理想状况下涡流发生器尾涡特性

采用大涡模拟技术计算了理想工况下54种涡流发生器的水动力特性,以尾涡大小、尾涡间距和尾涡强度作为衡量参数,依次分析了3种流速、3种几何尺寸和6种安装角度时涡流发生器的尾涡特性,并用粒子图像测量方法对计算结果进行了验证.研究结果表明:反向涡与水流方向的夹角远大于同向涡与水流方向的夹角,并且随着涡流发生器与涡旋间距离的增大,各夹角先增大后减小,直至同向涡和逆向涡合并到同一条直线上;随着涡流发生器安装角度绝对值的增大,尾涡大小和强度均线性增大,并且一对涡旋内同向涡和反向涡之间的距离增大,相邻两对涡旋之间的距离逐渐减小;随着流速的增大,尾涡强度显著增大,但各个涡旋之间的距离不变;随着涡流发生器安装边长度的增加,组内同向涡和反向涡之间的距离逐渐增大,但湍动能的分布区域大致相同.     

单层搅拌桨搅拌釜内流场数值模拟

文章基于流固耦合理论,运用计算流体动力学方法,采用FLUENT软件,分析搅拌反应器内部流场特性,研究了六直叶、六斜叶、45°六斜叶涡轮、三斜叶型搅拌桨在有无挡板及不同转速等结构及工作条件对搅拌反应器内流场特性的影响,并得出结论:在有挡板时比无挡板时的流体内部速度场分布范围更广;6叶片的流场比3叶片的流场更加均匀,搅拌效果更好;四种搅拌桨中六直叶桨搅拌效果最好,但功率消耗最高。     

不同流量工况下斜流泵内部流场PIV试验

为了探索斜流泵的内部流动特性并优化斜流泵设计,基于粒子图像测速技术(PIV)对斜流泵内部流场进行测量,分析了不同相位叶轮截面处的流线和速度分布以及小流量工况下的涡量分布。研究结果表明,在小流量工况下,由于受到叶片压力面旋涡流动和吸力面脱流的影响,叶轮内部的流动呈现径向运动趋势,且流动紊乱;随着流量增大,叶轮流场流线逐渐向轴向方向移动并沿着轮毂轮廓线流动,在大流量工况下叶片压力面附近靠近端壁处形成明显的旋涡结构。0.6倍流量工况下,当叶轮进口进入拍摄断面时,在叶轮内部形成一个顺时针旋转的负涡;当叶轮出口进入拍摄断面时,在导叶进口外缘出现正向涡量集中区域,且随着叶轮的转动该区域向导叶进口方向移动;当叶片出口远离拍摄断面时,在导叶进口处出现负涡量区,揭示了斜流泵叶轮和导叶动静相干过程中能量损失的内在原因。     

气力辅助静电雾化的PIV试验研究

为了研究气力辅助作用下静电雾化的流场特性,采用粒子图像测速技术（PIV）对风速、荷电电压及通气管与喷头间距等参数影响下的喷雾流场进行测量,并结合Tecplot后处理软件对所储存图片进行处理和分析,获得了不同参数下的静电喷雾流场特性.结果表明：通气管和喷头的间距以及风速一定时,不同的荷电电压形成不同程度的卷吸,且电压越大,卷吸现象越明显,卷吸区域沿着喷雾的轴向逐渐向下延伸;通气管和喷头的间距以及荷电电压一定时,随着风速的增大,气动力的主导作用越来越明显,在气流区的卷吸程度逐渐减弱,卷吸现象逐渐消失,卷吸区域逐渐向喷雾核心区收缩;风速以及荷电电压一定时,随着通气管与喷头间距的拉大,雾滴的漂移现象越来越严重,同时喷雾流场的卷吸现象越来越明显并逐渐向喷雾核心区靠近.     

基于TFM模型的滞留气团数值模拟方法及PIV试验研究

为了研究有压输水管路局部高点处滞流气团的运动特性,寻求更为有效的数值模拟方法,基于双流体模型(TFM)构建滞流气团的两相瞬时流场,并与VOF模型的预测结果进行对比分析.通过粒子图像测速系统(PIV)对滞流气团局部流场的速度分布进行测量,进一步验证前期构建数值模拟方法的合理性.结果表明:局部高点气团随水流下倾运动中,气团前端水流极大的速度梯度使区域流态紊乱导致气团表面张力无法维持气团形状而发生破碎;VOF模型无法模拟气液两相的相对运动,其预测出的气团运动速度要明显大于实际值;而TFM模型充分考虑了相间动量传递和相对速度的影响,能够更准确地预测滞流气团的流场速度分布和运动特性.     

气力辅助静电雾化的PIV试验研究

为了研究气力辅助作用下静电雾化的流场特性,采用粒子图像测速技术（PIV）对风速、荷电电压及通气管与喷头间距等参数影响下的喷雾流场进行测量,并结合Tecplot后处理软件对所储存图片进行处理和分析,获得了不同参数下的静电喷雾流场特性.结果表明：通气管和喷头的间距以及风速一定时,不同的荷电电压形成不同程度的卷吸,且电压越大,卷吸现象越明显,卷吸区域沿着喷雾的轴向逐渐向下延伸;通气管和喷头的间距以及荷电电压一定时,随着风速的增大,气动力的主导作用越来越明显,在气流区的卷吸程度逐渐减弱,卷吸现象逐渐消失,卷吸区域逐渐向喷雾核心区收缩;风速以及荷电电压一定时,随着通气管与喷头间距的拉大,雾滴的漂移现象越来越严重,同时喷雾流场的卷吸现象越来越明显并逐渐向喷雾核心区靠近.     

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。     

进水池表面吸气涡数值模拟与试验

为了有效地消除表面吸气涡,对进水池内流场进行了数值计算,模拟了表面涡吸气的动态过程;建立了试验模型,验证CFD方法的可靠性;并提出了圆形盖板消涡装置,探求其有效性;采用了螺旋度密度分析法,揭示了表面涡的吸气及其抑制机理。结果显示:采用的CFD方法可以较好地预测表面吸气涡的动态过程;吸气准备阶段,自由水面出现凹陷,喇叭管进口附近形成螺旋度密度管;随着气体从自由水面进入水体,自由水面下方形成另一螺旋度密度管;当连续气柱形成时,两个螺旋度密度管相互连通,形成气体通道;通过在自由水面和喇叭管进口之间放置一定尺寸的圆形盖板装置,可以消除表面吸气涡。     

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.     

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。     

半开式旋涡泵空化分析及试验

半开式旋涡泵采用新型的半开式叶轮,为研究其空化特性,采用基于雷诺时均方程和RNGk-ε湍流模型的单相模型对其内部流场进行数值模拟,得到了叶片表面速度和压力的分布规律,半开式旋涡泵的叶片根部是发生空化的危险区域．在对空化监测方法进行总结分析的基础上,针对半开式旋涡泵的具体特点,选择能量和噪声结合的方法进行了试验研究,结果表明,半开式旋涡泵工作性能稳定,半开式叶轮改善了旋涡泵的空化性能．在同等条件下半开式旋涡泵比闭式旋涡泵的性能有较大改善,对深入研究半开式旋涡泵的理论计算和设计提供了依据．     

多喷嘴射流泵流场的数值模拟与PIV测量

为研究多喷嘴射流泵性能和内部流场特征,设计了不同结构的多喷嘴射流泵试验模型.采用k-ε湍流模型和壁面函数法对不同参数下的多喷嘴射流泵进行了数值模拟,模拟结果表明,喷嘴数和喷嘴角度及喉嘴距对射流泵工作性能影响较大;在吸入室及喉管入口处湍动能较大.利用PIV系统对不同结构射流泵内部流场进行了三维测量,获得了射流泵对称面流场的速度矢量和湍动能等值线图.试验结果表明,其速度梯度衰减得愈快,工作流体和被吸流体混合距离越短.验证了多喷嘴射流泵可缩短喉管长度.测量结果证明数值模拟的正确性,为多喷嘴射流泵理论研究和合理设计提供了理论依据.     

离心式叶轮三维反问题设计和数值计算

为解决离心式叶轮传统设计方法主要依赖于设计者经验以及设计周期较长等问题,采用三维反问题设计方法,根据给定的流场进行叶轮形状的设计,从而提高设计过程对叶轮性能的控制能力.三维反问题设计方法基于无黏有势流假设,将三维速度场分解为周向平均速度和周期速度进行求解,实现了在二维轴面流道上叶片形状和流场的三维计算.三维叶片形状根据速度在叶片表面满足滑移条件计算得到,同时获得该叶轮形状下其内部三维流场的计算结果.采用自编三维反问题设计程序进行了离心式叶轮的设计计算,并利用三维定常湍流数值计算技术对设计结果进行了流场模拟和性能评价,流场的模拟结果与设计方法计算结果定性吻合,验证了设计方法的有效性.研究结果表明：将三维反问题设计方法和三维湍流数值计算技术结合可有效缩短设计周期,提高设计质量,并可用于各种叶轮机械的设计.     

中比转速离心泵叶轮的优化设计及数值模拟

基于流体流动的连续方程和运动方程,通过两类相对流面的迭代计算,实现中比转速离心泵叶轮内准三维正问题的数值计算,得到了轴面速度分布.应用逐点积分法进行叶片骨线绘型,在轴面上加厚叶片,在保角变换平面上修圆叶片头部,实现了离心泵叶轮的反问题设计.正反问题进行迭代计算求解直至收敛,得到最终设计的叶轮.采用RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对离心泵叶轮内三维流场进行数值模拟,得到了叶轮内压力和速度分布.模拟结果表明设计得到的叶轮内部压力分布非常均匀,流动稳定无分离,叶轮出口能量分布合理,所设计的叶轮具有优越的水力性能.     

组合桨搅拌槽内部流场数值模拟

针对组合桨组合形式在不同应用场合的匹配问题,采用计算流体力学(CFD)的分析方法,基于Fluent仿真软件,分析双螺带及六斜叶涡轮桨基于不同组合位置的内部流场情况采用多重参考系(MRF)方法建立基础模型,基于Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型对搅拌槽内部流体产生的流场进行数值计算,得到搅拌桨在240 r/min的搅拌转速下产生的流场数据.分析搅拌器在特定界面处轴向、周向、径向的速度矢量图以及其综合速度云图,并对位置互换的流场进行分析和比较,选出上双螺带桨下涡轮桨为最佳的桨叶组合形式,此种组合桨型对于提升搅拌器在相关领域的应用和发展等有参考价值.     

折边对旋流泵性能影响的数值计算与试验

为提高旋流泵的扬程和效率,进行了折边对旋流泵性能影响的数值模拟与试验研究.通过对3种具有不同折边大小的叶片的水力性能进行对比,分析折边对旋流泵性能的影响.采用Pro/E造型和非结构化网格,把旋流泵无叶腔和叶轮作为一个整体来模拟旋流泵内部三维不可压湍流场.数值模拟计算选取工作介质为清水.计算结果表明,旋流泵内部存在较强的纵向旋涡和轴向旋涡,折边可以改善旋流泵内部流动情况,限制径向转为轴向的循环流动;通过对比试验讨论了折边对旋流泵性能的影响,试验结果表明,扬程提高3.64 m,效率提高近7.0%,折边能够减小水力损失,提高旋流泵的扬程和效率.     

基于PIV的循环式生物絮团系统涡旋分离器内流场研究

为分析循环式生物絮团系统涡旋分离器的内流场特性,基于非接触式流场测试PIV (Particle image velocimetry)技术对试验规模涡旋分离器内流场进行测量,分析了该涡旋分离器在不同水力停留时间工况下(248、83、49 s)涡旋分离器内部流场的合速度、分速度和涡量等分布情况。结果表明:不同水力停留时间条件下,涡旋分离器内套筒内部区域的左下角和上部区域均表现一定的涡旋,同时随着水力停留时间的加快,中间内套筒内的颗粒速度方向大致相同,仅在筒壁附近产生小的二次流,同时沉积仓内的颗粒速度方向趋于一致;虽然水力停留时间加快,但轴向和径向的合速度变化不大,且不同速度占据的比例基本相同;不同工况下顺时针和逆时针涡量基本相同,且水力停留时间越慢,流场的涡量相对越小,并随着水力停留时间加快涡量分布趋向均匀,即高涡量区域逐渐增加; PIV试验由于激光能量一定,其穿透能力有限,因此,对于复杂结构的PIV试验所获得的结果有待改进。     

全工况下双流道泵内流三维PIV测量

为了揭示双流道泵从零流量点到大流量点内部流动的变化规律,采用粒子图像测速仪对1个比转数为1107的双流道泵在8个工况下的内部流动进行了测量．采用基于光纤制作的外触发同步系统和三维等效标定方法等关键技术来保证3D PIV的测试精度．根据速度三角形,采用Visual C++2005编写了PIV速度分解程序,将测量的叶轮内的绝对速度分解成圆周速度相对速度．研究结果表明:叶轮流道内的流动并未随着流量的减小出现大范围的旋涡,仅当流量小于04Qd以后在叶轮出口靠近吸力面侧出现1个旋涡,并且随着流量的减小该旋涡越来越明显;另外,随着流量的减小,蜗壳扩散段上的绝对速度值逐渐减小,且当流量小于 02Qd时扩散段开始出现旋涡;在叶轮出口靠近隔舌处的区域上绝对速度值随着流量的减小先增大后减小,在02Qd工况下速度值达到最大;关死工况下叶轮和蜗壳内都存在着明显的旋涡和回流,泵内流态最差．