水轮机活动导叶端面间隙磨蚀特性数值模拟

为了研究水轮机活动导叶端面间隙固液两相流动的规律,以及间隙上下表面的磨损情况,基于Fluent软件的RNG k-ε湍流模型和DPM模型,结合水轮机活动导叶端面间隙流的简化模型(圆柱绕流和后台阶流),数值模拟了不同进口速度下,沙粒体积分数分别为1%,5%,7%,10%以及沙粒粒径分别为0.020,0.050,0.075,0.100 mm时,活动导叶端面间隙的三维非稳态流动.通过定常数值模拟得到不同工况下间隙上下表面的平均磨损率分布,分析磨蚀规律和磨蚀位置.结果表明:流场中平均磨损率分布受间隙流模型的结构和两相流参数设置影响较大.随着进口速度和沙粒体积分数增大,间隙流模型上下表面平均磨损率增大,磨损主要集中在轴前、台阶下游再附点位置以及间隙流出口处,最大平均磨损率约为2.0×10^-6 kg/(m²·s).随着沙粒粒径增大,由于惯性力作用,模型上下表面平均磨损率减小;在沙粒粒径小于0.020 mm时,磨损情况相比其他粒径更严重,最大平均磨损率约为0.100 mm时的2倍.     

基于动网格的活动导叶流道内湍流场数值模拟

基于任意拉格朗日欧拉框架下的二维时均N-S方程,应用非结构动网格技术,对某型号混流式水轮机活动导叶单流道内的导水机构关闭过程,进行了动态湍流数值模拟.利用CFD软件Fluent 6.3,采用非结构化三角形网格,标准k-ε湍流模型和压力速度耦合的PISO算法,真实地模拟了导水机构关闭的动态过程中,活动导叶流道内的压力场和速度场的瞬态变化过程.数值计算结果表明,导水机构两段折线关闭过程中,随着活动导叶开度的减小,流场发展呈现明显的非定常特性,水流绕过活动导叶后出现强的旋涡,对过渡过程的动态特性产生了影响.该方法能有效地模拟由于活动导叶动作诱发的流场脉动.     

水泵水轮机湍流流态数值模拟

在对比抽水蓄能电组与常规水电机组的基础上,根据该装置内部水体流动规律,建立了转轮、导叶及蜗壳的三维模型,应用高雷诺数湍流模型结合CFD技术进行水泵水轮机湍流流态数值模拟,研究了其水动力性能及装置内部水体流动情况,结果表明:该装置能量及流速分布均较为合理,通过数值模拟绘出的装置各元件压能、流速等图表明装置实际流场分布合理,模拟结果可为进一步优化转轮叶片的设计提供参考依据。     

高水头水电站混流式水轮机导叶端面空化的数值模拟

对新疆夏特水电站拟采用的HLA351-LJ-275型水轮机在小流量工况下导叶端面间隙流动特性进行了三维数值模拟,尤其是空化流。结果表明,随着端面间隙增大,间隙处流速增加,单流道内压力分布变均匀。端面间隙由0.5逐渐增大至1.5 mm过程中,空化区域和气泡体积分数增大。端面间隙大于1.5 mm后,随着端面间隙进一步增大,活动导叶上空化区域和气泡体积分数减小,并通过试验给出1.5 mm的导叶端面空蚀情况,研究结果对高水头水电站水轮机导水机构设计和安装具有指导意义。     

水泵水轮机非同步导叶启动工况三维模拟研究

水泵水轮机低水头启动时,空载工况附近S特性明显,工况点进入后,机组宏观参数易发生振荡。为研究低水头启动工况机组快速稳定的内流机理,设置非同步导叶,引入调速器参数,通过三维模拟分析启动全过程宏观参数、压力脉动与流态的演变规律。结果表明,启动过程初期导叶同步开启,转速较小,转轮叶道内产生大范围失速涡,压力呈低频高幅值波动;转速上升过程中,流态逐渐平顺,压力脉动逐渐降低;进入调速器调节阶段后,工况点进入S区,压力脉动呈高频高幅值,而非同步导叶破坏了无叶区产生的高速水环,促使机组快速稳定。     

增压器无叶蜗壳内三维可压湍流流场的数值模拟

用心形线表征了一种增压器无叶蜗壳双梨形流道截面轮廓，用有限差分法对蜗壳内三维可压湍流流场进行了数值模拟计算，通过与IFA300型热膜风速仪的测量结果相比较，表明两者具有良好的一致性。分析了其喷嘴出口处及流道截面上的速度分布，结果表明，蜗壳尾段喷嘴出口处的速度较低，其余部位处速度分布较均匀；在蜗壳与初始截面处的流道中存在涡流。     

水轮机活动导叶泥沙磨损试验研究

为预估新疆某在建的高水头、多泥沙电站水轮机活动导叶的泥沙磨损状况,为水轮机过流部件选材及防护方案的制订提供翔实的数据,借助水轮机CFD的全流场计算结果,提出一种基于流场相似的绕流式的试验方法,研究了水轮机活动导叶的泥沙磨损部位分布规律。根据该电站的过机泥沙及过流部件流场,对相应泥沙含量和过流条件下过流部件两种备选材料(ZG0Cr13Ni4Mo、ZG06Cr13Ni5Mo)进行了试验。通过试验研究获得了该水轮机在典型小流量工况下、一定含沙浓度条件下试件表面的磨损深度,并采用非线性拟合方法率定出两种材料在小流量工况下的磨损率公式。结果表明ZG0Cr13Ni4Mo材料比ZG06Cr13Ni5Mo材料的抗磨性能略优,并通过所得磨损率公式对电站在不同工况下运行两年的活动导叶磨损量进行了预估,为电站水轮机过流部件设计的提供参考。     

轴流泵装置模型断电飞逸过程三维湍流数值模拟

针对轴流泵装置模型断电飞逸过程特点,对应叶轮区所采用的冻结叶轮的变速旋转坐标系方法与基于任意拉格朗日-欧拉方法（ALE）的变速滑移网格法,构建基于三维非定常RANS方程与Spalart-Allmaras湍流模型的数值模拟方法,采用有限体积法对控制方程组进行离散,时间项采用一阶向后差分隐式格式,方程组中扩散项采用二阶中心差分格式,对流项采用二阶迎风格式,应用SIMPLEC方法进行速度压力耦合求解,采用初始工况的定常计算结果作为非定常计算的初始流场.经过轴流泵装置模型断电飞逸过程的数值模拟,获得了机组到达最大转速时所需时间为20.35 s,以及两种数值方法所得最大飞逸转速分别为1 610,1 989 r/min,装置模型稳态飞逸试验转速1 720 r/min,介于两者之间,同时揭示了机组转速、流量、转矩与测点压力等参数随时间变化规律与装置模型流道子午截面流速场、叶轮叶片压力场的瞬变过程,从而为机组结构优化设计和运行管理提供科学的参考依据.     

水轮机泥沙磨损两相湍流场数值模拟

为研究水轮机内部泥沙磨损的固液两相流动特性,应用基于计算多相流动力学理论中欧拉-欧拉方法的代数滑移混合多相流模型,采用多面体网格技术、标准k-ε湍流模型和压力速度耦合的SIMPLEC算法,转动区域应用多重参考系模型,对混流式水轮机全流道进行了三维定常泥沙磨损两相湍流场的数值模拟.利用商业CFD求解器ANSYS Fluent,获得了小开度工况下水轮机泥沙磨损发生的部位与程度,分析水轮机流道内泥沙磨损的特征规律,其中叶片上泥沙颗粒分布模拟结果与真机转轮实际磨损情况相符,表明该方法可以准确预测水轮机各过流部件的泥沙磨损情况,对揭示泥沙颗粒与水相互作用的固液两相湍流场诱发水轮机振动的影响机理及解决工程实际问题具有重要的意义,而且具有较高的工程应用价值.     

水泵水轮机水轮机工况全流道三维非定常数值模拟

为了研究水泵水轮机水轮机工况下的内部流场及压力脉动特性,对某蓄能电站的水泵水轮机几何建模,采用RNG k-ε模型和SIMPLE算法,对水泵水轮机水轮机工况时三维全流道的空载工况、25%负荷工况、50%负荷工况、75%负荷工况、额定工况及满负荷工况进行三维非定常模拟;同时,监测蜗壳入口、活动导叶之间、导叶与转轮之间无叶区,以及尾水管直锥段和弯肘段的压力脉动情况.结果表明:空载等低负荷工况下,活动导叶出口出现射流,使导叶与转轮间无叶区流场恶化及转轮叶片进水边附近产生涡结构,随负荷增加而缓解;50%负荷工况下,尾水涡带有多分支相互缠绕,导叶与转轮间无叶区受动静干涉高频脉动的影响,尾水管区域受尾水涡带低频脉动影响,且各自向上、下游传播;额定工况下,P1至P5测点压力脉动的压力呈现阶梯依次降低,转轮前、后部分转轮与导叶间无叶区测点P3、尾水管锥段测点P4的脉动压力值出现很大的落差;各工况下导叶与转轮间无叶区脉动频率不变,各频率幅值随负荷增加而增大.     

叶轮内部三维不可压湍流数值模拟

一般来说，离心泵叶轮内的流动是三维的湍流流动，叶轮的旋转和表面曲率效应以及随之而来的哥氏力和离心力，使叶轮内的流动极其复杂，致使内部流场测试困难。随着计算机技术的迅速发展．叶轮内流数值模拟研究相当活跃。为此，将计算流体力学（CFD）技术应用于叶轮设计，基于Nayier—Stokes方程和标准x—ε紊流模型，依据三维数值模拟的结果，优化与叶轮设计相关的几何参数，使叶轮内的流态接近于理想流态，从而保证叶轮具有良好的性能。     

高速诱导轮三维非定常湍流数值模拟

基于N—S方程和滑移网格技术,利用FLUENT软件对诱导轮内部流场进行了全三维非定常湍流数值模拟,获得了诱导轮内部的速度分布、静压分布以及流体压力脉动特征等重要的流动信息．描述了诱导轮进口及轮缘间隙处的回流现象,解释了回流现象发生的原因,即轮缘处叶片压力面和吸力面存在压差;分析了回流引起的进口低压区对诱导轮汽蚀性能恶化的过程;采用快速傅立叶变换处理监测点的压力脉动数据,发现流体压力脉动中的主导频率成分约为转频的Z次谐波,所以可避免流体脉动诱发的机械谐振．模拟结果为高速诱导轮的改进设计提供了一定的理论依据．     

立式导叶自吸泵内部湍流的大涡模拟

采用大涡模拟方法,运用CFD软件CFX对设计工况下的立式导叶自吸泵内部三维不可压缩湍流流场进行数值模拟。得到了其内部流场的压力分布和速度分布情况,对立式导叶自吸泵内部流场的相对速度分布和压力分布进行分析,对模型泵进行性能预测,得到了性能预测曲线,并进行了性能试验,结合预测结果与试验结果进行对比,说明大涡模拟法能够较准确地预测立式导叶自吸泵性能和内部流动特性,为立式导叶自吸泵的设计研究提供参考。     

立式轴流泵装置的三维湍流流动数值模拟

采用三维湍流数值模拟方法对南水北调东线工程某泵站立式轴流泵装置进行了优化水力设计研究工作;分别建立了轴流泵模型和立式轴流泵装置几何型体数学模型,并分别对轴流泵模型和立式轴流泵装置的内部流动进行了三维湍流数值模拟,计算所得的轴流泵模型的水力性能与模型试验的结果一致;轴流泵装置数值计算所得的水力性能与装置模型试验结果的基本规律相符。计算结果表明:采用数值计算的方法研究立式轴流泵装置内部的三维湍流流动及其水力性能是可行的,在此基础上对立式轴流泵装置进行深入的优化水力设计,可以最大限度地提高泵装置的水力性能。     

轴流泵装置三维非定常湍流流场的数值模拟

为了分析轴流泵内部流场的瞬时特性,结合非定常不可压牛顿流体的控制方程和RNGk-ε双方程湍流模型,考虑各过流部件之间的相互干涉作用,在Fluent软件中应用SIMPLEC算法和滑移网格技术,在一个完整的转动周期中对4000ZLQ53.5-6.6 JS型立式轴流泵全流道内的三维湍流流场进行了数值模拟.给出了在叶片角为0,°设计流量工况为53.5 m3/s时叶轮进出口干涉面的压力、速度与涡量云图,直观地显示了一个转动周期内叶轮干涉面的干涉情况.对干涉面物理量云图进行对比分析,得出了轴流泵内部流场瞬时特性的数值模拟计算结果.引入动态特性预测方法,对瞬时计算结果时均化,将动态特性预测结果与泵站的现场测试数据进行对比,证明了该数值模拟方法的可行性.这表明,计算所采用的轴流泵装置非定常三维湍流流场的数值模拟方法,是人们认识轴流泵流场流动与干涉机理的有效理论手段.     

双流道叶轮内湍流的三维数值模拟

对双流道泵叶轮内三维不可压湍流流动进行了数值模拟。计算采用了雷诺时均N-S方程和修正了的k-ε湍流模型，计算在体贴坐标系和交错网格中进行并采用了SIMPLE-C算法。计算结果揭示了双流道泵叶轮内湍流流动的压力分布和速度分布规律。研究结果可以用来对双流道泵进行性能预测并为双流道泵的优化设计创造了条件。     

离心泵叶轮内变工况三维湍流数值模拟

采用工程上广泛使用的标准k—ε两方程湍流模型，对离心泵最佳工况和大流量工况、小流量工况进行了叶轮内部流动的数值模拟，对3种工况下叶轮内的相对流动、径向流动及切向流动进行了分析，探讨了轴向旋涡的特征、叶片流道的挟持约束作用、叶片流道内的压力分布与流量的关系等流动特性。     

扭曲叶片离心泵叶轮内三维湍流数值模拟

为提高离心泵的优化设计水平，介绍了计算的控制方程和叶轮通道网格划分方法，采用压强连接的隐式修正SIHPLEC算法，结合雷诺平均法的RNGκ-ε模型和壁面函数法，应用商业CFD软件FLUENT，对叶轮内部的三维湍流流动进行了计算。分析了具有扭曲叶片的离心泵叶轮叶型对流速分布、压力分布和泵性能的影响，揭示了叶轮内流动规律。     

前置导叶调节混流泵性能的数值模拟

利用有限元分析软件数值求解不同工况下混流泵的内部流场,了解前置导叶调节工况的基本规律,以改善混流泵在非设计工况运行时的水力性能。在叶轮叶片进口部位读取液流流入叶轮时绝对液流角、相对液流角、和绝对速度圆周分量的值,分析其随前置导叶安放角改变而变化的规律。结果表明,叶轮进口绝对液流角小于前置导叶安放角,流量越小相差的幅度越大;大流量工况下进口预旋调节的效果比小流量工况更为明显;在一定流量范围内,通过进口导叶调节使得叶轮进口液流满足无冲击进口或者较小冲角进口条件,可有效地改善混流泵在非设计工况的水力性能。     

水轮机导叶磨蚀模型试验研究

针对水轮机过流部件的磨蚀破坏问题设计了模型试验。采用ARC高含量陶瓷涂层材料和金属材料表面纳米化技术进行水轮机导叶浑水冲击模型试验。金属材料表面纳米化和ARC高含量陶瓷涂层相比,前者抗磨蚀的性能较后者更强。高含量陶瓷涂层与母材的粘结牢固,没有出现涂层大块脱落和裂缝现象。试验结果对水电站水轮机的磨蚀防护重要的参考价值。