水轮机活动导叶端面间隙磨蚀特性数值模拟

为了研究水轮机活动导叶端面间隙固液两相流动的规律,以及间隙上下表面的磨损情况,基于Fluent软件的RNG k-ε湍流模型和DPM模型,结合水轮机活动导叶端面间隙流的简化模型(圆柱绕流和后台阶流),数值模拟了不同进口速度下,沙粒体积分数分别为1%,5%,7%,10%以及沙粒粒径分别为0.020,0.050,0.075,0.100 mm时,活动导叶端面间隙的三维非稳态流动.通过定常数值模拟得到不同工况下间隙上下表面的平均磨损率分布,分析磨蚀规律和磨蚀位置.结果表明:流场中平均磨损率分布受间隙流模型的结构和两相流参数设置影响较大.随着进口速度和沙粒体积分数增大,间隙流模型上下表面平均磨损率增大,磨损主要集中在轴前、台阶下游再附点位置以及间隙流出口处,最大平均磨损率约为2.0×10^-6 kg/(m²·s).随着沙粒粒径增大,由于惯性力作用,模型上下表面平均磨损率减小;在沙粒粒径小于0.020 mm时,磨损情况相比其他粒径更严重,最大平均磨损率约为0.100 mm时的2倍.     

导叶开度对贯流式水轮机性能及流动特征的影响

针对某型号贯流式水轮机,运用ANSYS CFX,分别在导叶开度为1 550,1 405和1 278 mm条件下,对水轮机内部三维流场进行全流道数值模拟,研究导叶开度对水轮机性能及流动特征的影响.通过分析对比3种开度下水轮机水头和效率,同时研究全流道截面压力、速度分布,导叶外环面压力分布,导叶叶片压力分布以及转轮叶片压力分布,得出开度为1 405 mm是与转轮匹配性最佳的导叶开度.进而对最佳导叶开度下水轮机在0.8Q,1.0Q,1.2Q这3种工况下的空化进行模拟,结果发现空化很大程度地降低了水轮机的水头和效率.同时对转轮、转轮叶片以及尾水管的空泡相体积分数的分布进行了分析,得知在设计工况下的空化程度最轻,小流量工况下的转轮内空化比较严重,而在大流量工况下,空化区从转轮出口延伸到尾水管内.     

灯泡贯流式水轮机流道尺寸计算软件设计

针对灯泡贯流式水轮机流道尺寸的计算进行软件开发与设计,实现自动生成流道尺寸图和厂房剖面图的功能。利用C#编程语言和.NET平台技术对其进行编程,包括水轮机的初步选型、灯泡比、导叶高度、进口管宽度、机组间距、转轮室喉管直径、尾水管进口直径、尾水管长度、当量锥角的计算等;利用线性拟合方法对尾水管进口直径的计算进行了整合推导;利用GDI+绘图技术结合AutoCAD二次开发实现绘图功能和CAD图纸的导出。实例验证软件较好地实现了灯泡贯流式水轮机流道尺寸的准确计算,并生成了完整的流道尺寸CAD图和厂房剖面CAD图,对贯流式水轮机的设计工作具有一定的指导意义。     

异常低水头对水泵水轮机压力脉动的影响

为研究水泵水轮机在异常低水头时的压力脉动特性,采用Realizable k-ε湍流模型对水泵水轮机运行于低水头的4个工况点进行了非定常数值计算,得到了蜗壳进口、导叶后转轮前、尾水管的锥管上游和肘管内侧4个监测点的压力信号,并与试验结果进行对比.重点考察了导叶开度37 mm、单位流量0.865 m³/s工况点的压力脉动时域和频域特征.研究结果表明:在异常低水头下,Realizable k-ε湍流模型能够精确地模拟大开度时水泵水轮机的压力脉动;蜗壳入口的压力脉动比较紊乱,在机组刚开启阶段脉动值较大,蜗壳进口压力脉动主频为转频19.78 Hz,说明在此工况下水泵水轮机蜗壳进口的压力脉动受到下游转轮转动的影响;导叶与转轮之间无叶区的压力脉动受到转轮与活动导叶之间的动静干涉作用,呈周期性变化且其主频为叶片通过频率;由于尾水管内部流动及涡带的作用,尾水管内的压力脉动为低频脉动,其主频约为0.35倍转频.     

贯流式水轮机压力脉动及流场特性数值模拟

鉴于目前国内关于竖井贯流式水轮机压力脉动方面的研究工作较少,以某水电站模型水轮机为对象,运用计算流体动力学(CFD)数值模拟,通过改变水轮机导叶和叶片安装角度,揭示导叶角度与叶片角度的变化对竖井贯流式水轮机能量特性的影响规律。通过采用"Second Order Backward Euler"法对水轮机进行非定常模拟,研究在额定工况、小流量及大流量工况下,竖井贯流式水轮机压力脉动变化特征。计算结果表明:随着导叶角度的增大,水轮机效率先减小后增大,但效率变化范围很小;叶片角度的改变对水轮机效率影响较大,在某一角度下,水轮机达到高效率点,并基本保持稳定。额定工况下,压力脉动从进水流道到转轮区,脉动频率基本稳定,出水流道的脉动频率会有所增加,且由尾水管部分产生的压力脉动由尾水管到转轮区、导叶区向前部传递。本文的研究工作为预测竖井贯流式水轮机能量及压力脉动特性提供参考。     

轴向间距对贯流式水轮机水力性能的影响

为了寻找贯流式水轮机中导叶与转轮轴向间距的合理取值,在保证其结构紧凑性的同时,获得良好的水力性能,在其他主要参数不变的情况下,通过试验与数值计算相结合的方法,分别对导叶与转轮之间轴向间距s值为30, 40, 50, 60和70 mm 的微贯流式水轮机模型进行全流场数值计算,研究轴向间距对贯流式水轮机水力性能的影响.结果表明:水轮机的水头随着轴向间距的增大而增加,水轮机的轴功率随着轴向间距的增大呈现先上升后稳定的趋势;综合各流量条件,水轮机通常在适中的轴向间距下取得较高的效率,该模型在s=40 mm时效率达到最高.选择适中的轴向间距可以改善转轮叶片表面压力分布和流态;过大的轴向间距会导致转轮进口发生负撞击,出现脱流现象;转轮出口的湍动能随着轴向间距的扩大而减小.在最优工况下,轴向间距从30 mm扩大至70 mm的过程中,转轮内部的水力损失逐渐增加,增加幅度达到15.6%,而出水管中的水力损失则减小了19.7%,总水力损失呈增加趋势.综合考虑,选用s=40 mm 作为最终方案.     

水轮机泥沙磨损两相湍流场数值模拟

为研究水轮机内部泥沙磨损的固液两相流动特性,应用基于计算多相流动力学理论中欧拉-欧拉方法的代数滑移混合多相流模型,采用多面体网格技术、标准k-ε湍流模型和压力速度耦合的SIMPLEC算法,转动区域应用多重参考系模型,对混流式水轮机全流道进行了三维定常泥沙磨损两相湍流场的数值模拟.利用商业CFD求解器ANSYS Fluent,获得了小开度工况下水轮机泥沙磨损发生的部位与程度,分析水轮机流道内泥沙磨损的特征规律,其中叶片上泥沙颗粒分布模拟结果与真机转轮实际磨损情况相符,表明该方法可以准确预测水轮机各过流部件的泥沙磨损情况,对揭示泥沙颗粒与水相互作用的固液两相湍流场诱发水轮机振动的影响机理及解决工程实际问题具有重要的意义,而且具有较高的工程应用价值.     

超低水头竖井贯流式水轮机转轮数值模拟优化

结合江苏苏北某电站,研究开发了一种设计水头为2 m左右的超低水头竖井贯流式水轮机．基于Navier-Stokes方程,采用SIMPLEC算法对该竖井贯流式水轮机全流道三维定常不可压湍流流场进行了数值模拟,分析了超低水头转轮叶片翼形、直径及安放角对水轮机性能的影响．分析了多个方案的水力性能,选出了最佳的水轮机转轮．结果表明:在满足电站设计要求的情况下,翼型优化后,转轮直径为175 m、叶片安放角为23°时的水轮机,在效率、水力损失等方面都表现出最佳的性能:该超低水头竖井贯流式水轮机在导叶开度为65°,设计水头为21 m时,数值模拟出的流量为1005 m3／s,效率最高为876％．以GD-WS-35水轮机模型试验研究该水轮机的能量性能,在设计工况下,对数值模拟效率最高的水轮机方案试验的结果:模型装置的流量为0398 m3／s,效率为8334％;按原模型转换规律转换为原型装置数据,则流量为996 m3／s,效率为8514％;数值模拟效率比模型试验效率的结果略高,误差范围为±3％．     

活动导叶分布圆直径对混流式水轮机水力性能的影响

对于混流式水轮机,活动导叶与固定导叶以及转轮的相对位置直接影响导水机构和转轮内部流动,对水轮机安全、稳定、高效运行起到重要作用。采用商业软件ANSYS CFX 16. 0对某电站水轮机模型机全流道进行三维数值模拟计算,提出了5种活动导叶分布圆直径方案,分析不同方案下水轮机的外部能量特性与内部流场,寻找活动导叶安放的最佳位置。结果表明:适当增大活动导叶分布圆直径,可以有效改善叶片吸力面的低压区,降低活动导叶流域内水流的最大速度,改善转轮进口水流角,同时减小导水机构与转轮的水力损失。小流量工况下,D_0/D_1增大0. 031,水轮机效率提高了5. 28个百分点;设计工况与大流量工况下,活动导叶分布圆的变化对水轮机效率的影响相对于小流量工况较小,最高效率与最低效率的差值分别为0. 17%与0. 48%。因此,在一定范围内改变活动导叶的分布圆直径具有可实施性,对水轮机的优化设计有一定参考价值。     

水泵水轮机泵工况的压力脉动特性

为研究水泵水轮机在水泵工况时不同操作条件下的水力不稳定性,应用计算流体动力学软件Fluent分别对水泵水轮机三维全流道的设计工况、大流量工况和小流量工况进行非定常计算,同时监测了蜗壳进口、转轮与活动导叶之间、转轮与顶盖之间以及尾水管处的压力脉动.结果表明:水泵水轮机在水泵工况下压力脉动幅值最大的位置位于转轮与活动导叶之间的无叶区,转轮与顶盖之间的压力脉动次之,而蜗壳和尾水管处的压力脉动则比较小;在设计工况下压力脉动幅值最小,并且越偏离最优工况压力脉动的幅值越大;位置不同,影响水力稳定性的主频也不相同,转轮与活动导叶之间压力脉动的主频为叶片通过频率,转轮与顶盖之间的压力脉动的主频为转频的倍数,尾水管处压力脉动同时受叶片通过频率和低频的影响,而蜗壳进口处的压力脉动则主要受低频影响.     

旋转圆盘表面固液两相流动数值模拟及试验研究

基于DPM离散颗粒模型,研究了旋转圆盘表面在固液两相流作用下冲蚀磨损行为,重点分析了颗粒体积分数、颗粒直径、颗粒进口速度等因素对旋转圆盘表面磨损的影响.结果表明,在旋转圆盘表面,磨损量随着半径的增大而增大,磨损量会随着时间而累积增加;当颗粒体积分数由2%增加到5%,圆盘的磨损量逐渐增加,最大磨损量由5.8×10^-7 kg/m²增加到1.3×10^-6 kg/m²,平均磨损量由7.5×10^-8 kg/m²增加到1.7×10^-7 kg/m²;随着颗粒直径的减小,相同体积分数下颗粒数目越多,圆盘的最大磨损量和平均磨损量都逐渐增加,圆盘表面磨损加剧.随着颗粒进口速度的增大,圆盘的最大磨损量和平均磨损量都少量增加.同时经圆盘试验验证,在旋转圆盘表面,随着半径的增大,3种不同材料的试件磨损量都增加,结果与数值模拟相吻合.且磨损形貌由2个磨损区域发展到3个,不同磨损区域的交界线呈抛物线状.     

基于正交试验的高速井泵优化设计

为了提升高速井泵的水力性能,探讨影响其性能的主次因素,以100QJ10型高速井泵为研究对象,按照L18(37)正交表,选取叶片出口宽度、叶轮出口直径、叶片数等7个因素,每个因素选取3个水平,共设计18组叶轮,并分别与同一个导叶装配.应用CFX 15.0软件对18组模型泵进行全流场数值模拟,利用极差分析法研究影响100Q...     

引黄泥沙对黏质盐土的改良效果及其对冬小麦产量的影响

【目的】探究引黄泥沙对黏质盐土的改良效果及对冬小麦产量的影响,找出适宜的引黄泥沙用量。【方法】在黄河三角洲地区进行大田试验,研究不同引黄泥沙用量(0、5、10、15、20、25、30、35kg/m²)对黏质盐土的体积质量、饱和导水率、含水率变化、含盐量以及冬小麦产量的影响。【结果】引黄泥沙降低了土壤体积质量,且土壤体积质量随着引黄泥沙用量的增加而降低;引黄泥沙提高了土壤饱和导水率,且土壤饱和导水率随着引黄泥沙用量的增加呈指数型增加;引黄泥沙降低了0～20cm和20～40cm土层的土壤含水率和含盐量,其中引黄泥沙用量为15 kg/m²时,与不使用引黄泥沙相比0～20 cm土层的土壤含水率和含盐量分别降低了16.61%、22.89%,20～40 cm土层的土壤含水率和含盐量分别降低了12.86%、22.44%。引黄泥沙提高了冬小麦产量,且冬小麦产量随着引黄泥沙用量的增加呈先增加后减少的趋势。其中引黄泥沙用量为15 kg/m²时冬小麦产量最高,为7 530.98 kg/hm²,与不使用引黄泥沙相比提高了3...     

矿粒粒径对深海采矿扬矿泵磨损特性的影响

为研究矿粒粒径对深海采矿扬矿泵过流部件磨损特性的影响,采用DPM模型模拟泵内固液两相流动,并以基于流体动力学的Oka磨损模型仿真颗粒对过流部件的磨损,分析扬矿泵在不同矿粒粒径下的磨损规律.研究结果表明:随着矿粒粒径的增大,首级叶轮及次级叶轮的前后盖板磨损量分布逐渐均匀,前盖板磨损量的集中区域从出口压力面向叶轮中部及进口吸力面转移,后盖板磨损量集中分布区域从进口吸力面一侧向出口压力面一侧转移,叶片进口和出口的磨损面积均逐渐增大;首级空间导叶及次级空间导叶的叶片背面进口磨损面积逐渐增大,在轮毂出口处磨损区域向外逐渐偏移,且该位置磨损面积逐渐减小;当矿粒粒径从1.0 mm增大到5.0 mm时,首级叶轮和次级叶轮的前盖板最大磨损量分别上升132.9%和104.2%,首级叶轮和次级叶轮的叶片最大磨损量分别上升172.3%和142.5%,首级叶轮和次级叶轮的后盖板最大磨损量分别上升251.4%和102.3%,首级导叶和次级导叶的最大磨损量分别下降87.08%和74.26%.     

深海采矿斜流泵颗粒运动与叶片磨损

针对某型深海采矿提升斜流泵,采用k-ε湍流模型和Particle Transport Solid粒子输运模型进行了固液两相流数值模拟,对比分析了不同颗粒浓度(2%~12%)和不同颗粒粒径下(1~30 mm)的颗粒运动规律和叶片磨损情况.结果表明,随着颗粒浓度的增大,叶轮进口区域的颗粒聚集程度上升,导叶流道内的颗粒聚集程度加剧;叶轮叶片的磨损面积和导叶叶片的磨损面积逐渐增大.其中,叶轮叶片的主要磨损位置在叶片前缘,导叶叶片的主要磨损位置在叶片转向处和叶片尾缘.叶片的磨损位置都呈现从叶顶向叶根逐渐发展的趋势;导叶叶片的磨损面积比大于叶轮叶片的磨损面积比;随着颗粒粒径的增大,叶轮出口区域的聚集程度减弱,导叶流道内的颗粒聚集减轻;其磨损规律与不同浓度下的工况相一致,叶轮叶片的叶片压力面为主要磨损区域,而且导叶叶片在尾缘的磨损减小.研究结果可为深海采矿斜流泵的优化设计提供理论依据.     

水泵水轮机不同导叶开口的驼峰特性

为研究水泵水轮机在不同导叶开口下的驼峰特性,对某一电站水泵水轮机模型水泵工况进行试验,得到不同导叶开口下的驼峰特性曲线,结果表明随着活动导叶开口减小,在低负荷区水泵工况扬程越高,扬程趋势越陡,同时驼峰现象更明显,但是驼峰区域变小.在试验研究的基础上,对该模型进行三维实体建模,并进行网格划分,采用SST k-ω模型、标准k-ω模型、RNG k-ε 模型和标准k-ε模型分别对19 mm活动导叶开口下各个工况点进行数值模拟,最终确定SST k-ω湍流模型能够较好地符合试验结果.分别选取13,19,25 mm活动导叶开口进行数值模拟,得到水泵工况的扬程、力矩和效率与流量的关系曲线,与试验结果对比,其变化趋势一致.针对19 mm活动导叶开口低负荷工况点、驼峰区工况点、最优工况点和超负荷工况点进行流动特性对比分析,表明驼峰特性与转轮流道内和固定导叶部分流道内的流动分离及旋涡有关.