基于流体体积模型的叶轮宽径比对水车性能的影响

为了研究一种环保、简易的微水头发电水车装置,建立了水车在河流中的三维模型,采用流体体积(VOF)模型,压力-速度耦合选择PISO格式进行求解,对不同叶轮宽径比的水车进行非定常流动分析.结果表明:叶轮宽径比为3.93的胸射式水车效率区最为宽广,最优效率最高.叶轮宽径比增大使得流道的阻塞效应增强,上、下游水位差增大,出现明显涡流现象.不同宽径比的水车叶轮叶片转矩呈同一周期性变化,当水车处在枯水期运行时,叶片运动过程中浸入水中的两叶片间会出现回流现象,使得转矩有小范围的极值出现.未浸入水中的两叶片间压力随叶轮宽径比增大而增大.5种叶轮宽径比的水车叶片均在叶尖处正面压力达到最大,且叶轮宽径比为3.93的水车浸水叶片正、背面压力差最大,提高了叶片的做功能力.该结果对胸射式水车的叶轮结构设计与性能分析能够起到指导作用.     

交错叶片对双吸离心泵蜗壳流道压力脉动影响数值分析

压力脉动是引起离心泵机组振动和噪声的关键因素之一,严重影响机组安全稳定运行。采用ANSYS Fluent软件分别模拟某大型双吸离心泵在叶片交错0°、15°和30°时的流态,分析了叶片交错角度对双吸泵水力特性和蜗壳流道压力脉动的影响规律。结果表明:叶片交错角度对双吸离心泵水力性能影响极小;采用两侧叶片交错布置的双吸叶轮能有效降低压力脉动;随着交错角度的增大,压力脉动幅值呈递减趋势;叶片交错布置时蜗壳流道叶频脉动显著减弱,脉动主频由叶频向叶轮转动频率转移。     

分流叶片包角对低比转速离心泵固液两相非定常特性的影响

为了研究分流叶片包角对低比转速离心泵固液两相流动的影响。采用mixture多相流模型及ANSYS CFX软件对5组不同分流叶片包角的低比转速离心泵模型进行固液两相流动的数值模拟。探讨不同分流叶片包角的低比速速离心泵效率、扬程、静压分布、固相体积分数、径向力等的影响因素。结果表明：在清水条件下分流叶片包角φ=70°时，效率到达最高，在固液两相条件下效率均随分流叶片包角增大而降低；固体颗粒主要分布在叶片背面后侧，随分流叶片包角的增大，分流叶片上的固体颗粒逐渐向叶轮进口处扩散，主叶片上固体颗粒分布基本不变；分流叶片包角过大或者过小都不利于减小离心泵的压力脉动和径向力，存在最优分流叶片包角φ=70°。     

基于流体体积模型的叶片数对水车性能的影响

为了研究一种利用微水头发电的水车装置,利用Fluent软件流体体积(VOF)模型模拟明渠无压流动,选用SST k-ω两方程湍流模型和滑移网格旋转模型对不同叶片数的水车在不同转速下进行非定常模拟.结果表明:3叶片水车效率区最为宽广,最优效率最高;3叶片水车上游局部湍流黏度较大,影响范围较小,而8叶片水车上、下游湍流黏度较为平均,影响范围较大;相同工况下,增加叶片数会增强水车的阻塞效应,使上、下游水位差平均增大,但可降低水位差的波动,水位差平均值增大将降低水车出力,水位差的波动对水车轴系的稳定性产生不利的影响;相同工况下,增加叶片数可以提高水车运行中转矩波动的稳定性,但会降低水车的出力,转矩波动使水车在运行中受到周期性不平衡力矩的作用,引起水车结构剧烈振动和叶片疲劳损伤.     

多级轴流泵内叶轮时序效应数值模拟

为研究多级轴流泵内转子时序效应对水泵性能影响,以首、次级叶轮相对角度θ为0°时作为基准,将次级叶轮沿叶轮旋转方向,每9°旋转为一个时序位置,在不同时序位置时用CFD方法对多级泵内流动进行三维非定常数值计算,并对不同时序位置处压力脉动以及叶片载荷分布进行分析.结果表明:以时序位置θ为0°的计算结果作为基准,时序位置θ为36°时泵扬程变化最大为4.6%,此时效率变化率达到1.2%;首级叶轮出口压力脉动幅值和相位受压力脉动影响有微小波动,其中首级叶轮出口压力脉动幅值最大减小16.31%;次级叶轮出口压力脉动幅值、平均时域值、相位都受到一定程度影响,此时压力脉动幅值最大增长48.27%,平均时域值增长1.34%;次级叶轮压力载荷分布,不同时序位置处载荷分布规律相同,时序位置为9°时的叶片上载荷分布明显高于其他时序位置时叶片上载荷分布.     

交错叶片对双吸离心泵性能影响的数值分析

为减小压力脉动对双吸离心泵性能的影响,设计常规双吸叶轮的ES350-585型双吸离心泵进行外特性试验和数值模拟,再将原双吸叶轮两侧叶片交错布置进行数值模拟,交错角度分别为0°,10°,20°,30°.采用Gridpro软件划分结构网格,应用CFX软件对5种方案的双吸离心泵模型进行不同工况下三维非定常数值计算,得到泵内部流场静压分布和压力脉动特性.计算结果表明:采用两侧叶片交错布置的双吸叶轮可以有效降低离心泵内压力脉动;随着交错角度的增大,压力脉动幅值呈递减趋势;当交错角度为30°时,压水室内压力脉动幅值最小,此时压水室内静压分布最均匀.     

变桨距角下水平轴海流能水轮机水动力特性及结构性能

基于CFD对海流能水轮机二维水翼进行数值模拟,通过分析不同攻角下的升阻比,得到了该水翼的最佳攻角.利用Matlab对Wilson设计法进行编程,完成设计功率为20 k W海流能水轮机叶片的三维设计.利用CFD对水平轴海流能整体发电装置及支撑结构周围流场进行了计算,研究了功率系数、力矩系数和轴向力系数在不同桨距角下随叶尖速比的变化情况;采用有限单元法对水动力载荷作用下的水平轴潮流能整体发电装置进行结构计算,探讨了水轮机叶片的应力和应变在不同桨距角下随叶尖速比的变化情况.结果表明:在1°~5°的桨距角范围内,增大桨距角,有利于低转速下启动水轮机;流速过大时,增大桨距角可有效减小轴向荷载及叶片的形变和应力;在最优工况下,水轮机的功率系数达到0.301,并且满足材料强度要求.研究成果有益于海流能水轮机装置的设计和优化.     

侧风对螺旋桨气动特性影响的数值模拟

为了研究侧风对螺旋桨气动性能的影响,基于滑移网格技术, 使用CFD软件求解非定常不可压流动的N-S方程和S-A湍流模型,数值模拟不同侧风倾角下螺旋桨的气动特性.数值计算结果表明:在侧风条件下,螺旋桨的瞬时气动力,包括拉力、侧向力和扭矩,在旋转一周的过程中呈现周期性非定常变化,并且这种周期性变化随侧风倾角的增大更加明显.将一个周期内的瞬时气动力时均化处理得到时均气动力,时均的拉力、侧向力、扭矩以及效率均随倾角的增大而增大,由于拉力的增加幅度大于扭矩的增加幅度,螺旋桨时均效率从0°倾角的54.3%增加到30°倾角的64.3%.通过分析桨叶表面压力分布得出,螺旋桨桨叶迎风面和背风面的共同作用导致螺旋桨气动力的非定常变化,在螺旋桨旋转过程中,迎风面压力增大和背风面吸力增大导致气动力增大,迎风面压力减小和背风面吸力减小导致气动力减小.     

不同桨距角某小型水平轴风机的气动性能分析

为了研究风力机叶片对风力机运行性能的影响.以家用小型风力发电机风轮为对象,利用UG软件得到叶片的三维模型.通过有限体积数值方法求解流动域不可压缩的Navier-Stokes控制方程和k-ω SST湍流模型方程,其中扩散项采用二阶中心差分格式,对流项采用二阶迎风格式,压力-速度耦合采用SIMPLE算法,得到流场变量的数值解.通过分析数值结果,研究了风轮的气动性能,即功率系数、力矩系数和轴向力系数在不同桨距角下随叶尖速比的变化情况:即随着尖速比的增大,功率系数、力矩系数均先增大后减小;随着桨距角的增大,最大功率系数和力矩系数先增大后减小,而最大轴向力系数逐渐减小.同时,展示了不同桨距角下叶片尾部的流线图.通过对风力机叶片气动性能的研究,可为小型水平轴风力机叶片的优化设计提供参考.     

H型风力机新型变桨方案数值模拟

针对H型风力机叶片旋转至0°和180°方位角时攻角为0,力矩系数为负值且其附近较大区域也为负值或较小,由此对风力机整体气动性能产生较大负面影响这一问题,提出以改善小攻角区域性能为目标的新型变桨方案,在叶尖速比为4.5时设计桨距角变化曲线改变整机气动性能.采用动网格技术模拟叶片旋转,RNG k-ε模型模拟湍流影响,应用Fluent软件对变桨和定桨风力机进行数值模拟和分析比较.计算结果得出,变桨之后H型风力机叶片扭矩明显增大,最高提升幅度达14%;上盘面,30°~80°方位角叶片扭矩提升幅度较大;下盘面,除270°附近方位角处扭矩无明显变化外,其他方位角叶片扭矩均有较为明显的提升.变桨后风力机内流场变化也较为明显,流场内速度差异较大,内流场的低速区面积变大.从涡量云图也可得到变桨能有效地减小了叶片进入尾流区的概率,降低了尾流对整体风力机性能的影响.     

叶片出口安放角对单叶片泵性能的影响

为改善单叶片泵的性能,采用数值模拟与外特性试验相结合的方法分析了叶片出口安放角对泵性能的影响.基于SIMPLEC算法和RNG k-ε湍流模型,通过ANSYS CFX软件求解三维N-S方程,对叶片出口安放角分别为10°,14°,18°,22°和26°的单叶片泵内部流场进行了数值分析,得到了泵的速度场、压力场,并获得了泵外特性及所受径向力,数值计算所得扬程与试验结果具有较好的一致性.结果表明单叶片泵扬程、功率、效率均随叶片出口安放角增大而提高,但叶片出口安放角增大到18°以后,由于叶轮内流动滑移加剧,变化不再显著;不同叶片出口安放角单叶片泵内流场整体分布相似,但叶片压力面前端脱流区随叶片出口安放角的增加而增大,压力面的相对速度随叶片出口安放角的增加而减小,隔舌处的流动随叶片出口安放角的增加而变得顺畅;叶轮及蜗壳所受径向力随叶片出口安放角的增加而增大,叶轮所受径向力在设计点工况附近最小,而蜗壳所受径向力随流量增加而减小.     

变角度水面矢量推进器性能分析

现行大方形系数两栖平台在水中排水航行,受到"兴波阻力墙"的影响,速度难以提高。为了减阻提速,以蛇怪蜥蜴为仿生对象,提出了一种变角度的水面矢量推进器,通过角度和转速控制,实现了驱动力矢量输出的新模式;增加了托举力和转矩驱动,为平台水上低阻高速航行提供了新思路。进一步结合PISO算法和两相流瞬态分析,建立了推进器的流体动力学模型,分析了运动参数和结构参数对三维驱动输出的影响,并进行了试验验证。结果表明:叶片角度从0°到90°增大,实现了驱动力输出角从-6.85°到51.95°的矢量连续变化,且存在驱动均衡输出区间[40°,60°];托举力与轮辐长度呈线性关系,且推进力、转矩与轮辐长度呈二次函数关系;随转速增加,驱动输出增加,转速为5 r/s时因流场恢复能力不足导致频率为转速的2倍;托举力随轮毂宽度、直径的增加而减小。研究结果为深入开展推进器驱动调节和平台航行控制打下基础。     

基于双向流固耦合水平轴风力机输出功率分析

针对流固耦合作用影响风力机的气动性能问题,基于CFX与ANSYS对风力机双向流固耦合模拟及未考虑耦合的风力机流场和结构场进行模拟,探究在额定工况下流固耦合作用对风力机输出功率影响情况.通过对比分析耦合前后的叶片表面压力分布、叶片的变形、风轮的扭矩进而研究风力机输出功率的变化.结果表明:考虑流固耦合作用时,风轮压力面的正压值基本不变,吸力面的负压值明显减小,叶片表面的压力差增大,而叶片在流固耦合作用下表面压力分布趋势无明显变化;叶片主要变形集中在靠近叶尖处,且越接近叶尖变形越大,呈非线性分布,叶片在流固耦合后的变形量相对未耦合增大,叶片的变形主要是沿着轴向的挥舞变形;且叶片的扭矩也更大,流固耦合作用下计算风力机输出功率为383 W,比未耦合增大1.6%,与试验值更接近.     

轴流泵马鞍区流场流固耦合数值模拟

为了分析轴流泵不稳定运行马鞍区工况内叶轮的结构,并研究该结构的稳定性,采用雷诺时均离散方法和标准k-ε湍流模型对泵装置流场进行CFD数值模拟,利用ANSYS的Workbench平台,通过单向流固耦合模型对叶轮的应力和应变进行计算,得到了不同工况下叶轮受流体压力作用所产生的等效应力及变形量,研究了叶轮结构的应力和变形量随流量的变化特征.研究结果表明：在40%～75%设计流量下不稳定运行马鞍区,数值模拟能准确地计算轴流泵内部流场,泵装置内部流态随流量的减小逐渐紊乱.轴流泵叶片表面应力分布不均,集中分布在叶片根部,随着流量的减小最大应力逐渐增大,马鞍区工况叶片结构应力有较大的安全余量,满足强度要求;叶片进水边外缘叶尖处变形较大,振动现象明显,最大总变形量随着流量的减小先增大后减小,但大变形区域由叶尖向叶缘扩散.研究结果为轴流泵马鞍区安全稳定性研究提供了一定参考.     

风轮应变与塔架振动关联性的试验研究

为了通过测塔架上的振动信号来推演风轮应变分布规律,利用Pulse 20.0振动分析系统和旋转遥测应力应变测试系统,对运行工况下的风轮应变与塔架振动进行同步测试,研究二者之间的关联性.通过谱分析法发现风轮上的应变频谱的峰值频率和塔架上的振动频谱的峰值频率能够很好地对应,且频率为旋转基频处对应的风轮应变存在一定的分布规律:在翼展方向,从叶根往叶尖的0°(翼展)方向应变先减小后微弱增大,最后逐渐减小;45°方向应变先基本不变,在靠近叶尖的0.87R处应变值大幅度减小;90°(弦长)方向整体应变值呈逐渐减小趋势.风轮叶根处从前缘往后缘方向,0°(翼展)方向和45°方向的应变值先增大后减小;90°(弦长)方向从前缘往后缘方向应变值均逐渐减小.研究为工程应用中风轮实时载荷的监测与诊断提供了一种新思路,具有重要的现实意义.     

变角度水面矢量推进器性能分析

现行大方形系数两栖平台在水中排水航行,受到“兴波阻力墙”的影响,速度难以提高。为了减阻提速,以蛇怪蜥蜴为仿生对象,提出了一种变角度的水面矢量推进器,通过角度和转速控制,实现了驱动力矢量输出的新模式;增加了托举力和转矩驱动,为平台水上低阻高速航行提供了新思路。进一步结合PISO算法和两相流瞬态分析,建立了推进器的流体动力学模型,分析了运动参数和结构参数对三维驱动输出的影响,并进行了试验验证。结果表明:叶片角度从0°~90°增大,实现了驱动力输出角从-6.85°~51.95°的矢量连续变化,且存在驱动均衡输出区间[40°,60°];托举力与轮辐长度呈线性关系,且推进力、转矩与轮辐长度呈二次函数关系;随转速增加,驱动输出增加,转速为5r/s和6r/s时因流场恢复能力不足导致频率减半为转速的2倍;托举力随轮毂宽度、直径的增加而减小。研究结果为深入开展推进器驱动调节和平台航行控制打下基础。     

叶片包角对双吸泵内部流场及水力性能的影响研究

为研究叶片包角对双吸泵内部流场及水力性能的影响规律,分别设计100°、110°、120°、130°、140°等五种不同叶片包角的双吸泵,通过数值模拟与试验相结合的方法,得到大小不同叶片包角的速度云图和压力云图,分析不同叶片包角对双吸泵扬程和效率曲线的影响规律。研究表明:合理增大叶片包角可以提高泵的扬程和效率,改善内流场的压力分布和速度分布,双吸离心泵最优叶片包角为120°。     

三通调节阀分流比及内部流动特性分析

为探究三通流量调节阀的分流比及内部流动特性,应用标准k-ε湍流模型,采用SIMPLE算法,对其内部流场进行三维流道数值模拟.通过改变进口流量及阀芯旋转角度等条件,研究三通调节阀内部流动特性及分流比的变化规律,模拟和试验结果能够很好地吻合.研究结果表明:阀芯旋转角度介于15°~75°时三通流量调节阀能有效分流;随着调节阀角度的增大,水平分流比先增大,在35°左右增大到0.55附近,之后开始减小,在55°左右减小到0.40附近,最后持续增大到1.00,这种变化趋势与水平出流面积占总出流面积的比率变化相同;进口压力随着调节阀角度的增大先增大后减小,在45°左右达到峰值,压力曲线以45°为对称线呈对称形状,这种变化趋势与阀门调节部分入口过流面积的变化相符;在阀门进口段与阀芯的连接部分过流面积收缩节流,导致该处流速最高、阀门进口管部分压力最高.     

叶片出口角对化工离心泵性能的影响

为了研究叶片出口角对化工离心泵性能的影响,以一台比转数为180的化工离心泵为研究对象,将叶片出口角从22°依次增大到27°,37°和47°. 应用ANSYS 14.5软件进行数值计算,结果表明:叶片出口角对外特性影响显著,适当增大叶片出口角可以提高扬程及效率,但也不宜过度增大到47°;随着叶片出口角的增大,叶轮进口的低压区域逐渐向叶轮出口方向扩大,压力分布趋于紊乱,且在工作面附近有逆压梯度存在,会聚集不稳定的低压流体;在额定工况下,叶片出口角小于37°时,压力脉动幅值较小,且高频脉动很小;次主频有随叶片出口角的增大向低频处转移的趋势;4个方案叶轮所受径向力都是在额定工况下达到最小,并在小流量下差异性最大;不同工况下叶片出口角为27°的叶轮所受径向力最小,这说明对非定常特性的影响,叶片出口角存在一个最优值.此外,针对叶片出口角为22°的模型进行了性能试验,对比发现数值计算的结果是可信的.     

射流清洗对微灌过滤器滤网清洗效果及损伤研究

为探究射流清洗技术在农业微灌过滤器清洗过程中的应用,开展射流清洗试验研究,分析入射压力、喷嘴口径、喷嘴扩散角度等3个参数对微灌过滤器滤网清洗效果及表面损伤程度的影响规律.试验结果表明：清洗效果随入射压力、喷嘴口径、喷嘴扩散角度的增大而提升,但提升幅度不断减小;滤网表面损伤程度随入射压力、喷嘴口径的增大而增大,随喷嘴扩散角度的增大而减小,其幅度逐渐减小;通过方差分析可知,射流参数对清洗效果影响程度从大到小依次为喷嘴口径、入射压力、喷嘴扩散角度,对滤网表面损伤影响程度从大到小依次为喷嘴口径、喷嘴扩散角度、入射压力;通过TOPSIS综合评价得到最佳射流参数组合为入射压力0.3 MPa,喷嘴口径3 mm,喷嘴扩散角度80°.