水力旋流器及其网络系统数学模拟技术进展

从理论和实际经验模型两方面对单级水力旋流器和旋流器网络系统进行了总结分析,通过对国内外近年来水力旋流器及其网络数学模型建立与模拟研究的分析,提出了今后研究的重点及发展方向。     

液力耦合器三维瞬态流场大涡模拟与特性预测

采用大涡模拟、流动控制方程耦合求解法及多可动区域计算的滑动网格法,对液力耦合器内部瞬态三维流动控制方程组进行了耦合求解.对三维流场模拟结果进行深入分析,以进一步了解耦合器内部流动规律,优化设计其结构.同时,根据三维流场数值解计算了各个工况下液力耦合器叶轮转矩,进而预测其性能,将性能预测结果与实验结果进行比较,二者误差在7%以内,验证了大涡模拟方法及特性预测的准确,说明采用的液力耦合器流场的模拟方法具有良好的工程应用价值.     

轴流泵前置导轮内部流场的大涡模拟

前置导轮自身具有优良的进口性能,能够改善主叶轮的进口条件,使用盒式滤波器将连续方程和动量方程经空间滤波得到大涡模型.采用CFD软件,对设计工况下带有前置导轮轴流泵进行三维不可压缩湍流数值模拟.分析了前置导轮内部流场的压力、速度和流线分布情况.结果表明,导轮叶片静压由进口到出口不断增大,提高了轴流泵抗汽蚀性能;叶片进口背面有一个低压区,此处易发生汽蚀;叶片表面的压力分布不仅沿叶片导程的方向逐渐增加,径向上也有增加,且没有发生较大的冲击和二次流现象;流线沿导轮型线良好地缠绕,没有出现回流、漩涡等现象.结果对轴流泵的设计、改进和优化提供有益的参考.     

离心泵螺旋形压水室内流场的大涡模拟

用大涡模拟方法计算了离心泵螺旋形压水室内部非定常湍流。用具有二阶时间和空间精度的流线迎风有限元格式对滤波后的Navier-Stokes方程进行离散,用标准Smagorinsky模型作为亚格子尺度湍流模型。计算表明,按等速度矩法设计的压水室径向断面上存在较强的二次流,流动具有明显的非定常性。     

基于CFD-DEM耦合的水力旋流器水沙运动三维数值模拟

针对水力旋流器内流场运动复杂、沙粒运动规律难以掌握的问题,运用基于颗粒动力学理论的欧拉-拉格朗日液固多相湍流模型,对水力旋流器内的水沙两相三维流动进行了CFD-DEM耦合数值模拟研究,分析了水力旋流器内单个沙粒的轨迹线、速度和沙粒群的运动规律、分布特性等。模拟结果表明,沙粒粒径越小,沙粒向下运行的距离越短,越容易从下降流中进入到上升流中,越难以分离。粒径为40μm的沙粒,在圆柱体与圆锥体交界面处出现沙粒峰值,分离效果易受影响,而50μm和60μm沙粒在圆锥体部分出现峰值,具有较好的分离效果。通过跟踪单个沙粒和沙粒群的运动可知,沙粒在圆柱体内主要作圆周运动,进入到圆锥体部分,沙粒既有圆周运动,又有明显的进入沉沙口的直线运动。分析大量沙粒个体和群体运动以及群体分布情况能从微观角度了解水力旋流器的分离效率,是水力旋流器性能研究的有效手段。     

基于大涡模拟的贯流式水轮机压力脉动分析

基于大涡模拟的Smagorinsky-Lilly动态亚格子模型,分别对灯泡贯流式水轮机的7个不同工况进行了非定常计算,得到了每个工况下流道内关键位置处测点的压力脉动信息。研究表明:该贯流式机组流道内压力脉动均含有转频分量,且距离转轮越近脉动越强;转轮区压力脉动最强,且脉动频率为叶片通过频率的自然数倍(5 n fn);尾水管的压力脉动主要由尾水涡带引起,叶片转频的影响可以忽略,尾水管中心区域的脉动强度大于外围;流道内压力脉动总体强度与水头和出力呈近似线性的正相关,而与流量、效率没有显著关联。     

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.     

水跃区脉动壁压的大涡模拟

应用大涡紊流模型,对水跃区脉动壁压特性进行的数值计算。研究表明,通过合理选择固体壁面的当量粗糙度和Smagorinsky常数,可以得到计算域内任意点的脉动压强时程线。与试验结果对比可知,由大涡模拟得到脉动壁压的时均值、标准差、概率密度和功率谱密度等与试验结果吻合较好,表明可以应用大涡模拟方法研究水流的脉动壁压。     

有挡板渠道中污染物扩散的大涡模拟

渠道中的突出建筑物对流场结构和污染物扩散过程有着重大影响,增加了预测污染物浓度分布的难度。为了探索使用数值模拟的方法来研究这种复杂流场下污染物扩散的适应性情况,采用大涡模拟（LES）方法计算了设有两个挡板的渠道中的非定常流场和污染物浓度分布。通过Smagorinsky-Lilly亚网格模型计算亚格子应力,在已知流场信息下直接求解三维污染物对流扩散方程。大涡模拟得到的浓度值计算结果与试验数据吻合较好,其准确性明显高于雷诺应力模型的计算结果,从而表明大涡模拟模型在此类问题中的可行性。     

射流泵液固两相流特性三维大涡模拟

为研究射流泵的三维液固两相流动特性,应用计算流体动力学（CFD）方法模拟其内部流动特征.采用LES方法和混合模型对射流泵在输送固体颗粒时的三维流场进行了数值模拟,分析了不同的固体颗粒直径、固相初始体积分数及流量比等参数对射流泵液固两相射流的湍射流场及射流泵基本特性的影响.结果表明：在较小的流量比条件下,固液两相流射流泵的压力比和效率与清水时的差别不大;但是在较大的流量比条件下,随着固相初始体积分数的增大,基本性能曲线与效率均下降,且流量比和固相初始体积分数越大时,其下降幅度越大;在固相初始体积分数和固相颗粒直径一定时,流量比越大,充分混合后的含砂体积分数将随之增大.固体颗粒直径越大,则越容易产生局部体积分布集中的现象,易在射流泵内形成堵塞.研究结果为工程实际应用提供了一定的技术支持.     

基于大涡模拟的射流自吸式离心泵非定常流动分析

为了研究射流自吸式离心泵的非定常流动特性,选取内置射流喷嘴的自吸式离心泵作为研究对象,在定常数值计算的基础上采用大涡模拟技术对其进行了非定常数值求解,获得了全流场的流动信息,以第4圈收敛后的流场为例,分析了1个周期内不同时刻下的流场变化规律,并监测射流器内监测点的压力脉动,通过快速傅里叶变换(FFT)分析了监测点的频域特性.结果表明:在1个旋转周期内低压区始终位于射流器直线段,高压区位于泵腔内;靠近叶轮进口位置监测点的压力脉动值要小于靠近喷嘴附近的值;设计工况下,各个监测点的压力脉动最强频率在290.06 Hz附近,监测点的数值模拟主频与理论计算所得的转频与叶频略有偏差,压力脉动集中在fn~3f_n区间的低频区域.     

旋流自吸泵突台结构数值模拟及对性能的影响

基于大涡模拟方法,设定适当的边界条件,利用三维非结构四面体网格进行网格划分,采用有限体积法对控制方程进行离散,应用CFD软件Fluent对旋流自吸泵的内部三维湍流流场进行数值计算,得到泵内部流场的分布情况以及突台附近区域的流动情况.为了研究突台结构对性能的影响,对应不同突台结构,分别计算了不同工况下的流动情况,预测旋流自吸泵的宏观性能并绘制了性能曲线.通过对数值模拟结果的分析和对比,在获得旋流自吸泵宏观性能曲线的基础上,分析突台附近区域的内部微观流场与宏观外部特性之间的关系.结果表明,突台结构对扬程、效率影响较大,而对于功率影响较小.基于CFD辅助设计,通过对突台尺寸参数不同方案的性能的对比分析,获得突台尺寸参数的最佳值,从而为泵的改进设计提供参考.     

基于沙里寨水文站水面流速系数分析研究

在实测河道流量时,往往因为洪水涨落急剧、洪峰历时短无法采用多点法施测流速;或在采用浮标法及缆道流速仪法施测流量时,多采用水面一点法施测流速,而在计算垂线平均流速时涉及水面流速系数的问题.通过对大洋河沙里寨水文站实测的垂线五点流速,建立水面与垂线平均流速相关关系,确定该站水面流速系数.     

弯管对双向轴流泵导叶区流动的影响

轴流泵弯管会对其上游流体产生干扰,为研究弯管和导叶的最优相对位置,以1台高比转数双向轴流泵为研究对象,分析了导叶网格转动时数值模拟结果产生变化的原因,发现导叶和叶片、导叶和弯管相对位置的变化均会影响定常数值计算结果,进而基于LES方法模拟了去除导叶和叶片流道的流场,分析了导叶和弯管相对位置变化时泵性能变化的原因,通过比较不同位置导叶区的流场进一步验证了结果,分析表明:由于弯管的影响,导叶安放位置不同时泵的性能有一定变化,导叶叶片进口冲角可能偏离设计冲角,设计时可通过延长扩散管、减小弯管角度或调整导叶布置来减小弯管对泵性能的影响.     

基于LES的泵站前池表面涡及液下涡流瞬态特性分析

泵站前池或泵站进水池是泵进口前的过流部件,在不同工况的流动中存在多种旋涡,可分为自由表面涡和液下涡,这些高度不稳定的旋涡是影响水泵装置运行效率及稳定性的重要因素。为了研究泵站进水池的内部涡流,采用大涡模拟(LES)及流体体积函数(VOF)方法对泵站进水池中的三维非稳态流动进行了非定常数值计算,并进行了系统的验证。基于数值计算结果,统计了旋涡的时均特性,讨论了RANS方法和LES方法对涡流预测的区别;采用λ2等值面将旋涡结构可视化,观测到自由表面涡及附底涡周围环绕的二次涡结构;分析了不同时刻表面涡及附底涡的形态和瞬态特性,通过涡量方程得到了对流项及拉升、弯曲项对主涡涡量变化的影响。结果表明:二次涡与主涡的相互作用在一定程度上增强了主涡动量的向外耗散,并通过自旋引起主涡轴向拉升或者弯曲。     

高比转数混流泵非定常流场压力脉动特性

为了研究高比转数混流泵内部流场的压力脉动情况,采用大涡模拟方法对泵内三维非定常湍流场进行数值模拟,通过对监测点数据的分析得到了叶轮进口、叶轮出口、导叶中间和导叶出口4个截面的压力脉动的时域和频域情况,探讨了产生压力脉动的主要决定因素,同时也对不同流量下的压力脉动情况进行了对比．研究表明:这4个截面的压力脉动幅值从轮毂到轮缘均逐渐增大;叶轮进口截面压力脉动时域图规律性不明显,叶轮出口截面时域图在整个周期内呈现4个小周期,叶轮转动频率控制着叶轮进出口的压力脉动,且其影响随着流体远离叶轮而逐渐减弱;在导叶中间截面和导叶出口截面,叶轮对流体压力脉动的影响逐渐减小,压力脉动以低频振动为主,脉动幅值也大为减小;在不同流量下的压力脉动表现为小流量下幅值较大以及流量对主要频率影响较小,大流量工况下压力脉动情况要优于小流量工况．     

介质黏度对旋流泵内流结构的影响

以150WX-200-20型旋流泵为研究对象,分析了输送化工废液时旋流泵内循环流与贯通流的压力梯度与速度梯度变化.研究结果表明随着黏度增大,旋流泵扬程降低,轴功率升高,效率下降.同时内流结构也随之改变,循环流在轴向方向被压缩,大量流体堆积在后缩腔内,降低了旋流泵的效率.对旋流泵内循环流与贯通流进行量化分析,在压力梯度与速度梯度2个方面分析最佳效率点.黏度的改变使贯通流速度梯度走向改变,从先增大后减小变为先减小后增大,对循环流而言,最大速度梯度与最小速度梯度之差在黏度不高于0.10 Pa·s时越大,效率越高,高于0.10 Pa·s时越小,效率越高.研究结论对旋流泵在化工领域应用具有重要的参考价值和指导意义.     

蜗壳形状对离心泵流动诱导噪声的影响

由于蜗壳对离心泵流动诱导噪声的产生及传播具有重要影响,在原马蹄形断面蜗壳的基础上重新设计了一种矩形断面蜗壳,并将两种断面的蜗壳与同一叶轮组合进行流场数值模拟和声学求解.流动诱导噪声的求解基于Lighthill声类比理论,采用大涡模拟和声学有限元法相结合的混合算法.在原型泵的基础上还分析了采用矩形隔舌和圆角隔舌的扬程、效率和声学性能差异,并对模拟结果进行了试验验证.计算结果表明:矩形断面蜗壳模型泵和马蹄形断面蜗壳模型泵的水力性能近似;2种断面模型泵内流动诱导噪声的主频均为叶片通过频率290 Hz;从内部流场的压力云图、速度矢量分布及方向分析可发现矩形断面蜗壳内的流动状态更佳;相对于马蹄形断面蜗壳,采用矩形断面蜗壳模型泵的声压级平均小5 dB,声学性能更优;相对于矩形隔舌模型,采用圆角隔舌模型泵的水力性能更优,声学性能也较好,声压级平均小4 dB.     

混流泵内部流动不稳定特性的数值模拟

为了研究小流量工况下混流泵内存在的不稳定流动特性,基于大涡模拟亚格子尺度模型与滑移网格技术, 对包括进口管和出口弯管的混流泵全流场进行三维非定常湍流计算．外特性试验结果表明,在60％～85％最优工况范围内,扬程-流量特性曲线呈正斜率特性．数值模拟结果与试验结果误差控制在4％内,表明大涡模拟可以准确预估混流泵存在的扬程-流量正斜率不稳定特性．在此基础上,分析了混流泵产生正斜率不稳定特性的内流机理．分析结果表明,在小流量工况下叶轮入口切向速度呈明显的非对称性,叶轮与导叶流道内液流的失速效应使叶轮叶片表面和导叶叶片入口轮毂侧存在大尺度的旋涡结构．导叶流道内旋涡尺度较大,压力脉动沿导叶轴向呈明显的周期性波动,使旋涡区域从吸力面侧逐渐扩展到导叶流道,旋涡结构的涡核附着在压力脉动最小值的导叶吸力面中间叶高区,且涡核旋向与叶轮旋向相同．