叶片数对混流泵内部非定常压力脉动特性的影响

为了研究不同叶轮叶片数对混流泵内部流场压力脉动的影响,基于大涡模拟(LES)对混流泵内流场进行非定常数值分析,对比了2种叶片数下混流泵的外特性、叶轮进出口轴向速度分布以及混流泵内各监测点处压力脉动的时域和频域响应.研究结果表明:叶片数对混流泵叶轮进出口的轴向速度影响较明显,随着流量的增加,4叶片叶轮的进口轴向速度和3叶片叶轮的差值逐渐减小,并且3叶片叶轮在叶轮进口具有更高的轴向速度;2种叶片数下各位置处的压力脉动时域图曲线均表现出明显的周期性变化,脉动幅值曲线稳定性较好,导叶出口压力脉动幅值Cp趋于0,但4叶片叶轮在轮毂处的压力脉动呈无周期性变化;2种叶轮进出口附近的主频均为叶频,3叶片叶轮压力脉动频域幅值较4叶片叶轮大,并且在叶轮进出口位置压力脉动频域幅值较高,分频成分较少.研究成果对混流泵的设计优化和揭示不同叶片数混流泵的非定常内部流动特性具有参考意义.     

回射流强度对水翼表面空化形态的影响

为了研究空化发生时翼型上表面的回射流对空化体形态特征和周期性演化规律的影响,建立了不同迎流角下的绕二维水翼流场模型,采用CFD数值模拟方法分析了发生空化时的流场压力、速度和相态分布特点;采用RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对二维水翼空化流动进行了非定常数值计算.分析了空化数为0.91,迎流角分别为4°,10°,12°时,当空化发生时回射流运动特征以及回射流对于空化产生和发展的影响规律,并基于回射流的速度和特征长度等因素,提出采用量纲一的特征数用于描述回射流的强度,分析发现回射流强度是空化体形态改变的重要因素,并提出了空化形态改变的判断依据.结果发现,当特征数处于不同数量级时,对应空泡体的不同周期性阶段;同时,特征数的大小对应不同空泡体类型.     

液力透平变工况瞬态特性的数值分析

为了研究液力透平变工况时的瞬态特性,基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,对液力透平内部流场进行全三维非定常数值模拟,获得了变工况下液力透平内部流场的瞬时压力脉动、轴向力和径向力的变化规律.结果表明:变工况条件下,液力透平内部的瞬时压力脉动更为明显,小流量工况时静压力虽小,但压力脉动幅度最大,大流量工况的压力脉动幅度次之,最优工况时的压力脉动幅度最小;转轮进口动静耦合面处各个位置的压力脉动幅度与所处的位置有关,蜗壳环形出口位置的压力脉动较大,隔舌处压力脉动较小,压力脉动幅度随着流量的增大而增大;转轮进口动静耦合面和进出口的压力脉动主频等于叶频(转动频率与叶片数的乘积);液力透平在各个工况下均有径向力和轴向力存在,变工况下瞬时径向力的矢量分布近似圆形,瞬时轴向力在一个周期内变化趋势为先减小后增大,且存在最小值区域;流量越大,径向力和轴向力越大.     

水下自激脉冲射流装置流场的数值模拟及试验研究

利用自行研制的淹没射流试验平台进行水下自激脉冲射流试验,得到水下自激脉冲射流驻点压力的径向和轴向分布,通过建立相应的物理模型和数学模型,对水下自激脉冲射流内外流场进行了数值模拟,得到装置内、外流场的压力和速度分布,并对计算结果进行试验验证.结果表明:自激脉冲射流在非淹没条件下,有明显的低频脉冲发生,而在淹没条件下,部分射流能量消耗在淹没水流中,以致在腔室内难以形成空化,没有产生明显的脉冲,且驻点压力大幅度减小;不同水深的径向压力分布曲线基本是相同的,近似服从高斯正态分布;轴向驻点压力均随靶距的增大而减小,其衰减特性与连续射流及非淹没情况相似,只是其在有围压情况下衰减速度更快;水下自激脉冲射流装置的内部流场存在轴心主射流低压区、两个对称的负压区、碰撞高压区,并在靠近碰撞体的腔体处产生漩涡,其外流场和冲击射流流场相似,但不存在射流核心区.     

气泡雾化喷嘴泡状流喷雾特征试验与仿真

建立了气泡雾化喷射可视化试验系统及喷嘴内部和喷雾场中气液流动模型;采用试验和仿真方法对一特定可视化喷嘴的泡状流喷雾特征进行了研究。结果表明,喷雾表面存在气相膨胀凸起现象,气相膨胀凸起宽度随液相流量和气液质量比增加而增大,凸起间距随气液质量比增加而减小;在相同气液质量比下,喷雾锥角随液相流量增加而增大,较高液相流量时液相流量的影响变弱,喷雾贯穿距在较低气液质量比时随液相流量增加而增大,较高气液质量比时则减小;低气液质量比时,喷雾形态受气液质量比影响明显,喷雾锥角和贯穿距随气液质量比增加而增大;液滴碰撞率随喷雾轴向距离增加而减小并逐渐趋于稳定;喷孔出口气液流量脉动对喷孔出口截面附近液滴轴向速度的影响只局限于很短距离内;随着与喷孔出口轴向距离增加,液滴直径分布范围变宽、液滴峰值数量减少,液滴峰值直径和液滴直径分布向大直径方向移动;随着与喷孔出口轴向距离增加,大尺度液滴区内液滴粒径增大,大尺度液滴区的径向范围变宽。     

叶顶间隙对诱导轮内部流动特性的影响

为研究不同叶顶间隙值对诱导轮内部流动特性及非定常特性的影响,采用ANSYS CFX软件,基于SST k-ω湍流模型对某高速离心泵在3种不同诱导轮叶顶间隙率(0.01、0.02、0.03)下进行内部流场数值模拟。分析诱导轮内部流动特性、0.6Qd流量工况下轴向截面压力脉动以及诱导轮所受径向力。结果表明:适当增大叶顶间隙对泵的扬程和效率影响较小,但可以减弱壁面射流,改善诱导轮叶片进口压力分布,提高其空化性能。叶顶间隙对诱导轮进口处压力脉动影响较大,对诱导轮中后段处压力脉动影响较小。对本文模型而言,0.6Qd流量工况下叶顶间隙率增加至0.03时,径向力分布情况最好,说明适当增加叶顶间隙有助于减小和平衡小流量工况下诱导轮所受径向力。     

小位差比率射流元件内部流场PIV试验

采用PIV测试技术对小位差比率射流元件内部附壁射流流动进行了测量,得到了射流元件附壁流动速度场分布以及附壁点位置的准确数据,从而为数值模拟研究提供参照和判断。分别研究了流量、位差比率、补气孔距离、盖板尺寸对射流元件附壁流场的影响,并与数值模拟结果进行了对比。结果表明:一定范围内,流量和工作压力对附壁点位置基本无影响;小位差比率下附壁点距离比随位差比率增大而增大,得到了小位差比率下附壁点距离比与位差比率之间的关系式;附壁点距离随补气孔开孔位置变化先减小后增大;位差比率和盖板尺寸对射流元件附壁效果影响较大。     

大型轴流泵反向发电压力脉动及流固耦合

为研究南水北调东线某泵站机组反向发电的稳定性,对流道进行了全数值模拟,以研究反向发电工况的压力脉动及应力分布规律.在导叶进口、转轮进口和出口3个截面设置监测点.计算结果表明,轴流泵在反向发电工况下,转轮进口及出口处监测点的压力脉动时域图呈现周期性变化规律.压力脉动频率受转轮转频影响,集中在低频.转轮进口处中部及边缘处水流压力脉动明显,最大压力脉动发生在转轮出口处的中部水流,压力脉动幅值是转轮出口边缘处的近3倍,是转轮进口处中间及边缘的近2倍.叶轮出口处,压力脉动从轮毂到轮缘逐渐增大.研究结果表明,叶片总形变主要分布在叶片进水侧,其形变沿轮毂到轮缘方向逐渐增大;应力主要集中在叶片压力面与吸力面的根部,最大等效应力出现在叶片吸力面的叶轮根处.最大等效应力值在叶片材料安全范围内,对转轮运转机组寿命及破坏不构成影响.     

旋流式模型泵内部三维湍流场的测量

为获得旋流泵内部三维湍流场的真实情况,设计制造了模型泵并构造了试验装置.运用激光多普勒测速仪（LDA）,对旋流泵最优工况下的无叶腔及叶轮内部速度场进行了测量,得到周向速度、轴向速度、径向速度及其对应的均方根脉动速度分布等.测量结果表明：旋流泵内流场是强制涡旋和自由涡旋的叠加,同时存在循环流与贯通流,与前人提出的流动模型相吻合;无叶腔与叶轮内周向速度分布差异较大;在叶轮进口处,液流已有预旋,流动撞击损失较大;该型泵内湍流脉动呈各向同性.所得结果不仅可用来验证数值计算结果的准确性,而且为旋流泵内部两相流场的深入研究打下基础.     

对冲喷头喷雾场液滴分布特性试验

植保扇形喷头的喷雾扇形面内不同位置处液滴直径是不相同的,呈现接近于U形分布的中间液滴直径小而两侧液滴直径偏大的情况,这导致同高度水平方向上各点处的液滴在靶标上的沉积行为不同,致使防治效果存在差异。本文对出水口孔径1mm和切槽角30°的对冲喷头喷雾场的液滴直径分布特性进行试验,该喷头是基于射流和撞击流耦合作用的新型喷头,发现对冲喷头在喷雾扇形面内的液滴直径呈现中间区域液滴直径较大且均匀而两侧液滴直径较小的特性,如喷施压力0.4MPa时在300mm高度测试面上,喷雾扇形面内中间区域液滴直径在265~268μm,而靠近两侧边缘处的液滴直径在250~252μm,这有利于解决喷杆式喷雾机大田作业时液滴直径分布不均匀的不足;并对喷头这一特性进行理论分析,提出在分裂区的3次雾化（即扰动雾化、撞击雾化和振荡雾化）是引起这一特性的根本原因。同时采用径向不均匀指数对喷雾场的液滴分布均匀特性进行定量表征分析,发现径向不均匀指数能够总体反映喷雾场的非均匀特性,当喷施压力在0.6~0.7MPa范围时,径向不均匀指数在0.47~0.51较小范围内变化,说明在该压力范围内工作时喷头喷雾场具有良好的液滴均匀分布特性。     

基于剪切效应的气动雾化喷嘴试验研究

提出一种基于剪切效应的气动雾化喷嘴,对影响雾化质量的喷嘴结构参数进行试验研究.设计了3种气流孔径分别为8.0,9.0,10.0 mm的喷嘴,以自来水为工质,采用激光粒度分析仪和激光多普勒测速仪对不同喷嘴的雾化性能进行测量;描述气流孔径和气体流量对雾化微粒直径与速度分布的影响,量化并分析雾化微粒直径与速度之间的关系.结果...     

柴油液滴撞击倾斜壁面碰撞速度效应数值分析

采用复合水平集和流体体积法并综合考虑传热及接触热阻的作用建立了液滴碰撞倾斜壁面的数值模型,并验证了模型的可靠性。通过分析计算,获得了柴油液滴撞壁动力学形态的变化规律,揭示了液滴撞壁流动破碎机理,探索了液滴前、后铺展系数和铺展速度、总铺展系数以及壁面平均热流密度的碰撞速度效应规律。研究表明:液滴碰撞倾斜壁面射流和飞溅特征仅出现在前铺展边缘,且射流存在颈部破碎和根部破碎;液滴前铺展边缘射流区域内压力梯度是射流形成、发展及其颈部、根部断裂的主要原因;毛细波的作用是射流颈部和根部破碎的关键因素;碰撞速度越大,液滴的前、后铺展系数和铺展速度、总铺展系数以及壁面平均热流密度均越大;随着碰撞速度的增加,液滴撞壁特性的碰撞速度效应逐渐减小。     

荷电黏性液体射流线性不稳定性分析

根据线性不稳定性理论分析了扰动压强场和扰动电场,对荷电液体射流受力特性进行分析,建立了荷电黏性液体射流色散方程,通过数值计算分析了射流速度、荷电电压及黏度对荷电液体射流不稳定性的影响．研究结果表明：增加射流速度或荷电电压均能使射流不稳定性增加,表面波最大增长率及其对应的最优波数、最大波数均增大,射流破碎形成的液滴特征尺寸减小．黏度的提高使射流趋于稳定不易破碎,表面波最大增长率及其对应的最优波数减小,射流破碎形成的液滴特征尺寸增大,而最大波数保持不变．射流速度在0—1m/s范围内,非荷电与荷电情况下0阶表面波始终存在;非荷电时,只有当射流速度达到一定数值时1阶表面波才出现,荷电后,1阶表面波在更小的射流速度时即可出现;0阶表面波最大增长率大于1阶表面波最大增长率,在液体射流破碎过程中占据主导地位．     

自由圆湍射流不稳定性与界面拟序结构研究

采用两相流动的大涡模拟对自由圆湍射流的流动不稳定性及界面拟序结构进行了数值模拟。通过计算探讨了射流液体的不稳定性机制。研究了喷嘴入口速度及入口扰动对射流近场区的不稳定性和涡结构特性的影响。研究中,对雷诺数在10 000~80 000内施加不同强度扰动后的射流流场进行了系统的模拟计算。结果表明:射流入口速度及外部扰动对射流的稳定性有重要的作用,随射流速度和扰动强度增加,其未扰液核长度下降,表面波尺度减小,射流近场区产生更为丰富(长度尺度多、涡旋强度范围大)的特征涡旋结构;从射流的时均流场看出,在相同雷诺数不同扰动强度(或相同扰动强度不同雷诺数)下射流时均速度沿中心轴线衰减率基本类似;随雷诺数增加,射流对周围流体的正卷吸作用加强,沿流向的径向扩散更为显著。     

轴向射水减弱尾水管低频压力脉动试验

设计了一种从蜗壳引水通过泄水锥向尾水管内进行轴向射水的结构,实现减弱尾水管内低频压力脉动.对轴向射水和无射水情况下混流式水轮机内部压力脉动进行了模型试验研究.分析了4种部分负荷工况轴向射水和无射水时水轮机内部压力脉动幅值特性和频率特性,研究了轴向射水减弱尾水管低频压力脉动的效果.研究表明,在部分负荷工况下尾水管中存在螺旋涡带并引起尾水管壁处强烈的低频压力脉动,其频率约是1/5转频,该低频压力脉动是引起水轮机不稳定运行的主要原因;实施轴向射水后,在各部分负荷工况尾水管中低频压力脉动幅值都有明显减弱,但涡带频率基本保持不变.轴向射水使涡带向下游移动并对双涡带结构起到抑制作用.     

基于弹道轨迹方程的折射式喷头水量分布计算模型

针对折射式喷头水量分布模拟研究较少的问题,通过高速摄像技术测得了不同工作压力和喷嘴型号下水滴射流速度和射流弧度,构建了折射式喷头水束射流速度及弧度的指数模型,在此基础上基于弹道轨迹方程和水滴蒸发模型,采用Eclipse作为开发工具编写出折射式喷头水量分布的计算程序。该软件能够在已知喷头工作参数及环境条件下,模拟出水滴粒径分布、水量分布、能量分布等指标。采用软件计算出不同工况下Nelson D3000型喷头喷洒水力特性,并依据模拟出的单喷头水量分布数据,以24 m平移式喷灌机为例进行多喷头组合叠加,与实测值进行对比,结果表明:基于3种模型下开发出的单喷头水量分布计算软件模拟出的水滴粒径分布及单喷头水量分布与实测值变化的规律相符,模拟准确度较高。不同间距下多喷头组合叠加时,喷灌均匀度相对误差在0.04%~14.77%,变化规律的差异性较小。该软件能够为移动式喷灌机优化设计提供技术支持。     

基于高速摄像技术的生物柴油静电雾化研究

采用2万帧/s高速数码相机对生物柴油单液滴静电雾化现象进行微距拍摄,对比分析了荷电与非荷电时液滴的变形以及运动情况,获得了不同电压下液滴的雾化模式以及锥射流模式中Taylorcone的锥长和锥角的变化。结果表明：液滴粒径随着电压增大而减小,下落速度随着电压增大而增大;荷电后同一型号毛细管中生物柴油的变形率大于水,生物柴油小液滴的变形程度大于大液滴;随着电压增大,液滴依次经历滴状模式、过渡阶段、锥射流模式、多股射流模式,在锥射流中Taylor-cone的锥长与电压呈正比,锥角与电压呈反比;电导率对液滴运动有影响,电导率小的液滴基本沿毛细管轴向运动,而电导率大的液滴既有轴向运动又有径向运动。     

螺旋流排沙管三维数值模拟

涡管排沙以其成本低、效率高等优点而被常常应用于引水明渠的渠首中,但由于涡管尺寸小、流动三维性强等特点,涡管中流动的真实信息很难得到,不利于涡管的优化设计。应用FLUENT软件,以RNG k-ε湍流模型封闭Reynolds方程,SIMPLE算法求解方程组,采用VOF法追踪自由表面,对明渠排沙涡管中流态进行了三维数值模拟,得到了涡管内切向和轴向流速分布的完整信息。分析了水深、排沙涡管开口宽度、涡管直径、涡管与渠道轴线夹角、涡管开口长度和涡管纵向坡度等参数对涡管内流速分布的影响,对于明渠涡管螺旋流排沙设计具有一定的参考意义。     

不同冲击角度下淹没冲击水射流的数值计算

为了研究冲击角度对淹没冲击射流流场的影响,应用计算流体动力学软件Fluent,基于Wray-Agarwal(W-A)湍流模型,对完全充分发展的淹没冲击水射流进行数值计算.研究了在恒定喷嘴高度H/D=3,不同冲击角度(15°≤θ≤90°)条件下射流流场结构和速度分布.将数值计算得到的不同冲击角度下速度分布与PIV测量结果进行比较,验证了W-A模型的预测正确性,同时探讨了冲击角度对计算结果的影响.结果表明:冲击射流沿轴心线的速度v/v_b在势核区基本保持不变,在过渡区降低,在冲击区加速降低;射流在壁面射流区流动发生转向并沿着冲击壁面扩散;射流流场结构高度依赖于冲击角θ,随着冲击角度θ增大,壁面射流横向扩散增强,厚度逐渐减小;当θ=90°时,滞止点及顺流和逆流的过渡点与冲击原点重合;随着冲击角度θ减小,滞止点逐渐远离冲击原点;当θ<30°时,滞止点消失.