流固耦合作用对筒装料管道车水力输送内部流场特性的影响

为了进一步分析流固耦合作用对筒装料管道水力输送内部流场特性的影响,采用商用ANSYS Fluent 12.0软件对管道流体域与管道车固体域进行联合求解,并将耦合计算的模拟值与试验值进行对比。管道流体域非稳态计算采用雷诺时均动量方程和RNG k-ε湍流模型,管道车固体域瞬时速度与位移的耦合计算采用结构动力学方程。结果表明:模拟值与试验值基本吻合,且管道车运移时瞬时速度、脉动压强、流速分布以及压强分布的最大相对误差分别不超过1.43%、3.16%、5.28%和1.64%,得到采用流固耦合方法求解筒装料管道水力输送的内部流场特性是可行的;随着径长比的增加,管道车车前近壁面区域的轴向流速、径向流速与压强的影响范围增大,涡量幅值的影响范围减小,周向流速的影响范围呈先减小后增大;管道车下游流场的能量耗散与能量转化共同引起了管道车车前近壁面区域出现了低压区,而能量转化使得管道车下游流场的压强又再次回升;管道车的时均压降系数随着径长比的增加呈先减小后增大,且径长比为0.7的管道车时均压降系数最小。该文的研究将为管道车的结构设计与动力学机理分析提供理论参考。     

基于流固耦合理论的离心泵冲压焊接叶轮强度分析

为准确计算冲压焊接叶轮在流场中的应力及变形情况,借助计算机辅助工程（computer-aided engineering,CAE）多物理场协同仿真平台ANSYS Workbench,采用单向流固耦合方法对叶轮耦合系统进行仿真计算。结果表明,各工况下叶轮应力分布明显不均,并在局部出现应力集中。叶轮变形的总位移随半径的增大不断变大,并在叶轮边缘达到最大值。叶轮最大等效应力在0.6倍设计流量工况下为48.7 MPa,随流量的增大不断减小。叶轮总变形的最大位移在小流量工况下最大为0.0234 mm,随流量的增大先减小后增大,并在1.2倍设计流量工况下出现最小值0.0170 mm。为提高叶轮可靠性,应尽量避免其在小流量工况下运行。计算结果为冲压焊接叶轮的结构设计及分析提供有效依据。     

基于流固耦合的船用离心泵转子应力应变及模态研究

为研究流固耦合作用对船用离心泵转子应力应变及模态的影响,该文以125clla-13型船用离心泵为研究对象,分别进行了非耦合和双向耦合瞬态非定常数值模拟,基于计算结果,对比了2种计算方式下最后一个旋转周期扬程的变化情况,重点分析了不同瞬态相位下单向和双向耦合方式对叶轮应力应变的影响,并在此基础上对基于流固耦合的转子模态进行了多相位分析。研究结果表明,各瞬态相位下双向耦合扬程预测值均比非耦合大,且双向耦合下波峰附近扬程预测值有局部波动;叶轮最大变形量位于后盖板上的流道出口边中间位置附近,最大应力值出现在叶轮出口后盖板与叶片背面交接处,各相位下双向耦合最大变形量和最大等效应力均大于单向耦合,流固耦合方式对叶轮应力应变有一定影响;叶轮最大变形量和最大等效应力位置及大小随瞬态相位变化而变化,叶轮流道中间区域扫过隔舌时,最大变形量出现极小值,且2种耦合方式下最大变形量位置变化不同,当叶片处在蜗壳第八断面附近区域时,最大等效应力出现极大值,2种耦合方式间最大变形量和最大等效应力的最大差值均出现在6°相位下,分别为0.17×10-5 m和0.296 MPa;流固耦合方式对转子模态的影响极小,瞬态相位不同,转子模态频率及振幅均出现一定幅度的脉动,最大频率脉动为0.9 Hz,最大振幅脉动为1.62 mm,均出现在第5阶模态处。该研究可为船用离心泵减振设计及结构优化提供参考。     

基于双向流固耦合的贯流式水轮机动力特性分析

为了深入研究流固耦合作用对贯流式水轮机转轮动力特性及内部流场的影响,文中采用商业软件CFX和ANSYS APDL对贯流式水轮机流体域和固体域进行耦合求解,分析了耦合作用对结构应力及应变的影响,并将耦合数值计算得到的转轮外特性与实测值进行了对比。结果表明:考虑耦合作用后,转轮的效率、水头与耦合前相比都有不同程度的下降,最大值分别为0.6%、0.21 m。同时在靠近叶片出水边轮缘附近,耦合后压力面与吸力面压力差有所下降,说明耦合作用会降低转轮的水力性能。2种耦合计算方法求解得到的叶片的等效应力分布基本一致,应力集中都出现在转轮叶片与枢轴法兰联接处,同时双向耦合下最大等效应力的主频与单向耦合相比有明显下降的趋势,由于双向耦合考虑了结构在运动过程中周围水体与结构的相互影响。该研究为实际工程中准确地进行转轮的水力性能预估和叶片结构在水中瞬态响应计算提供了参考。     

流固耦合对加筋土边坡力学行为影响的弹塑性分析

分析了在考虑地基土体中流体与固体耦合作用情况下加筋土边坡的力学行为,采用Biot固结理论说明了土体中流体与土体耦合作用的机理。通过数值计算比较了在考虑地基土体中流固耦合作用及不考虑流固耦合作用2种情况下,土体的侧向位移、沉降及筋材应变等特点,并与试验路的测试数据相比较。研究结果表明,考虑流固耦合作用的分析与实际情况更吻合。所以,在今后加筋土边坡的力学行为分析中,应尽可能计入流固耦合作用的影响,该研究成果对加筋土边坡的工程实际有一定的指导作用。     

考虑流固耦合作用旋转波纹管固有频率计算的有限元法

该文提出用有限元法计算考虑流固耦合作用的旋转波纹管的固有频率。将波纹管用两节点旋转锥壳单元离散化,单元之间以节点环相连接,将载荷和位移沿环向展开为傅立叶谐波级数,降低了计算维数,减少了计算自由度和计算机时。推导出考虑波纹管与管内流体动力耦合作用的旋转波纹管动力方程,计算出旋转波纹管的固有频率,可为工程中波纹管的动力设计提供理论依据。     

考虑流固耦合的厚壁输水管水锤和振动特性分析

厚壁管对瞬变流具有很高的抗风险能力,在输水系统中得到了广泛的应用。为了研究厚壁管中流固耦合现象,该研究考虑轴向应力的缓冲效应,基于薄壁管流固耦合分析模型(薄壁模型),建立并提出了适用于厚壁管流固耦合一维模型(厚壁模型)。采用有限体积法对模型求解,压力振荡数值结果与已有的试验结果峰值相对误差低于4.5%,说明厚壁模型是可靠的。在此基础上,从压力振荡、波速及管道振动角度比较了2模型差异:薄壁模型和厚壁模型模拟波速与试验结果相对误差分别为4.6%和1.3%;相对薄壁模型结果,厚壁管模型显示压力振荡周期和幅值均增大,流体模态频率和结构模态频率分别为6.44和17.72 Hz。此外,当输水管道厚径比<0.05,厚壁模型仍具有一定可靠性。该模型扩展和改进了常用薄壁模型,使其同时适用于厚壁管及薄壁管流固耦合分析。     

有机玻璃材料的浓缩风能装置流固耦合分析

用于制造浓缩风能装置的材料直接影响浓缩风能型风力发电机的推广及应用。该文通过流固耦合分析方法,对有机玻璃用于制造浓缩风能装置的可能性进行分析。采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件对浓缩风能装置在特定风场下进行仿真模拟,得到了不同温度下浓缩风能装置所处流场的风速和风压分布。将不同温度下的流场计算风压分布结果作为载荷加载到对应温度下的浓缩风能装置上,得到该装置在不同温度下所受最大应力。这些不同温度下的最大应力均远小于有机玻璃在对应温度下的断裂应力,如温度为293.15 K时该装置所受最大应力为1.5378 MPa,而该温度下有机玻璃的断裂应力为71.704 MPa,因此有机玻璃在强度上满足浓缩风能装置要求,可以用于制造浓缩风能装置。当选择泊松比、杨氏模量和断裂应力均随温度发生变化的材料作为流体机械备选材料时,该研究过程可以为其可行性研究提供参考。     

采用熵产理论的离心泵断电过渡过程特性

该文对商业软件ANSYS CFX进行二次开发,通过自定义函数求解角动量方程获取实时转速,建立了模拟离心泵事故断电过渡过程的三维瞬态数值计算方法,获得了离心泵外特性参数瞬变规律以及内部流场的动态特性。进一步采用熵产理论获得了离心泵事故断电停机飞逸过程中过流部件流场能量损失分布情况,并对流场内随时间变化的能量损失进行定量评估。结果表明:在整个事故断电飞逸过程中,熵产与离心泵外特性之间存在着明显的相关性,能量损失的产生与流场内部的流动分离、回流、漩涡等不良流动现象相关;叶轮、导叶与引水管的主要损失均是由湍流耗散引起的,其壁面熵产占总熵产的10%~15%左右,不可以忽略,而蜗壳区的损失则主要是由近壁面处的强壁面效应引起的;通过分析各部件流场局部熵产率分布随时间的变化情况,可以得出在制动工况中内流场的高损失区域最大。     

基于流固耦合的分动器齿轮两相流动数值模拟与试验

针对分动器齿轮啮合传动中,润滑油运动过程缺乏研究和油压油速等相关参数不确定的问题,应用数值模拟与试验相结合的方法进行了详细的分析。建立分动器齿轮流场三维模型,基于流固耦合理论,应用Fluent UDF命令设定齿轮动网格运动,建立VOF两相流模型进行数值模拟,结果表明:0～0.5T(小齿轮以400 r/min速度旋转一周耗时为1T)时刻,从动大齿轮旋转带油对啮合区润滑起主要作用、速度流线在啮合区附近出现明显的漩涡现象、啮合齿面间压力值相对较大、两相流模型的改变对齿轮带油润滑效果有较大影响;应用高速摄影技术,对透明分动器壳体内流场流动情况进行观察试验,其油面波动与数值模拟结果作对比,最大误差为12.2%,误差较小,表明试验与数值模拟的分析结果相吻合。研究成果为下一步改善分动器齿轮润滑方面的工作提供参考。     

进口弯管及前置扰流子对离心泵性能影响

为提高离心泵运行性能,设计了3种弯管前置扰流子。利用计算流体动力学软件FLUENT中提供的多重参考系(MRF)模型,采用标准k-ε模型和SIMPLE算法求解不可压缩Navier-Stokes方程,对带有不同进口弯管及扰流子的离心泵在设计工况下进行全流场数值模拟。结果表明:离心泵外接弯管上90°弯头的转向半径R和入口直管段长度L对泵的运行效率均有影响,其中转向半径的影响更为明显,通过适当的增加R和L可有效地提高离心泵的运行效率,效率最高可达81.98%。而在弯管前端安装扰流子后,泵的入口流动状态可以得到很好的改善,进而提高离心泵的运行效率和抗汽蚀性能,其中以CJ-3406翼型扰流子性能最佳,效率最高可提高4%,而采用3307b翼型扰流子时有效汽蚀余量最高可提高近0.2 m。该文为实际生产中如何改进入口管路和提高离心泵的运行性能提供了新思路。     

螺旋离心泵内回流涡空化特性

为了研究回流涡空化特性,对一台螺旋离心泵内部的空化流动进行了可视化研究,在一定的工况下该泵内部发生了回流涡空化,捕捉到了不同流量下螺旋离心泵内部回流涡空化形态,发现回流漩涡空化中存在2个旋转的空化云,并且随着流量的减小,回流涡空化云体积逐渐减小;对该泵进行了数值模拟,发现随着流量的减小,泵进口外部形成的回流区域变小,从而导致回流涡空化云体积逐渐减小。该文对螺旋离心泵内回流涡空化体积演变机理的深入研究提供了参考。     

不同口环间隙离心泵性能及水力激励特性分析及试验

为进一步研究改变口环间隙所产生的影响,该文通过改变口环间隙大小,采用数值计算与试验相结合的方法,研究了离心泵内叶轮所受径向力以及压力脉动的变化。分别采用0.25、0.5以及0.75 mm的口环间隙,进行数值计算和试验。通过对叶轮外表面的压力场求解和分析,得到不同口环间隙对叶轮所受径向力的影响,通过试验测得的各监测点的压力脉动数据进行分析。结果表明:模拟所得扬程与试验结果较为吻合。叶频所对应的压力脉动幅值在前腔进口处,口环间隙为0.5 mm的方案约为0.25 mm方案的3.1倍,在叶轮出口处约为1.3倍;口环一周的平均压力脉动在0.75 mm时最小,此时约为0.5 mm方案的0.81倍;叶轮进口及其上游的压力脉动以0.75 mm方案最小,约为其他2个方案的0.67倍,说明口环间隙为0.5 mm时离心泵前腔及进口处的压力脉动最大。叶轮所受径向力随着口环间隙的改变呈现非线性变化,小流量及设计工况时0.75 mm方案的径向力最小,设计工况时0.25 mm方案的径向力最小。通过研究不同口环间隙所诱导的压力脉动及径向力的变化,对离心泵的传统设计进行了一定的补充,并且对口环的设计提供了参考。     

输送多组分介质的离心泵内部固液两相流特性

为了研究固液两相流离心泵输送含有多组分介质的规律,该文以一台离心式固液两相流泵作为研究对象,使用Fluent中的Eulerian多相流模型描述固液两相流动特征。首先选取了3组直径不等的单分散颗粒群作为固相,发现粒径越大,工作面的颗粒浓度越高,固相离析作用越明显。随后选取了5组直径递增的颗粒群作为固相,每组颗粒群包含两组相同的单分散颗粒群,结果表明同一台泵内两组相同的颗粒群的运动特征相同,同时两组相同的颗粒群的浓度之和、速度之和及外特性与单独输送单分散颗粒群的变化规律相似。最后选取了5组粒径不相等的两组颗粒群组合而成作为固相,大颗粒群粒径不变,小颗粒群粒径递增,结果发现不等直径双颗粒群组合与单颗粒群或者等直径双颗粒群有所区别,大小颗粒在内部流动上表现出了独立性和相互影响的现象,小颗粒群的运动特征与单分散颗粒群类似,由于小颗粒的存在使粒径均为0.7 mm的大颗粒体积分数分布发生了变化,小颗粒使大颗粒在泵内分布更加均匀,随着小颗粒群粒径增加,泵的扬程、效率和总压差先急剧上升随后缓慢下降,粒径为0.7和0.15 mm组合时扬程为80.12 m,达到最高值。该研究可为进一步研究多组分介质对泵性能的影响提供参考。     

半开式离心泵变工况叶顶间隙的流动特性

为研究不同工况下,叶顶间隙对半开式叶轮离心泵内部流场及外特性的影响,该文对某半开式叶轮离心泵内部三维湍流流场进行数值模拟。揭示了离心泵内不同工况下叶轮流道和叶顶间隙层内的流动规律,对比分析了4种不同流量工况下叶顶间隙泄漏涡的流动特性、叶顶间隙层总压与相对速度分布,以及流量的变化对离心泵外特性的影响。结果表明:在小流量(设计流量为1.5 m3/h)时,间隙层内充满了泄漏涡,随着流量的增加涡核逐渐减少;大流量时涡核几乎消失,但此时流体速度激增,流动冲击损失变大在叶轮出口与间隙层附近存在着大面积回流,小流量时回流几乎占据了整个出口。通过模型泵外特性试验,验证了数值计算的准确性。该文为离心泵叶顶间隙设计及水力优化提供了参考。     

旋转失速条件下离心泵隔舌区动静干涉效应

为研究旋转失速条件下离心泵隔舌区动静干涉效应和流动特性,采用大涡模拟方法对一离心泵进行了数值模拟,得到了水泵内部流场和隔舌区压力脉动特性。对不同旋转时刻的内部流动进行分析,发现当流量小于0.75倍额定流量时,叶轮中发生了旋转失速,并且由于隔舌附近逆压梯度较大,当叶轮流道通过隔舌处时会发生"固定失速"的流动现象。对旋转失速条件下蜗壳上的压力脉动进行分析,发现蜗壳隔舌处的压力脉动幅值最高,沿着流动方向依次减小。当旋转失速发生以后,蜗壳上的压力脉动幅值约为非失速工况下的2~3倍,并随着流量减小,压力脉动主频幅值增大。在旋转失速初始阶段,隔舌区"固定失速"对压力脉动的影响较弱,旋转失速的影响占主导,蜗壳上的压力脉动主频为0.5倍叶频;而当流量进一步减小至0.25倍额定流量时,隔舌区的"固定失速"对压力脉动的影响作用增强,削弱了旋转失速的作用,蜗壳上靠近隔舌区的压力脉动主频为叶频,而远离隔舌区的位置受"固定失速"影响较小,旋转失速的影响占主导,主频仍是0.5倍叶频。该研究结果可为离心泵机组运行稳定性提供参考。     

离心泵叶轮内部流场的数值计算

为弥补基于传统一元理论方法中流场计算的不足,该文基于流体的连续方程和运动方程,用Fortran语言编程实现了离心泵叶轮内部流场的数值计算,S1流面上采用有限单元法、S2流面上采用流线曲率法,2类流面迭代计算直至收敛得到离心泵叶轮内部流场分布。对2类相对流面方法计算得到的叶轮内部流场进行了分析。结果表明,叶轮内部相对速度分布合理,叶片头部受冲击作用,压力面和吸力面流速相差较大。叶轮内部压力分布从进口到出口逐渐增大,梯度较小,叶轮做功平稳,进口处压力从后盖板到前盖板逐渐降低。同时考虑流体的连续方程和运动方程后,对比传统一元理论方法的计算结果,计算得到的轴面速度从后盖板到前盖板间各条流线的分布规律相差较大,在叶轮进口段差别最大,具有较强的三维特征,表明本文数值计算结果可更好地反映离心泵叶轮内部的三维真实流动规律。     

叶顶间隙大小对螺旋离心泵内部压力脉动的影响

叶顶间隙大小是影响半开式螺旋离心泵内外特性的重要因素之一,为充分探究叶顶间隙大小对其内外特性的影响程度及作用机理,该文以一台比转速237的单叶片螺旋离心泵为研究对象,通过设计叶顶间隙专用调节机构,分别调整叶顶间隙大小至0.3、0.5和0.8 mm,与叶轮外径的比值分别为0.13%、0.22%和0.35%。针对3种叶顶间隙大小情况,同时进行外特性试验和压力脉动试验研究。压力脉动的监测点包括叶轮进口边、叶轮中部、蜗壳第三断面和蜗壳隔舌附近。结果表明叶顶间隙大小与叶轮平均直径的比值应介于0.13%~0.22%之间。同时,结合压力脉动试验获得的实测压力波形图、压力系数波形图及频域图,分析了单叶片螺旋离心泵内部压力脉动的规律,为半开式螺旋离心泵的减振降噪提供参考和借鉴。