上向流水轮机中自由液面流动的数值模拟

为了更加准确地研究上向流水轮机内部流动情况,评价其水力性能,指导水力设计,建立了上向流水轮机（包括蜗壳和转轮）的全流道几何模型．利用非结构化网格划分技术进行流道的网格划分,在转轮叶片、蜗壳导叶等壁面进行网格加密,网格尺度的选择保证满足湍流计算对壁面y+的要求．基于RNG k-ε湍流模型进行水轮机内部流场的求解,利用流体体积法进行自由液面捕捉,得到上向流水轮机在考虑自由液面时的内部流动模拟结果．基于数值计算结果进行了水轮机内部流动的损失分析,研究发现：在水轮机固定导叶和转轮进口之间的流道存在较大的损失,占总损失的73％;内部流动细节显示该区域的台阶结构是损失的直接诱因,同时造成了转轮进口流态恶化;可通过改进上向流水轮机过渡段的设计消除台阶,以改善上向流水轮机能量性能.     

抽蓄机组甩负荷过程压力脉动及流动噪声仿真

为了研究水泵水轮机发电模式下甩负荷过渡过程压力脉动特性及其对流动诱导噪声的影响,以国内某抽水蓄能电站机组为研究对象,基于网格壁面滑移技术与分离涡湍流模型,通过ANSYS软件对瞬态流场进行数值模拟计算,并将所得流场信号作为声场源在LMS软件中进一步开展流动诱导噪声的仿真.结果表明因2个无叶区流态分别受动静干涉(固定导叶与...     

水泵水轮机水轮机制动区的流动特性

为研究水泵水轮机水轮机制动区的不稳定流动特性,根据某抽水蓄能电站建立水力模型,应用计算流体动力学软件Fluent模拟其流动特征．采用SST k-ω模型和SIMPLEC算法计算水轮机制动工况的内流场和外特性,并结合试验数据进行对比验证．结果表明,水泵水轮机在水轮机制动工况随流量的变化水头变化不大,在力矩为0时的水头最低;导叶开度越大,进入制动区时所需的转速越高,且流量越大,可以通过调节导叶开度防止水泵水轮机进入制动区;导叶工作开度下力矩为0时的流场不存在涡结构,随着流量的减小,在叶片和活动导叶的进口以及固定导叶和活动导叶之间出现大量的回流涡,并且呈现出类周期性分布特征;转轮中的回流涡是由于前倾式叶片的倾角较大产生的,导叶中的回流涡是由于流体流动方向与导叶叶片的冲角引起的．以上结论可为水泵水轮机的优化设计提供一定的理论基础．     

基于大涡模拟的水轮机内瞬态湍流场特性分析

基于三维瞬态N-S方程,采用大涡模拟方法中的Smargorinsky模型,应用模拟动静干扰效果较好的滑移网格技术,以标准k-ε模型稳态计算的结果作为初始条件,对某混流式水轮机全流道进行了的三维瞬态湍流数值模拟.用Fluent 6.3,采用非结构化的混合网格和压力速度耦合的PISO算法,成功地模拟了水轮机在运行中的各种瞬态细节过程,如涡旋的卷起、增长、合并、破碎和脱落.模拟结果给出了偏工况下水轮机导水机构和转轮流道内大尺度涡结构的瞬态发展演变过程.计算结果表明大涡模拟方法能较好地模拟水轮机内水流的瞬态流动特性和瞬时涡的发展演化过程,该方法可为探索研究水力机械复杂流道湍流运动状态下涡旋的形成机理提供有价值的参考.     

水泵水轮机制动工况导叶区流动特性分析

为研究水泵水轮机在水轮机制动工况运行时导叶区域产生异常紊动的内流机理,在完成S区特性试验的基础上,基于SST k-ω湍流模型及SIMPLEC算法,对活动导叶小开度制动工况进行非定常数值计算,并与试验数据进行对比验证,对此工况下水泵水轮机导叶区域流场结构和压力脉动规律进行了全面分析.研究结果表明:固定导叶与活动导叶后均存在不同程度的尾迹结构,活动导叶后涡系结构的演变和能量转化是诱发导叶区流动不稳定的主要原因之一;活动导叶进口的复杂流动也增加了冲击损失,对导叶振动造成一定影响;对活动导叶区的压力脉动监测进一步佐证了导叶区流动的不稳定性;通过对时域特性和频域特性的分析发现其相对幅值达到了水轮机及水泵正常运行工况的3倍以上,其主频为叶频,幅值较大且属中频成分,可能引发共振效应.研究结果可为水泵水轮机设计优化提供指导意义.     

基于弱可压缩计算的水泵水轮机超出力分析

为防止超出力工况下转轮内流体流速过高,出现脱流现象,进而导致无叶区压力脉动的升高,研究了水泵水轮机在超出力工况下运行时的水力稳定性.基于非定常、不可压缩流体,建立了三维水泵水轮机水力模型,采用SST k-ω模型对在110%额定功率下运行的模型机组进行数值模拟,预测超出力工况下的水泵水轮机内流场以及压力脉动,对导叶流域的压力脉动演化规律进行分析,并将其与试验结果进行对比.结果表明:在超出力工况下运行时,导叶附近流域压力脉动幅值沿流动方向逐渐增大;在固定导叶与活动导叶之间,压力脉动的主频大小由叶片通过频率的2倍变为1倍;2倍叶片通过频率分量幅值与混频幅值之比在活动导叶流域明显降低.超出力工况下,转轮叶片压力面出现脱流,并且在尾水管中存在1个粗大的涡带,导致机组性能降低.     

非常规水轮机导水部件出口流动的研究

根据非常规水轮机的特点及设计要点,对导水部件及其出口至转轮前的流动模型进行研究,并通过数值计算和性能试验加以验证。研究结果表明:对于非常规径流式水轮机采用流道式导水部件能够明显降低相对水力损失,非对称的斜切管嘴形流道会使出流方向发生偏转,本文研究对象的偏转角可取为射流扩散角,建立的流动模型与实际流动基本一致。所得研究结果为非常规径流式水轮机设计提供了参考依据。     

座环对微型混流式水轮机水力效率的影响

为了使冷却塔节能,使用水轮机代替电机驱动塔内风机,节约电机所需电能。水轮机串联于冷却塔循环水系统中,利用循环水余压工作,水头和流量受限于循环水系统,主轴与风机主轴直联,因此功率小、水头低,属于微型超低比转速混流式水轮机。水轮机的引水部件水力损失大,是水轮机水力损失的主要部分,针对等厚度固定导叶、翼型固定导叶和无固定导叶3种座环进行研究。研究表明：①无固定导叶座环的水轮机水力效率比等厚度固定导叶座环高出10%,利用水头降低了2m,可改进蜗壳设计提高水轮机的利用水头。②翼型固定导叶座环的水力效率比等厚固定导叶座环高出3%,其利用水头相似。     

涡轮出口旋流对扩大管压力回复性能的影响

为了研究涡轮出口旋流动能对入口锥角较大的直线型扩大管压力回复性能的影响,采用数值仿真的方法对其流体力学机理及规律进行探讨.选用可动翼灯泡贯流式水轮机作为研究对象,经水轮机进水管入口、固定导叶、导水机构叶栅、涡轮至尾水管（扩大管）出口实施了三维整体流动数值计算,计算了多运行工况下尾水管压力回复系数Cp,水力损失和比水能损率δD,得到了直线型扩大管内最优旋回动能与最大压力回复性能之间的流体力学关系,进而对于尾水管的水力性能进行了预测.提出了新定义的尾水管出口动能歪曲度Iek,进行了不同旋回入流条件下尾水管内部流动动能的比较.结果表明：Iek和Cp存在一定规律的内在关系,当尾水管动能歪曲度Iek具有最小值时,尾水管压力回复系数Cp最大、比水能损率δD最小.新提出的Iek可作为可动翼贯流式水轮机直线型尾水管内含旋回流动流体品质的评价指标.     

横流式风机内部非定常流的数值计算

提出了一种预测横流式风机内部流场的方法，适用于任意形状的叶片和涡壳。该方法假设流体无粘性，不可压缩，流动为二元流动，采用直接边界元法和离散旋涡法相结合的方法来计算风机的内部流场，同时考虑了涡室上部壁面边界层的影响。为了满足开尔文定理，叶片后缘处有尾涡放出，尾涡的运动用离散旋涡法计算。实际计算了两种不同涡壳的风机。     

带MGV装置水泵水轮机无叶区压力脉动特性

为研究带非同步导叶(MGV)装置的水泵水轮机无叶区的压力脉动特性,以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机为研究对象,基于分离涡湍流模型,针对水泵水轮机在低负荷工况下预开导叶对无叶区流动的影响,选取预开导叶分别为24,33 mm下的水轮机工况为研究对象, 并设计4种非同步导叶布置方案,通过全三维流道数值模拟分析得到机组在低负荷启动时振动的最优方案.结果表明:在预开导叶相对应位置的无叶区处,具有较大的压力脉动幅值;集中分布预开导叶对转轮振动的改善效果优于等间隔分布预开导叶方案;最终选择预开7#,8#和17#,18#这2对活动导叶组情况下对水泵水轮机机组振动的改善效果最为明显.     

导叶对液力透平性能影响的数值分析

为研究导叶对液力透平运行性能的影响,采用CFD软件对无导叶和导叶数为7,9,11的4种液力透平进行数值模拟,分析了有、无导叶及不同导叶数对透平运行稳定性的影响,得到透平运行的外特性曲线. 结果表明,添加导叶可以提高液力透平的效率且效率随导叶片数增多而提高,较无导叶时透平最高效率点的流量增加、压头降低. 内流场分析表明,添加导叶后叶轮流道内的速度分布得到明显改善,其内部区域的旋涡数量减少、旋涡尺寸明显变小;压力分布均匀、梯度较为明显,且随导叶数的增加叶轮的进口静压逐渐增大. 叶轮进口速度矩分析表明,速度矩在有导叶时变化幅度变小,在叶轮进口环面上变化较平稳且分布对称,导叶数为11时其变化幅度值最小. 研究结果表明,透平添加导叶改善了叶轮的入流条件,提高了液力透平运行的稳定性能.     

进水方式对卷盘式喷灌机水涡轮水力性能影响的数值模拟

为揭示卷盘式喷灌机切击式与蜗壳式水涡轮的内部流态特征与水力性能差异,在叶轮与出水管道相同的情况下,采用基于SST k-ω模型的数值模拟方法,对2种进水方式的水涡轮内部流动进行计算分析,并将切击式水涡轮外特性预测结果与试验数据进行对比验证.结果表明:切击式水涡轮叶轮流道内存在大尺度回流旋涡和强烈的叶片侧端间隙泄漏流动,蜗壳式水涡轮叶轮内部压力与流线分布相对均匀,叶片侧端间隙泄漏流动沿周向无显著差异;不同流量下,切击式水涡轮各主要过流部件的水力损失占比基本保持恒定,叶轮内水力损失约占总水力损失的55%,蜗壳式水涡轮各部件水力损失的占比随流量发生变化;2种进水方式的水涡轮外特性曲线变化趋势基本相同,相同工况下蜗壳式水涡轮的效率相比切击式水涡轮效率高18%~22%,两者最高效率分别为35.6%和59.6%.研究结果可为卷盘式喷灌机水涡轮水力设计及结构改进提供一定依据.     

基于正交试验法的微型管道水轮机优化设计

针对感应水龙头使用的干电池带来的环境污染问题,设计研发出了1种微型管道水轮机,初步确定其各过流部件的形状和尺寸,对该水轮机进行多目标优化正交试验,确定了最优试验方案,并进行物理模型试验研究.该微型管道水轮机通过水流和水轮机之间相互作用,将其旋转机械能传递给发电机,产生供水龙头使用的电能.基于正交试验优化理论,在设计流量下,水轮机出力为6.30 W,与初步设计方案相比提高了32.35%,效率为85.13%,提高了2.58%,优化后水轮机出力和效率均达到设计需求.极差分析结果表明:水轮机出力随着叶片数的增加先增大后减小,随着固定导叶数的增加而增大,随着固定导叶开度的增大而减小,对称导叶叶型出力最大;其效率随着叶片数的增加而增大,随着固定导叶数的增加而增大,随着固定导叶开度的增大先增大后减小,负曲度导叶叶型效率最高.研究结果为微型管道水轮机设计和优化提供一定的参考.     

起旋器内部的流速场和涡量场特性

为解决低压管道灌溉中存在的含沙水流淤堵管道的问题,采用了低压管道灌溉的螺旋流输水方式.起旋器是产生螺旋流的主要装置,通过理论分析与试验探索,在起旋器内部通道设置了4个测试断面,并对各测试断面内螺旋流的水力特性进行研究.结果表明：导叶对起旋器内部的流速场和涡量场都有重要影响.在不同半径的柱面上,导流片曲线段区域流速变化较大,且越靠近圆管边壁流速变化越强烈.在相同半径的柱面上,轴向流速变化最大,周向流速变化次之,径向流速变化最小.在导叶的进口产生涡旋,继而涡量不断增加并向无导流片区域扩散,形成了涡量密集区且在有导流片的区域,越靠近圆管边壁涡量变化越快.同时用罗斯比数与埃克曼数的大小来反映水流通过起旋器时水流旋转的强烈程度.起旋器内螺旋流涡量场中罗斯比数小于1,埃克曼数量级为10-6～10-5,表明水流通过起旋器时旋转较为强烈.     

叶片高压边安放角对高水头水泵水轮机性能的影响

基于低比转数混流式转轮设计程序,在保证转轮其他参数一致的条件下,分别设计了3个具有不同高压边安放角的叶片,并采用CFD技术对3个转轮分别进行了5个水轮机工况和5个水泵工况的全流道数值模拟,分析了叶片高压边安放角对水泵水轮机能量特性、水轮机工况转轮的来流和水泵工况转轮与活动导叶的动静干涉现象的影响.研究表明,水轮机工况下,数值计算的叶片冲角绝对值大于给定冲角的绝对值,叶片的负冲角越大,导致转轮进口撞击越剧烈,引起水轮机工况水力效率略有下降,但是对转轮内流态扰动很小.水泵工况下,叶片高压边安放角越大,与其相匹配的活动导叶转角越小;由于安放角2叶片与14°转角的活动导叶和固定导叶三者相匹配,其水力效率相对最高;而其他3种高压边安放角叶片由于不匹配,内部流场出现了撞击、脱流和回流等不稳定现象,引起水泵工况水力效率的严重下降.     

水泵水轮机预开导叶的优化分析

水泵水轮机在S特性区内运行时将发生机组并网困难或者在甩负荷过程中水压异常上升的问题,使机组震动加剧．目前解决S特性的有效方法为预开导叶,即在小开度下预开启偶数个导叶至指定开度来缓解S特性区的不稳定性．为了探究有效的预开导叶方式,首先分别根据预开导叶的数目及位置的不同,设计4种预开导叶方案,通过全三维流道的数值模拟分析找到能够缓解S特性的最优方案;其次对选定的最优方案进行模型试验并与模拟结果进行对比验证．结果表明:并不是预开的导叶数越多,改善S特性越好;等间隔分布预开导叶改善S特性的效果要优于集中分布的预开导叶方案;最终得出在预开2＃,7＃,12＃,17＃ 2对导叶的情况下对水泵水轮机S特性缓解效果最为明显.计算结果与模型试验的对比表明了模拟结果与试验结果趋于一致．