水泵水轮机在水轮机工况下压力脉动特性

为了研究水泵水轮机在水轮机工况下的压力脉动特性,采用SST k-ω湍流模型对模型水泵水轮机在水轮机工况下的三维非定常湍流进行模拟.在试验验证的基础上,通过调整活动导叶的开度以实现机组不同的运行工况,分析了3种流量工况下导叶、转轮和尾水管内的压力脉动规律.结果表明,尾水涡带形态和旋转方向对机组压力脉动的影响很大:在小流量工况下,尾水涡带为螺旋状,旋转方向与转轮转动方向相同,转轮出口产生强烈的低频压力脉动,转轮叶片上的压力脉动频率约为转轮转频的0.62倍,尾水管压力脉动主频约为转轮转频的0.36倍;在最优工况和大流量工况下,尾水涡带变为管状,转轮出口压力脉动幅值变小,在转轮叶片表面检测到与尾水管压力脉动主频相同的压力脉动;大流量工况下涡带旋转方向与转轮旋转方向相反,尾水管内压力脉动的最大值出现在弯肘段区域.     

水轮机尾水管涡带压力脉动同步及非同步特性研究

尾水管涡带是混流式水轮机在部分负荷工况运行时尾水管内出现的一种螺旋状涡旋运动,其诱发的压力脉动对水轮机运行稳定性有直接影响且易造成疲劳破坏。基于SST k-ω湍流模型对运行在42. 35%额定功率的某混流式模型水轮机进行了尾水管内部流动特性的试验测试与数值研究,数值压力脉动幅值及主频与试验测试吻合度好,误差分别约为2. 70%和2. 62%。尾水管内出现进动涡带时,测点压力均作0. 25倍转频的周期性脉动,涡带扫过测点时,其压力最低。位于涡带运动轨迹附近的压力测点,其压力幅值最高。为了进一步阐明尾水管涡带的复杂流动特征及其动力学特性,将尾水管压力信号分解为同步分量及非同步分量。研究发现,分解后的非同步分量对原始信号有较强的依从性,其幅值较高且保持主频为0. 25倍转频,而同步分量主频发生变化且压力脉动幅值较小,表明非同步分量对尾水管涡带的形成贡献大于同步分量。尾水管锥管段不同高程上同步及非同步分量幅值的量化分析表明,非同步分量幅值绝对占优,沿流动方向非同步分量幅值先增大后减小,而同步分量幅值逐渐增加。     

异常低水头对水泵水轮机压力脉动的影响

为研究水泵水轮机在异常低水头时的压力脉动特性,采用Realizable k-ε湍流模型对水泵水轮机运行于低水头的4个工况点进行了非定常数值计算,得到了蜗壳进口、导叶后转轮前、尾水管的锥管上游和肘管内侧4个监测点的压力信号,并与试验结果进行对比.重点考察了导叶开度37 mm、单位流量0.865 m³/s工况点的压力脉动时域和频域特征.研究结果表明:在异常低水头下,Realizable k-ε湍流模型能够精确地模拟大开度时水泵水轮机的压力脉动;蜗壳入口的压力脉动比较紊乱,在机组刚开启阶段脉动值较大,蜗壳进口压力脉动主频为转频19.78 Hz,说明在此工况下水泵水轮机蜗壳进口的压力脉动受到下游转轮转动的影响;导叶与转轮之间无叶区的压力脉动受到转轮与活动导叶之间的动静干涉作用,呈周期性变化且其主频为叶片通过频率;由于尾水管内部流动及涡带的作用,尾水管内的压力脉动为低频脉动,其主频约为0.35倍转频.     

贯流式水轮机低频脉动及尾水管涡带特性研究

为了研究贯流式水轮机内部低频压力脉动特性,针对某电站贯流式水轮机进行了非定常数值计算,分析了不同工况下水轮机内部的压力脉动特性,揭示了贯流式水轮机低频压力脉动产生的机理,并提出了改善低频脉动的方案。研究表明,在额定工况和小流量工况下,水轮机内部的压力脉动主要受到叶片通过频率(5.26 Hz)以及低频脉动(0.20 Hz)的影响,低频脉动的幅值从水轮机进口到出口逐渐增加,且小流量工况的低频压力幅值较额定工况高;不同工况下,水轮机尾水管内均存在一个与转轮旋转方向一致的螺旋状偏心涡带,该涡带按一定周期演变,其对应频率为0.22 Hz,与低频压力脉动频率(0.20 Hz)较为接近,因此可以说明该水轮机内部的低频压力脉动是尾水管涡带引起的;为了减小水轮机低频压力脉动系数幅值,提出了一种在尾水管内增设导流板的方案,该方案能有效降低由尾水管涡带引起的低频压力脉动系数幅值,导流板通过降低尾水管内的涡带能量,达到消涡目的。研究结果可为贯流式水轮机组的稳定运行提供依据。     

上游扰动条件下尾水管涡带演化和压力脉动研究

尾水管涡带是混流式水轮机流动不稳定的表征,严重时甚至会导致机组疲劳破坏。为准确捕捉不同工况下尾水管内流体流动的瞬态湍流特性,采用滑移网格技术以及SST k-ω湍流模型,通过现阶段最新进展的Liutex涡识别方法对尾水管涡带进行捕捉并对比分析,着重分析了不同来流对尾水管涡带的形成、发展、破裂和低频压力脉动的影响。结果表明：与文献实验结果的对比,验证了结果的准确性;上游不同来流条件下,尾水管涡带形态各异。最优工况时仅形成一个稳定的旋流结构,即纺锤形涡带,对流场影响较小。流量降低到设计流量的81%时,形成螺旋形涡带,涡带的偏心运动对主流产生了较大干扰作用,涡流、回流和流动分离等不稳定现象明显。由于涡带对主流的排挤作用,造成涡带与壁面之间出现明显的高速区,平均脉动压力系数幅值也比最优工况增加了1.36~4倍,压力脉动呈现出典型的低频、高幅特征;随着开度的继续降低,涡带体积大幅度增加,形成一个较大的空腔涡带,占据流域范围较广,与肘管壁面发生直接“冲击现象”;开度越小尾水管内产生的涡流越杂乱,流场越不稳定,当开度降至最低时,有形涡带消失,破碎后的杂涡充据着整个直锥段和弯肘段。     

上游扰动条件下尾水管涡带演化和压力脉动研究

尾水管涡带是混流式水轮机流动不稳定的表征,严重时甚至会导致机组疲劳破坏。为准确捕捉不同工况下尾水管内流体流动的瞬态湍流特性,采用滑移网格技术以及SST k-ω湍流模型,通过现阶段最新进展的Liutex涡识别方法对尾水管涡带进行捕捉并对比分析,着重分析了不同来流对尾水管涡带的形成、发展、破裂和低频压力脉动的影响。结果表明：与文献实验结果的对比,验证了结果的准确性;上游不同来流条件下,尾水管涡带形态各异。最优工况时仅形成一个稳定的旋流结构,即纺锤形涡带,对流场影响较小。流量降低到设计流量的81%时,形成螺旋形涡带,涡带的偏心运动对主流产生了较大干扰作用,涡流、回流和流动分离等不稳定现象明显。由于涡带对主流的排挤作用,造成涡带与壁面之间出现明显的高速区,平均脉动压力系数幅值也比最优工况增加了1.36～4倍,压力脉动呈现出典型的低频、高幅特征;随着开度的继续降低,涡带体积大幅度增加,形成一个较大的空腔涡带,占据流域范围较广,与肘管壁面发生直接“冲击现象”;开度越小尾水管内产生的涡流越杂乱,流场越不稳定,当开度降至最低时,有形涡带消失,破碎后的杂涡充据着整个直锥段和弯肘段。     

混流式模型水轮机空化流动分析与试验研究

采用基于气泡动力学的两相流方法,对白鹤滩水电站百万千瓦级混流式模型水轮机进行定常、非定常空化流动分析,并与模型水轮机的空化试验结果进行比较.定常空化流动计算中采取降低尾水管出口绝对压力、减小装置空化系数的方式模拟模型水轮机空化试验过程,流道内压力、速度矢量、气体体积分布分析能够较好地预测水轮机流道内空化的发展特性、叶片空穴区域和尾水涡带空腔的发展过程.非定常空化流动分析能够准确地预测叶片空化和涡带空腔随时间的变化规律以及尾水压力脉动频率,其计算出的振动频率和振幅与试验结果比较相一致,结果显示尾水管空腔涡带随空化发展对压力脉动和机组不稳定运行的影响显著增大,压力脉动也对空化较为敏感,空化越为严重,压力脉动越严重,空化的产生加剧了水轮机内部流场的水力不稳定性.     

压力脉动对尾水管进口空化腔影响的CFD模拟分析

水电站过渡过程计算中水轮机尾水管进口最小压强须控制在-8 m H2O以上，以防止危险的水柱分离。对于水泵水轮机，压力脉动大且成份复杂，确定此最小压强时应该计入哪些压力脉动尚无明确答案。针对某直锥尾水管水泵水轮机模型，在转轮进口施加不同脉动流速，分析尾水管进口空化腔生成发展规律。发现尾水管最大空化腔体积与进口脉动流速频率相关；随频率增大，空腔体积有先快速增大后缓慢减小变化趋势；空化腔变化周期受压力脉动频率和尾水管出口压强波动共同影响。在实际转轮进口可能的压力脉动频率对尾水管空化腔波动都有较大影响，但频率与尾水涡频率一致时会有共振效应。尾水管水锤波动是产生空腔涡的根本因素。     

一管双机式混流式水轮机压力脉动预测与振动分析

针对一根引水管带多台水轮机的水力振动问题,采用不可压缩流N-S控制方程结合Realizable k-ε紊流模型对一管双机式混流式水轮机非恒定流动进行全流道三维数值分析。得到了水轮机在不同工况下的压力场、不同测点位置的压力脉动、尾水管涡带变化规律,并对压力脉动进行了频谱分析,获得了不同工况下的压力脉动主频和功率谱密度值。计算结果显示,尾水管涡带引起的压力脉动幅值最大,其功率谱密度值也远大于其他部位的值,表明尾水管涡带是引起机组产生振动的主要原因;且两台机组尾水管涡带压力脉动的模拟结果存在一定的差异。计算成果可以为电站的振动问题的处理提供参考。     

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.     

管道螺旋流断面流场及沿程流动特性

平轴螺旋管流作为一种新型的输沙方式,其流场特性能够使管道输送具有高浓度、低能耗、输送距离远和不淤积的优点。在试验的基础上,主要对局部起旋器产生的平轴圆管螺旋流的流场特性进行了探讨与研究,得出了起旋器出口后圆管螺旋流的流场规律：流速场切向流速在测试断面具有旋转的对称性,若不考虑管壁近壁区的影响,可认为切向流速在断面呈线性分布,而且随着流量的增加,切向流速也在增加;随着流程的增加,切向流速逐渐衰减。     

侵蚀性坡面流流态的试验研究

通过定床阻力试验,从水力学原理出发,对3种不同坡度(坡度分别为:5°、10°、15°)有机玻璃床面和人工粗糙床面(床面粘贴砂粒粒径分别为:0.5～1、1～2、2～5、5～10mm)的侵蚀性坡面流试验数据进行分析,研究了侵蚀性坡面流流态,得出了侵蚀性坡面流存在"虚拟层流"、过渡流和紊流3种流态形式,通过试验分析了"虚拟层流"具有悬移输沙能力的原因。     

大型立式轴流泵装置流道内部流动特性分析

基于三维不可压缩流体的雷诺平均N-S方程和RNGk-ε湍流模型,采用CFX软件计算了额定转速下180～340 L/s流量范围内6个工况点的立式轴流泵装置内部流动,分析了进水流道和出水流道的流动特性,重点研究进口流动细部结构,同时预测了泵装置的水力性能.计算结果表明:叶轮旋转对进水流道出口轴向流速分布和切向流速分布的影响较小.导叶出口环量对出水流道的流场影响较大,导致隔墩两侧流量分配不均,大流量时隔墩两侧水流流态比较平顺,而小流量时隔墩右侧流道内出现螺旋状水流,两侧水流严重不均衡.通过计算预测了泵装嚣水力性能,并与泵装置模型性能试验结果进行了对比,表明最优工况时数值模拟与试验结果吻合较理想,可以满足工程实际的需要.     

集中水流冲刷条件下浅沟径流流速特征研究

在室内不同坡度和径流流量条件下,用电解质示踪法和染色剂示踪法进行浅沟径流流速测量的对比研究.用采自北京的粉壤土在室内试验模拟浅沟侵蚀,测量并计算浅沟径流流速.在坡度5°、10°、20°,流量64、128、256 L/min条件下,进行浅沟水流流速的测定试验.测量结果表明,浅沟径流流速随坡长增加略有减小,随流量和坡度增大而增大.电解质示踪法测量得到的流速在0.55 ～ 1.60m/s之间,而染色剂示踪法测量得到的流速为0.71～1.45 m/s,染色剂示踪法测量得到的流速略小于电解质示踪法测量结果.考虑到浅沟水流对示踪剂稀释及紊流对水流的扰动造成的视觉影响,电解质示踪法测量的流速具有其合理性.     

超声波流量计在大型渠道测流中的应用

超声波法测量流量是随着电子技术和材料技术的发展而越来越被大量采用的一种流量测量方法,它与传统测量方法相比,具有安装施工简单、测量精度高、适用性强、数据采集自动化程度高等优点,可以作为准确测量明渠流量的一种方法加以推广.     

压力补偿滴头流动阻力分析与流量预测研究

为探究压力补偿滴头流动阻力产生的主要部位、变化及对滴头流量的影响,采用基于雷诺平均维纳-斯托克斯(RANS)模型的瞬态和稳态流固耦合计算方法,模拟研究了压力补偿滴头流体与弹性片之间的相互作用,分析了工作压力0~300kPa范围内弹性片变形、流动阻力与流量之间的关系。结果表明：数值模拟能够准确预测一定工作压力范围内压力补偿滴头的流量,不同工作压力下滴头流量模拟值与实测值的平均误差为12.32%。弹性片的变形经历快速变形、缓慢变形和长期微小变形3个阶段。随着弹性片变形程度增加,迷宫流道压力损失占比逐渐减小,压力补偿腔和副流道压力损失明显增加。流动阻力主要发生在迷宫流道、弹性片与凸台之间,弹性片接触凸台前,流动阻力主要取决于迷宫流道的能耗,滴头流量随工作压力的增加而增长。弹性片接触凸台后,流动阻力为工作压力的线性函数,滴头流量在一定压力范围内保持恒定;主流道结构影响压力补偿滴头的最小补偿压力,副流道结构对压力补偿滴头的流量调节作用具有重要影响。     

旋流自吸泵内部湍流场大涡模

旋流自吸泵蜗壳结构不同于普通泵,具有特殊的流场结构.采用大涡模拟方法和滑移网格技术,通过对设计工况下旋流自吸泵三维非定常湍流场的数值计算,捕捉到泵叶轮和蜗壳内的压力分布、速度分布和尾迹区内旋涡的结构与演化特征等重要流动信息,结果表明叶轮内部静压具有一定的非对称性.分析了分离室内漩涡形成的原因.对含气率分布的分析表明,叶轮中气相主要集中于叶片的吸力面区域.对旋流自吸泵的性能进行预测,得到了预测性能曲线,并将预测结果与性能试验结果作了对比,证明了大涡模拟法能够较准确地预测旋流自吸泵内部流动特性和性能.     

双平板叶栅绕流的流动结构及其激励特性研究

绕流叶片的非稳态流动及其尾迹涡结构是诱发水力机械振动的主导因素。以横向布置的一对平板叶栅为研究对象,基于LES计算雷诺数在4.8×104下的三维绕流流场,分析绕流流场涡演化结构、升阻力及压力脉动等特性,以揭示尾迹干涉下平板绕流的流场结构及其激励机制。结果表明:该雷诺数下,单平板绕流平板表面存在错列布置的发卡涡结构,绕流尾迹呈现出高度的三维特性;双平板叶栅绕流状态下,上、下游平板间的间隙流动结构有明显抑制上游平板表面涡结构演化的作用;平板受力在模式H和模式L之间不断切换,且升力波动的幅值随阻力的增大而增大,尾迹干涉下下游平板受力的模式切换频率升高,升力波动幅值也增大;平板表面压力脉动的主要激励源为平板尾涡脱落。尾迹干涉下平板绕流及受力分析,可为水力机械叶片尾迹干涉下的流动主动控制提供参考。     

明渠测流及量水槽精度的鉴定

水的逐步商品化要求供水计量精度得到保证，特别是大流量的农业灌溉或工业供水尤显重要。大水港灌溉工程高干渠渠首无喉道量水槽的量水精度，采用明渠测流法进行精度鉴定，并在定量定性的基础上，评定量水槽的适用性。     

微灌流量调节器的研制与应用

微灌流量调节器是涌流灌溉和滴灌技术应用的关键灌水器和调流器。通过研究分析流量调节器的结构、原理、制造和应用 ,优化其结构、材料、工艺 ,以提高其抗堵塞性能和调压稳流范围 ,延长系统使用寿命。该技术具有灌水均匀度高、设计施工简单、适合国情等优点 ,可为微灌技术的发展提供有力的技术支持