值模拟研究.结果表明:量纲一化参数的压力系数和速度系数能够较为直观地反映离心泵气液两相流内部流动的基本规律;随着转速的增大,低压区在叶轮进口附近的半径逐渐增大,低速区占据流道的面积也逐渐增大,此时由于气体主要聚集在叶轮流道及蜗壳附近,容易堵塞流道,液相与叶轮能量得不到有效地交换与传递,这是导致气液混输状态下含气率大于3%时离心泵外特性曲线不再遵循相似定律的主要原因;结合试验和数值模拟结果验证了所采用的Eulerian-Eulerian非均相流模型的合理性,为泵的优化设计提供了一定理论基础.     

侵蚀性坡面流流态的试验研究

通过定床阻力试验,从水力学原理出发,对3种不同坡度(坡度分别为:5°、10°、15°)有机玻璃床面和人工粗糙床面(床面粘贴砂粒粒径分别为:0.5～1、1～2、2～5、5～10mm)的侵蚀性坡面流试验数据进行分析,研究了侵蚀性坡面流流态,得出了侵蚀性坡面流存在"虚拟层流"、过渡流和紊流3种流态形式,通过试验分析了"虚拟层流"具有悬移输沙能力的原因。     

北部湾经济区河流环境流量计算

叙述了河流环境流量的基本概念,并介绍了国内外四类计算方法：水文学法、水力学法、生境模拟法和整体分析法。通过水文学法、水力学法和考虑河流中鱼类的生态流速-流量法,对北部湾经济区河流环境流量进行计算。最后,对计算所得三种结果进行对比分析,确定生态流速-流量法计算结果25.75 m3/s,作为北部湾经济区河流——南流江的最小环境流量。     

固相浓度对旋流泵内循环流动结构的影响

为研究固相体积分数对旋流泵内部循环流结构的影响,以150 WX-200-20型旋流泵为研究对象,基于流体动力学理论,采用Eulerian双流体模型,以体积分数为10％～35％的固相与清水的6种混合流体为介质进行数值模拟.对比分析旋流泵内流场的流线变化规律,研究不同固相体积分数时,在泵内以轴为中心阵列的4个1/4截面上涡...     

滴头最大流量偏差率计算方法及影响因素评价

首先分析了滴头水力特征曲线方程中流量系数分布规律,当流量系数服从正态分布时,流量系数在其平均值的±3倍标准差之间变化的概率为9973％(近似于100％),因此流量系数最小值为平均值减3倍标准差,最大值为流量系数平均值加3倍标准差,在此基础上提出了综合考虑水力偏差、制造偏差和微地形偏差的综合流量偏差率计算公式;然后以制造偏差系数、流态指数、压力差、平均工作水头及田面局部高差作为影响因子进行流量偏差率及毛管造价敏感性分析．结果表明:对流量偏差率影响程度由大到小的顺序为滴头制造偏差系数、滴头流态指数、压力偏差．当制造偏差系数大于004时,毛管造价急剧增大,在设计中应尽可能选择制造偏差系数小、流态指数小的滴头.对于常规滴灌系统,当滴头工作水头大于10 m时,田面局部高差对流量偏差率影响可忽略．     

旋流泵的流动规律

对80X-13.5型旋流泵进行了数值模拟计算,泵内部流动区域选用Pro/E造型,用Gambit软件采用分块非结构六面体网格划分方法对模型进行网格划分及部分边界条件的设定,运用雷诺平均N-S方程和标准k-ε双方程湍流模型结合SIMPLEC算法,来数值模拟旋流泵内部三维不可压湍流场。数值模拟计算选取工作介质为清水,并认为是牛顿流体且局部各向同性;认为旋流泵的内部流场是以定常角速度绕固定轴的旋转流场,属于复杂的三维不可压湍流流动。数值模拟得出了旋流泵内的速度和全压分布图,并试分析出了旋流泵的内部流动区域分布。分析认为,周向流动是旋流泵内部的主体流动趋势,旋流泵内部流动状态可归结为贯通流和循环流。数值模拟的结果验证了已有流动模型的正确性,并且在数值模拟基础上重新划分的流动区域可以反映清水条件下80X-13.5型旋流泵的内部流动情况,可为此种泵型旋流泵的设计提供参考。     

利用组合井开发河道潜流

以往河道截潜工程常采用的河边大口井、廊道井、拦河坝等措施,存在着投入人力、物力、财力多等弊端,且施工技术复杂,工期长,受益慢,又妨碍行洪安全。为此,提出利用组合井代潜截潜工程。其基本设想是在河床内布设多眼机孔,在岸边适当位置建设泵站,泵站与各井用管道连接,实现井站联合开发潜流。经过反复论证,确认该方法是一个费省效宏、安全可靠、切实可行的开发方案。     

金沙江白鹤滩海子沟泥石流与高含沙水流调查研究

干旱河谷环境下单沟泥石流向高含沙水流演化是泥石流防治工程的关键问题.以海子沟泥石流物源、地形和降雨量分析为基础,通过坑探方法、容重方法以及一次泥石流固体物质总量方法,分析了海子沟泥石流向高含沙水流演化的特征.结果表明:堰塞湖的存在对泥石流起到了缓冲作用,使泥石流容易转化为高含沙水流,降低了海子沟沟口工程在施工期内可能受到的危害.     

液环泵轴向叶顶间隙泄漏流动的等离子体控制数值研究

针对液环泵叶轮轴向叶顶间隙泄漏问题,提出采用介质阻挡放电等离子体激励对液环泵轴向间隙气相泄漏流动进行控制,耦合唯象学模型、RNG k-ε湍流模型及VOF气液两相流模型模拟不同激励电压下等离子体对泄漏流场的干扰作用,探究等离子体激励对间隙泄漏流场的调控机理。结果表明,等离子体激励诱导的壁面射流方向与间隙泄漏流动方向相反,诱导的反向壁面射流能够有效地抑制泄漏流强度,并在一定程度上改善间隙泄漏流引起的二次流动,降低间隙泄漏流动损失;同时在等离子体激励的非间隙区域,等离子体激励诱导产生旋涡结构,使得近壁区域产生额外的水力损失。激励电压及位置对泄漏流控制效果有重要的影响,15kV激励电压的等离子体流动控制效果明显优于10kV激励电压,当激励位置位于叶顶间隙出口附近时等离子体激励对泄漏流具有较好的抑制效果。研究结果能够为液环泵的性能优化提供理论参考。     

旋流泵的流动规律

对80X-13.5型旋流泵进行了数值模拟计算,泵内部流动区域选用Pro/E造型,用Gambit软件采用分块非结构六面体网格划分方法对模型进行网格划分及部分边界条件的设定,运用雷诺平均N-S方程和标准k-ε双方程湍流模型结合SIMPLEC算法,来数值模拟旋流泵内部三维不可压湍流场.数值模拟计算选取工作介质为清水,并认为是牛顿流体且局部各向同性;认为旋流泵的内部流场是以定常角速度绕固定轴的旋转流场,属于复杂的三维不可压湍流流动.数值模拟得出了旋流泵内的速度和全压分布图,并试分析出了旋流泵的内部流动区域分布.分析认为,周向流动是旋流泵内部的主体流动趋势,旋流泵内部流动状态可归结为贯通流和循环流.数值模拟的结果验证了已有流动模型的正确性,并且在数值模拟基础上重新划分的流动区域可以反映清水条件下80X-13.5型旋流泵的内部流动情况,可为此种泵型旋流泵的设计提供参考.     

Portable and permanent flumes with adjustable throats

The utility of developing vertically-adjustable flumes for canal flow measurement systems, is important to several problems in field practice. One involves the perception by some canal water users that flumes and weirs significantly and harmfully restrict flow. These perceptions, correct only sometimes, occur often enough to cause resistance to flow measurements and impedance to proper irrigation management. Parshall flumes and Cutthroat flumes require ponding depths upstream equal to about 40% of head reading while long-throated flumes and the related broad-crested weirs require only 10 to 15%. The actual head drop through all of these flumes is greater than hydraulically necessary for all but the maximum design discharge. The highly obvious excessive ponding is often misunderstood as a harmful restriction to flow. Also, the velocities at the low flows are reduced by this excessive ponding, which can aggravate sediment accumulation. The system described herein allows control of the ponding restriction from nearly zero to just enough restriction to gain measurement control of the flow at nearly all flow rates in the design range of a particular size. This reduces the amount of visible restriction. For a small structure size, with a control section less than 1 m wide and flowing under a head of less than about 25 to 30 cm, this restriction is about 10% to 15% of the head reading, or about 3 to 5 cm at maximum head. This maintains relatively high velocities in the approach channel for assisting sediment movement. The device is applicable to measuring flow rates in unlined and lined canals. The system described permits adjustment of the canal flow levels, reduces the perception of ponding, and minimizes the induced sediment problems.