鱼类通过混流式水轮机转轮时受压强及剪切损伤的概率分析

鱼类在通过混流式水轮机流道时会遭遇最低压强及压强梯度引发的压强损伤以及剪切应力引发的剪切损伤。为了辨识混流式转轮中压强损伤和剪切损伤的主次关系,进而有针对性的开展混流式转轮的鱼类生态友好性能优化,该文基于计算流体动力学分析方法研究了不同水头条件下混流式转轮内超出压强以及剪切损伤阈值的体积分布规律,并获得了不同工况下混流式转轮内压强、压强梯度以及剪切应力引发鱼类受损的概率。结果表明:鱼类受压强及剪切损伤的概率与流量成正相关关系,对于该文分析的混流式转轮,鱼类受最低压强损伤的概率在最小水头的最大流量工况下达到最大值9.1%,剪切损伤及高压强梯度损伤的概率在额定工况下达到最大,分别为0.823%和8.31%。在相同工况下进行3种损伤概率的对比后发现,在大流量工况下,鱼类受最低压强和高压强梯度损伤的概率更大,在小流量工况下则是压强梯度损伤概率相对较高,所以综合分析结果可知最低压强和高压强梯度是开展亲鱼型混流式转轮优化时需要考虑的主要因素,而剪切应变率则是次要因素。     

可逆式水泵水轮机转轮的三维反问题优化设计

与常规的水泵或水轮机转轮相比,可逆式水泵水轮机转轮要兼顾水泵和水轮机2种工况下的性能,设计要求高、难度大,且影响转轮性能的设计参数较多,很难通过设计-修正-试验的方法获得2种运行工况下性能均优的可逆式水泵水轮机转轮。针对这些困难,该文将三维反问题设计、CFD计算与多目标优化策略相结合,构建了可逆式水泵水轮机转轮的优化设计系统。该设计系统不仅可缩短转轮设计周期,且能对多个运行工况下的多个目标同时进行优化。利用该优化设计系统,以叶片载荷和叶片倾角为优化变量,以水泵设计工况点的转轮效率和水轮机额定工况点的转轮效率为优化目标,以水泵设计工况的扬程为约束,对某一抽水蓄能电站的水泵水轮机转轮进行了优化设计。结果表明利用该优化设计系统能够设计出在水泵和水轮机2种运行工况下转轮水力效率均高于95%的可逆式水泵水轮机转轮,其中水泵设计工况下转轮效率提高了0.15%,水轮机额定工况下转轮效率提高了2%,表明了该优化设计系统在提高可逆式水泵水轮机转轮性能方面的可行性和有效性。该研究可为水力机械,包括水泵水轮机、常规水轮机、水泵的设计开发提供参考。     

混流式水轮机特性曲线在多重边界条件下的分区方法

完整的水轮机特性曲线是水电站运行仿真和过渡过程计算的基础,然而厂家提供的水轮机模型综合特性曲线仅反映了水轮机高效率区域的特性,不能满足水轮机动态过程仿真需求.该研究提出了一种扩展方法:首先以零转速、零流量、飞逸曲线、零开度线、单位力矩交点为边界条件,作为划分特性曲线区域与约束各分区延拓范围的特征点,并依据内特性模型和外...     

混流式水轮机内特性模型改进及在外特性曲线拓展中的应用

混流式水轮机综合特性曲线反映了水轮机高效率区域的特性,但不满足水轮机大范围内过渡过程仿真需求,在仿真前需要对水轮机低效率及负效率区域的特性进行拓展。目前常用的拓展方法其原理均是根据水轮机综合特性曲线中各参数的变化趋势并结合飞逸特性曲线等约束进行的拓展,没能充分考虑水轮机内在规律,拓展结果过度依赖个人经验,具有较大的随意性。该文通过分析水轮机各部件的能量损失建立了水轮机能量平衡关系式,结合流量调节方程对水轮机内特性模型进行了改进。针对改进后的内特性模型特点设计了一种遗传算法与最小二乘法相结合的参数辨识方法,采用水轮机综合特性曲线及飞逸特性曲线对模型参数进行了辨识,采用辨识后的水轮机模型绘制了较大范围的水轮机特性曲线并与实测特性曲线进行了比对,并结合实测结果对误差来源及误差对过渡过程影响进行了分析。结果表明改进后的混流式水轮机内特性模型能够正确描述水轮机特性,采用最小二乘法与遗传算法相结合的方法能够辨识模型中的参数,将该模型应用在水轮机外特性曲线拓展及过渡过程仿真中,机组过渡过程中最大转速上升率相对误差从2.11%降低到0.54%,最大压力上升率相对误差从10.70%降低到9.52%,说明该模型能够减小仿真误差、减小传统方法中对个人经验的依赖,对过渡过程计算提供了参考。     

混流式水轮机主轴中心孔补水对尾水管性能的影响

混流式水轮机在低负荷工况下运行时,尾水管内出现旋转的偏心涡带,会引起强烈的压力脉动和振动,严重威胁厂房的安全。为了使机组稳定运行,该文提出了一种通过从上冠泄水锥引入高压补水的方法来降低尾水管的不稳定性。该文首先采用商业软件CFX16.0,对某电站混流式水轮机在低负荷工况下进行了可靠而准确的全三维非定常数值模拟,结果表明在该工况下尾水管内部存在明显的偏心涡带,并伴随着振幅较大的压力脉动,这与试验结果相吻合。其次,对该工况下不同补水流量进行了数值模拟计算,研究表明:尾水管内补高压水可以有效降低尾水管内部的流动损失,且随着补水量的增加而越小,但过大的补水量会引起叶片正背面压力的降低,影响水轮机的空化性能,故补水量的大小必须综合考虑;主轴中心孔高压补水可以增加转轮出口的轴向速度,从而改变涡带内速度场的分布,可有效消除回流现象,当补水流量过小时,抑制回流作用不明显;当补水量为进口流量1%时,尾水管内部压力脉动振幅变化不大,改善效果不明显;当补水量为进口流量3%时,尾水管内部涡带由双螺旋变成单螺旋,锥管段压力脉动振幅不减反增,不稳定性有所加剧;当补水量为进口流量5%时,尾水管内部压力脉动振幅从18.4%降低至1.63%,同时改变了压力脉动的主频,使其远离转轮主频,避免发生共振,提高了机组的稳定性。     

基于CFD-DEM耦合法的灭火机风筒优化与试验

为了进一步研究风力灭火机的灭火性能,并防止灭完火的区域死灰复燃,在风筒进口增加了超细干粉灭火剂进行喷射灭火。喷射式风力灭火机的性能主要体现在出口风速、射程和喷射的稳定性上,而后两者分别主要由灭火剂颗粒的喷出的速度和风筒内滞留灭火剂的量决定的。该文采用6MF-30型风力灭火机使用的风筒为原型验证仿真模型的可靠性,采用CFD-DEM耦合的方法对喷射式风力灭火机的工作过程进行仿真模拟。以风筒收缩角、灭火剂添加位置、风筒长度作为因素,按照二次正交旋转组合设计进行仿真试验,进行显著性检验和方差分析,建立了回归方程。结果表明:3个因素相对颗粒喷出速度和风筒内颗粒数都具有显著相关性,显著水平分别为P0.0001和P0.001,而这3个参考因素与出口风速无明显相关性;3个参考因素中风筒长度是对机械性能影响最大的因素。采用响应面法、加权法综合对最佳参数组寻优,发现喷射式风力灭火机收缩角取20°,灭火剂添加孔道距进风口140 mm,风筒长度700 mm时喷射式灭火机性能得以提高。采用该参数组的虚拟试验结果显示,颗粒喷出速度提高至41.24 m/s,同时风筒内颗粒数降低至209个。实体样机验证试验表明:采用该参数组设计的风筒可以有效提高喷射式风力灭火机的喷粉射程2.15 m,缩短灭火时间1.7 s且无复燃。该研究为风力灭火机风筒优化模拟提供了参考。     

农机部件数字化设计软件平台AgriDEM开发

为解决农机产品开发周期长、工作量大和成本高等问题,研制了集设计和性能分析评价为一体的农机部件数字化设计软件平台AgriDEM(agricultural discrete element method)。该平台通过将CAD软件与自主研发的基于DEM-CFD-MBK(discrete element method,computational fluid dynamics,multi-body kinematics)耦合的分析软件集成,可在设计阶段由农机部件的CAD模型(CAD软件设计图),进行农机部件工作过程的动态仿真和工作性能的分析评价,由此实现农机部件结构方案和尺寸参数的优化。该文详细介绍了该平台的架构和关键技术实现方法,包括农机部件分析模型的建模方法、颗粒的建模方法、基于OpenMP的并行计算方法、基于DLL的模块封装及原型系统开发等,最后通过一个实例验证了该平台的可行性和有效性,可为农机部件的优化设计和数字化设计提供参考。     

基于离散元法的糙米匀料盘仿真优化设计

为提高糙米调质过程中的加湿均匀性,在现有匀料技术的基础上,设计了一种曲面式匀料盘。采用离散元法建立匀料盘仿真模型,分析了匀料盘结构参数及运行条件对料层厚度均匀度的影响规律,结合响应面分析法得到各因素的最优组合。仿真结果表明:曲面形式(抛物线系数)对糙米的分布影响极显著(P0.01),进料量(导流管直径)对糙米的分布影响显著(P0.05),匀料盘转速对糙米分布影响不显著(P0.05);综合考虑匀料要求,确定最优结构参数为:匀料盘抛物线方程系数为0.02、导流管与匀料盘直径比为0.1875,最佳运行条件转速为183 r/min,此时料面厚度变异系数可达4.42%。仿真结果与验证结果基本一致,相对误差为2.62%,证明离散元单元法仿真分析曲面式匀料盘工作性能的可行性。     

高效低噪无过载离心泵多目标水力优化设计

为了整体提高离心泵水力设计水平,以叶频噪声声压级、扬程、效率和轴功率这4个指标作为判断标准,首次采用权矩阵方法借助数值模拟技术对离心泵叶轮进行了多目标优化设计。各指标的数值计算采用CFD/CA(computational fluid dynamics/computational acoustic,计算流体力学和计算声学)相结合的方法进行。基于L9(34)正交试验,深入研究了叶轮直径、叶片出口安放角、叶片出口宽度和进口安放角对离心泵扬程、效率、轴功率和流动噪声的影响规律,并根据权重分析获得了一组最佳几何参数组合。通过进行优化叶轮与原型叶轮的性能对比试验,发现该优化方案全部达标,设计流量下扬程提高2.5%,效率提高3.8%,轴功率下降3.3%,出口声压级降低1.2%,验证了权矩阵数值优化方法的可行性。粒子图像测速法内流场对比试验说明:优化方案无明显"射流-尾迹"流动结构的存在,其最大速度比原型泵小6.7%,低速区的面积比原型泵大,且由于减小了叶轮外径,叶轮和隔舌间的动静干涉作用也有所减弱;高效率低噪声离心泵叶轮设计的关键是选择合理的叶轮和隔舌间隙,以减弱叶轮出口的尾流脉动。该研究为实现高效、无过载、低噪声离心泵水力设计提供了参考。     

圆环型压电蠕动泵的结构设计与仿真

为了进一步探索压电技术在蠕动泵中的应用,使蠕动泵进一步向着体积小、质量轻、结构简单方向发展,并应用于更广泛的领域中,该文在现有机械蠕动泵结构基础上,结合压电驱动技术提出一种圆环周向行波驱动流体的圆环型压电蠕动泵结构。该蠕动泵的压电振子为一圆环型结构,在其外圆环壁面上贴有压电陶瓷薄片,以环面周向行波产生的蠕动,加之外圆环与内圆环的配合,代替机械蠕动泵中电机驱动偏心泵实现蠕动。依据弹性力学和振动理论推导出圆环振子的振动方程,利用有限元分析软件建立圆环振子模型,并对其周向振动模态及驱动机理进行了有限元分析,由此确定圆环型压电蠕动泵驱动振子的振动模态,设计出圆环型压电蠕动泵的整体结构,对其结构及工作机理进行了仿真分析。结果表明该压电蠕动泵同时具有机械蠕动泵和压电泵的优点。