考虑水流掺气的施工导流工程流场数值模拟

为了考虑导流泄水建筑物下泄水流局部掺气的影响,综合紊流模型、卷气模型和漂移通量模型,对某实际导流工程进行了三维数值模拟研究。首先,利用CATIA软件建立了具有复杂地形的工程三维几何模型,然后,基于Flow-3D软件的RNG k-ε紊流模型、卷气模块和TruVOF水流自由表面追踪方法,计算了考虑溢洪道水流局部掺气条件下的导流工程整体流场,得到了流态、水位、流速和压强各水力参数的分布规律,并与物理模型试验成果进行了对比分析。结果表明数值模拟得到了较好的计算结果,验证了上游围堰设计高程的合理性,加入卷气模块模拟三维流场得到了较好的流速分布、压强分布、水流掺气浓度和掺气范围,为类似导流工程的流场计算提供了一种理论和方法。     

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.     

泄洪洞中闸室长度对掺气水流的影响研究

采用RNG k-ε紊流数学模型,研究了在中闸室具有突扩突跌型出口的情况下,下游泄洪洞渥奇曲线段的水力特性。在不同水流佛氏数的情况下,重点研究了中闸室长度对渥奇曲线段水力特性的影响,最终获取得到水流流态、水翅强度及空腔形态等的变化规律。在出闸水流弗氏数一定时,中闸室长度对突扩突跌型掺气坎后的掺气水流具有较大影响,具体表现为:当闸室长度较短时,底部与侧向掺气空腔均较短且空腔积水严重,水体底部掺气不明显;当闸室长度相对较长时,侧墙水翅强度较大,水流流态容易恶化。     

土石坝坝体溢洪道泄槽水面线若干

通过试验研究对土石坝坝体溢洪道采用曲线型堰的泄槽水面线起算水深进行了观测，发现圆弧曲线堰及翼型堰的起算水深均小于0.7倍临界水深hk。 利用已有的试验资料分析了泄槽设置掺气挑坎后对水面线产生的扰动影响。分析结果表明,由于掺气挑坎对水流的扰动和挑流作用 ，使得泄槽内的水深增大；掺气挑坎对水面线的影响程度与流速、掺气挑坎的体型等因素有关；当泄槽内设置多道掺气槽时，上一级掺气挑坎的体型对下一级掺气挑坎处的水深也有一定的影响。     

气液两相流工况下泵内气相特征数值计算

为研究叶片泵内气相的分布、运动规律,应用计算流体动力学方法对气液两相流工况下叶片泵内流场进行数值模拟,并通过试验进行验证.基于MUSIG模型对泵内气液两相流动进行了数值计算,同时采用Prince-Blanch模型和Luo-Svendson模型描述气泡聚并和破碎过程,揭示了压力分布、不同尺寸气泡分布和气泡平均直径分布.研...     

突扩式跌坎消力池掺气脉动特性研究

高速入射水流进入突扩式跌坎消力池后卷入大量空气，形成掺气水流，气体的存在影响各项水力学指标，对工程安全造成影响。基于物理模型试验，对突扩式跌坎消力池的掺气脉动特性进行探究，分析其掺气脉动幅值特性、概率密度分布特性以及频谱特性。结果表明：无突扩跌坎消力池底板中线的掺气脉动幅值呈沿程衰减趋势，最大值出现在消力池首；突扩式跌坎消力池底板中线的掺气脉动幅值呈先增大后减小的趋势，最大值出现在冲击区；与无突扩跌坎消力池相比，突扩式跌坎消力池可以有效降低底板的掺气脉动强度；消力池底板掺气脉动概率密度曲线不服从正态分布；掺气脉动能量属于低频脉动，随流能比的增大而增大；突扩式跌坎消力池底板在冲击区的掺气脉动能量最大，突扩的存在可有效降低掺气脉动作用在底板上的能量。     

空隙率对钢筋石笼拖曳系数的影响研究

拖曳力系数是研究块体在水流作用下稳定性的重要参数,以往的研究较少考虑空隙的影响。建立了水流作用下具有一定空隙率的正六面体钢筋石笼稳定性的数值计算模型,并通过物理模型试验进行了验证,证明其具有较好的计算精度。在此基础上,通过对不同空隙率的钢筋石笼的计算表明:空隙率越大,拖曳力系数越小,钢筋石笼稳定性越好。拟合得到了拖曳力系数与空隙率之间的关系式,对常用的起动流速公式进行了修正,并得到了物理模型的验证,可用于正六面体钢筋石笼的抗冲稳定计算。     

溢洪道转弯出水渠体型及出口防冲措施优化研究

西洋河水库除险加固工程新建溢洪道通过出水渠转弯将下泄水流在京新高速前导入下游河床，转弯角度达54°。初设方案水工模型试验中弯道水流明显偏向左侧，渠内水流出现波状分界，两侧边墙出现回流，流态较差，导致出口水流扩散后左侧冲向高速桥墩，下游河床冲刷严重，无法满足消能防冲要求。采用FLOW-3D软件对出水渠体型优化方案进行了数值模拟，并进行了推荐方案的物理模型试验。研究成果表明：优化后的矩形断面平坡出水渠，水流束窄效果较好，渠内回流消失，流态明显改善。出水渠体型优化后渠内流速增大明显，因此针对下游防冲措施进行了不同方案对比，并推荐了可行方案。     

滩地植被化的顺直复式河道漫滩水流计算

利用二维数学模型对滩地植被化的复式河道漫滩水流的水深平均流速的分布进行了求解。通过恒定均匀流的假设,对主流方向上的沿水深积分的紊流时均运动微分方程式进行简化得到了相应的控制方程,其中引入植被对水流作用的拖曳力项,并考虑二次流的影响。同时将复式渠道划分为3个子区域,通过联立求解各区域微分方程中的定解系数,最终得到均匀流的条件下各区水深平均流速的横向分布的解析解。通过与试验测得的资料比较,表明计算结果与实测资料吻合良好。     

高海拔下ZGB空化模型的修正及其对水翼空化的影响

空化模型在流体机械的研究和设计中必不可少,但目前缺乏对适用于高海拔工况的空化数值模型的研究。首先基于Zwart-Gerbera-Belamri空化模型,分析和推导了气泡初始半径、气核体积分数等模型中关键参数关于海拔高度的关系式,使模型适用于高海拔环境。然后将数值计算结果与相应实验数据进行了对比,验证了模型的适用性。最后针对NACA0009水翼,在0～5 km海拔高度下,使用修正后的空化模型进行了数值计算。结果表明：相同工况设置下,随着海拔高度的增加,环境气压降低、气核体积分数降低、气泡初始半径增加、压力面最大压力系数基本不变、吸力面最小压力系数略微增加、空穴长度显著增加,当海拔为5 km时,空穴长度增加到约弦长的81%,空穴长度增长率随海拔高度的增加而增加,在4 km处达到峰值0.17后开始降低。     

气泡在横流中的几何及动力学特性

为研究横流中气泡的几何特征和动力学特征,采用向循环水洞中通气的方法形成气泡,利用高速摄像技术对气泡的形态及演化过程进行采集,并基于MATLAB软件编写特定算法,对获得图像中的气泡特征参数进行提取.对气泡的初生形态、受力分析、运动轨迹、上升角度、尺寸与脱离频率进行分析,并获得了气泡终速度和当量直径的线性关系,通过量纲一数的分析,将气泡纵横比与韦伯数相关联,得到以下结论:随着雷诺数的增加,气泡脱离尺寸减小,脱离角度增加并且脱离频率呈线性增加趋势;气泡运动轨迹与静水环境中相似,分为直线段和振荡段,上升角度变化呈正弦规律且随雷诺数增加而逐渐稳定.轨迹随着水流速度的上升逐渐倾斜接近于直线,振荡段摆幅降低;气泡的终速度随着当量直径的增加迅速减小,小气泡的速度上升速度较快;高雷诺数下气泡形变与表面张力的关联可以忽略.     

真空有压管道内伪空化水流试验研究

为了研究真空有压管道内水流特性,采用不同安装高度及上下游水位差进行系列试验研究,量测出各工况下的管道过流流量、压强及压降大小,并对试验结果进行研究和分析。试验结果表明,管道水流在各工况下的最小压强大于水的饱和蒸汽压,空化数大于管道初生空化数,管道水流发生伪空化现象,根据气泡形状和分布把管道水流分为气泡流和气团流;当上下游水位差一定时,随着管道安装高度的增高,管道内水流流量逐渐减小;当安装高度一定时,上下游水位差增大,管道压降增加致使管道流量增大;在上下游水位差作用下,管道通过小流量时,管道安装高度对压降影响很小,当管道通过大流量时,管道断面压降随着安装高度增加逐渐增大;气泡存在增大了水流阻力,阻力随着管道流量的增大呈先增大后减小的规律。     

小湾水电站泄洪洞洞身数值模拟

小湾水电站泄洪洞水头高、泄量大、水力条件复杂,模型试验有缩尺效应等局限性.利用Flow 3D独特的FAVOR网格技术,采用RNG k-ε紊流模型,对小湾水电站泄洪洞9种不同工况展开三维数值模拟研究,获得了泄流能力、流态、水面线、流速、动水压力等水力学要素,并将部分数据与模型试验、原型观测结果对比.研究结果表明,小湾泄洪洞数值模拟计算的泄流能力稍大于模型试验值;有压段均无气囊等不利流态,无压段水流流态平顺,无水流或水翅冲击洞顶,掺气坎后均能形成稳定空腔,且计算结果与模型试验及原型观测基本吻合;沿程水面线与流速分布符合急流变化特征,并与模型试验结果一致;泄洪洞进口、转弯段、渥奇曲线及反弧段压力分布规律与模型试验结果基本一致;数值模拟的各项水力学指标均具有一定精确度,且比模型试验、原型观测所得结果更为系统化,克服了模型试验中个别区域不便测量的缺点.     

矿用多级抢险排水泵气液两相流动特性分析

为研究气液两相流对矿用多级抢险排水泵性能的影响,以一台四级矿用潜水离心泵为研究对象,采用 ANSYS CFX数值模拟方法,基于Eulerian-Eulerian多相流模型,对不同气体体积分数,不同气泡直径、四级离心泵进行气液两相流定常数值模拟.模拟得到气液两相流下的矿用多级抢险排水泵性能曲线及转子轴向力,并对扬程、效率、转子轴向力进行分析对比,同时分析泵内部气体分布规律.结果表明:在气液两相流条件下,气泡直径、气体体积分数都对泵的外特性及转子轴向力有显著的影响,在大流量、气体体积分数比较高的情况下,矿用多级抢险排水泵的扬程和效率会急剧下降,并出现转子残余轴向力与正常运行条件下转子残余轴向力方向相反的情况;内部流动中,气液两相流条件下叶轮出口出现局部回流,回流从吸力面流向压力面.     

基于PBM模型的微孔曝气氧化沟气液两相流分析

为了有效减少氧化沟内污泥沉积,了解其流场特性.对微孔曝气氧化沟进行模拟,模拟中引入群平衡模型(PBM),并验证了PBM模型应用在微孔曝气领域的可行性,在此基础上,建立CFD-PBM气液两相流模型,对微孔曝气氧化沟工艺的气液两相流进行Fluent模拟分析,考察了氧化沟内流速、气含率等流体力学行为.结果表明:耦合模型所得的流速值大于传统模拟结果但更接近于实际流速,其平均相对偏差分别为±8.0%,±8.5%,且收敛稳定,由于将定义一组不同直径的气泡,且考虑到气泡的聚合破碎作用,对泥水混合情况的模拟更符合微孔曝气的特点.在此基础上,建立氧化沟模型进行模拟,结果显示,PBM模型可以考虑到气泡直径微小不一的特点和气泡上升过程的聚合破碎作用,流体混合效果明显,与推流器相结合,不易出现污泥淤积的现象,泥水能够充分混合.     

摇臂式喷头圆射流初级碎裂数值模拟与实验

为探明摇臂式喷头射流碎裂机理,基于VOF多相流模型理论,采用计算流体动力学(CFD)分析软件Fluent,在200~600 k Pa的中低压条件下,使用几何重建(Geometry reconstruction)方法进行界面跟踪,用瞬态PISO方案求解控制方程,对摇臂式喷头圆射流初级碎裂进行数值模拟,获得了初级碎裂液滴直径和射流碎裂长度。采用高速摄影技术进行实验测量,分析了初级碎裂液滴直径和射流碎裂长度模拟值和实测值的相对误差,讨论了初级碎裂液滴直径和射流碎裂长度随喷嘴直径和工作压力的变化情况。结果表明,摇臂式喷头圆射流初级碎裂包括连续段、过渡段和碎裂段3个典型形态,喷嘴直径和入口压力是影响射流碎裂长度和射流初级碎裂液滴直径的主要因素,射流初级碎裂液滴直径D与喷嘴直径d(d5 mm)有较好的相关性(D=1.634d,R2=0.912),初级碎裂液滴直径的模拟值与实测值相对误差为23.92%,拟合精度良好。给出了射流碎裂长度L与韦伯数We的拟合模型,该模型能较好预测摇臂式喷头在低压条件下射流碎裂长度。     

MEMS流速仪流体动力学设计

针对MEMS技术在流速测量的领域的应用,设计了一种基于MEMS技术的在线流速仪。为了优化传感器探头结构设计与芯片选型,利用CFD方法建立流速仪的流体动力学模型,对其施加外部复杂对流-传热耦合热边界条件,进行流固耦合传热计算,得到不同直径的流速仪温度场分布。采用遗传算法对CFD方法计算结果进行拟合,建立了探头温度T与水流速度V及探头直径D之间的修正方程。测试结果表明:传感器探头温度随着水流速度的增加而呈指数形式减小,随着探头外径的增加而减小。当水流速度小于0.1m/s时,探头温度随速度减小变化较快,即该量程范围内测量精度较高。     

水气最大密度比对轴流泵空化计算的影响

利用商业软件CFX的二次开发技术,将滤波器湍流模型(FBM)耦合进软件,并结合均相流空化模型对轴流泵在不同工况下的空化流场进行数值计算,分析了空化模型中的水气最大密度比对轴流泵空化特性计算的影响,并与实验结果进行对比。结果表明:基于RNG k-ε的FBM湍流模型能够较准确地预测轴流泵的外特性;在3种工况下(320、392、480 m3/h),采用真实水气密度比43 197得到的临界汽蚀余量与默认值1 000相比更接近实验值,相对误差分别为1.93%、4.73%和8.09%;随着最大密度比的提高,计算出的空泡面积、空泡含气率和叶顶泄漏涡作用范围也随之增大,这是导致预测的临界汽蚀余量产生差异的原因。     

气流中荷电液滴破碎数值模拟

荷电液滴破碎过程十分复杂，影响因素繁多，并且破碎时间短暂。难以进行试验研究。对荷电液滴的破碎过程进行了分析，根据荷电后液体表面张力的变化，得出荷电液滴耽数的表达式，得出破碎过程的主要影响因素有气液相对速度、气液物性参数以及静电场。在此基础上，选用VOF多相流模型、四边形网格和SIMPLE算法，设定不同的气液相对速度、液滴初始粒径等参数。对液滴破碎过程进行了数值模拟。模拟结果发现耽数不同，液滴有可能出现袋形破碎、剪切破碎或爆炸破碎。对于低粘度液体，We数可以作为破碎类型的主要判别依据。气液参数相同的情况下，荷电液滴耽数大，液滴更容易发生变形破碎。     

设有掺气分流墩的溢流表孔优化试验

针对高山峡谷地区建坝存在单宽流量大、消能范围小、布置困难等问题,结合亚碧罗水电站中的4个高低位溢流表孔,采用模型试验研究的方法,对建筑物的出口段挑流型式进行了整体优化,并对设有掺气分流墩的低位溢流表孔进行了试验。结果表明,高位表孔和低位表孔分别采用窄缝挑坎和掺气分流墩有效解决了消能区域集中的问题;低位表孔出口的四面体优化墩可保持挑射水流的连续且横向扩散充分;溢流表孔直线段设置的掺气设施运行良好;反弧段压力变化符合自由表面凹曲面上水流的压力分布规律,脉动压强的优势频率在0.033～0.201 Hz之间变化;反弧段局部部位的最小水流空化数为0.15,应从施工不平整度和运行方面加以控制。