导叶片式旋流器下游断面螺旋流流速特性

将导叶片旋流器作为产生螺旋流的装置,采用理论分析和模型试验相结合的方法,对该旋流器下游断面的螺旋流流速特性进行了研究.研究结果表明:旋流器下游断面流速整体上关于管道圆心呈120°旋转对称分布.从管壁到管道断面中心旋流器下游断面的轴向流速逐渐增大,而周向流速和径向流速则均呈现先增大后减小的变化趋势.最大轴向速度位于管道断面中心处,最大周向流速位于距管壁约1cm处,最大的径向速度位于距管壁约2cm处.旋流器导叶片扭转角越大,在下游断面产生的螺旋流的周向流速、强度就越大,螺旋流的影响距离就越远.在距离旋流器导叶片后缘2m之前,螺旋流衰减较快,且随着旋流器的导叶片扭转角的增大,螺旋流衰减加快.研究成果可为进一步完善螺旋流旋流输送理论提供理论依据.     

起旋器内部的流速场和涡量场特性

为解决低压管道灌溉中存在的含沙水流淤堵管道的问题,采用了低压管道灌溉的螺旋流输水方式.起旋器是产生螺旋流的主要装置,通过理论分析与试验探索,在起旋器内部通道设置了4个测试断面,并对各测试断面内螺旋流的水力特性进行研究.结果表明：导叶对起旋器内部的流速场和涡量场都有重要影响.在不同半径的柱面上,导流片曲线段区域流速变化较大,且越靠近圆管边壁流速变化越强烈.在相同半径的柱面上,轴向流速变化最大,周向流速变化次之,径向流速变化最小.在导叶的进口产生涡旋,继而涡量不断增加并向无导流片区域扩散,形成了涡量密集区且在有导流片的区域,越靠近圆管边壁涡量变化越快.同时用罗斯比数与埃克曼数的大小来反映水流通过起旋器时水流旋转的强烈程度.起旋器内螺旋流涡量场中罗斯比数小于1,埃克曼数量级为10-6～10-5,表明水流通过起旋器时旋转较为强烈.     

立式轴流泵等圆出水管内流场试验

采用五孔探针对轴流泵圆形出水室和出水管内流场进行详细测试,研究了后导叶出流环量、泵轴旋转诱导和出水弯管二次流对流态的影响,分析流场形成机理,揭示流动规律．结果表明：后导叶出流环量较大,旋转方向与叶轮相同,泵轴对附近水体有明显的诱导作用,泵轴附近环量明显增大,出水室和出水管内的环量沿流程逐渐衰减,但衰减速度渐慢,整个出水管内水流都具有一定的环量．出水管内为复杂的螺旋流,断面轴向流速和周向流速分布不均匀、不对称,轴向均匀流和对称流的常规假定与实际不符．研究成果对轴流泵装置的优化水力设计,提高泵装置效率有重大意义．     

立式轴流泵进水流场PIV测量

采用3D-PIV激光流速仪对立式轴流泵喇叭管和进水池内部流动进行了测量,2个典型流量工况下的测量结果表明:设计流量(Q0)工况时,叶轮进口断面流速场呈对称分布,断面轴向流速均匀度达到0.87,无旋涡发生,喇叭管内及泵叶轮进口水流流态良好;大流量(1.2Q0)工况时,叶轮进口断面流速场呈非对称分布,断面轴向流速均匀度仅0.70,流道及喇叭管内有较强的旋涡产生,并进入叶轮诱发振动。分析了旋涡核心区的细部流动结构,导出了旋涡的数字形态,揭示了涡核内水流圆周分速度的分布规律,涡核中心的流速接近为零,圆周分速随涡核半径增加而增大,在半径3~5 mm范围内速度梯度最大,旋涡的强迫涡特征十分明显。提出了基于流量的单元面积加权流速均匀度及相应的计算公式,使过流断面流速均匀度的计算结果更为合理、更加符合实际。     

轴流泵出水管内部流动水力特性研究

用五孔探针测定轴流泵出水管内部三维流场,揭示其流动规律,分析流场形成机理,利用流场数值模拟方法计算出水管水力损失.结果表明,后导叶出流环量较大,由于出流环量和出水弯管二次流的共同作用,出水管内为复杂的螺旋流,断面轴向流速和周向流速分布不均匀、不对称,与常规轴向均匀流和对称流的假定不符.过大的环量增大了出水管内水力损失,减小环量可减小水力损失,提高泵装置效率4%～8%.     

渠底螺旋流形成及其流速结构的分析研究

渠底涡管螺旋流排沙是利用涡管内产生的螺旋流排除渠道中来沙的一种泥沙处理技术.渠底涡管排沙的机理是水沙的惯性作用和边界条件相结合的产物.在涡管内水流沿管方向运动,同时受到渠道水流纵向流速的影响,在涡管内形成既有纵向流速又有横向流速的水流运动,从而形成螺旋流.为对渠底螺旋流形成及流速结构有一个比较深入的认识,首先分析了影响渠底螺旋流形成的关键因素,并通过已有的试验资料对渠底涡管内螺旋流横向流速分布进行分析计算,然后讨论了不同流量不同底坡对流速分布的影响,得出了关于渠底螺旋流的规律性结论.     

渠底螺旋流形成及其泥沙起动机理的分析研究

渠底涡管螺旋流排沙是利用涡管内产生的螺旋流排除渠道中来沙的一种泥沙处理技术。渠底涡管排沙的机理是水沙的惯性作用和边界条件相结合的产物。在涡管内水流沿管方向运动,同时受到渠道水流纵向流速的影响,在涡管内形成既有纵向流速又有横向流速的水流运动,从而形成螺旋流。为对渠底螺旋流形成及流速结构有一个比较深入的认识,本文首先分析了影响渠底螺旋流形成的关键因素,并通过已有的试验资料对渠底涡管内螺旋流横向流速分布进行分析计算,然后讨论了不同流量不同底坡对流速分布的影响,得出了关于渠底螺旋流的规律性结论。     

进口流场对虹吸式出水流道的性能影响

采用数值模拟方法,把轴流泵后导叶的出口流场作为虹吸式出水流道的进口流场,研究对其水力特性的影响。计算结果表明,导叶出口流速和压力分布不均匀,存在横向流速和剩余环量,使虹吸式出水流道水力特性变差,下降段和出口段的回流区增大,驼峰断面和出口断面轴向流速分布均匀度显著下降,水力损失增加。轴流泵后导叶出口流场影响虹吸式出水流道两侧的流量分配,右侧流量恒大于左侧流量,而右侧的水力损失却小于左侧的水力损失,但两者都比无旋、轴向进水条件下的流道水头损失大得多,流量和水头损失的关系并不符合二次抛物线变化规律。     

卧式泵站竖井进水流道三面进水水力特性数值模拟

针对某单向卧式引水泵站采用的竖井式进水流道进行优化设计,提出三面进水竖井进水流道,为分析三面进水下竖井进水流道的水力特性,基于雷诺时均N-S方程和k-ε标准湍流模型,采用CFD技术对该卧式泵站的三面进水竖井流道进行数值模拟,通过控制中墩的线型以及中墩宽度b形成不同的三面进水流道,从而分析不同三面进水流道的水力特性,具体分析不同方案进水流道出口断面的轴向速度分布、水平剖面的流线和速度分布以及流道水力损失的状况.研究结果表明:对于不同中墩宽度下的三面进水流道,流线型中墩较矩形中墩其流速分布均匀度和速度加权平均角均较大,采用流线型中墩可以获得较好的流态;对于流线型中墩,随着中墩宽度b的减小,过水断面面积逐渐增大,各方案流速分布均匀度和速度加权平均角逐渐增大,当b=0.075B时,此时流线型中墩泵进口断面上的压力分布较矩形中墩更为均匀.     

贯流泵扩管内流场的三维LDV测量

贯流泵扩管对贯流泵装置性能的改善有一定作用,采用三维多普勒激光测速仪(LDV)对贯流泵扩管内流场进行流动测量,获得了扩管内各速度分量的分布规律,周向速度从进口到出口逐渐减小,靠近轮毂处和轮缘处周向流速逐渐减小;轴向速度呈"U"形分布,靠近壁面流速很小,中间区域的流速比较大,随着扩管的扩散,轴向速度有减小的趋势;径向速度的分布情况也是中间速度比较大,靠近壁面处流速减小。同时将测量结果与CFD计算结果进行了比较。结果表明:计算值与试验值的流速分布趋势基本一致,两者的周向速度和轴向速度比较接近,但是径向速度由于其本身的流速较小,所以从相对值来说计算值和试验值偏差比较大。     

基于CFD的导流墩几何参数对闸站合建枢纽通航水流条件的影响研究

闸站合建枢纽通航时容易在导流墩附近出现复杂水流现象。【目的】改善导流墩墩头前的斜流、偏流以及面层横向速度和轴向速度大的问题。【方法】基于计算流体力学(CFD)对某闸站合建枢纽节制闸通航水流条件进行数值模拟,研究分析了导流墩长度、开孔与否、开孔宽度、相邻孔口中心间距及开孔高度等参数对闸站合建枢纽通航水流条件的影响。【结果】综合考虑导流墩前横向流速、轴向流速及斜流面积,采用单因素递进分析表明,随着导流墩长度增加,导流墩前流速和斜流面积先减小后增大;当开孔宽度增加到4.5 m时,墩头前流速进一步减小,大于4.5 m时,墩头前流态恶化;随着开孔中心间距的增加,导流墩前流速呈现先减小后增大的趋势,孔口中心间距为6.25 m时,流态较优;当开孔高度增加到3.8 m时,墩头前流速和斜流面积进一步减小,大于3.8 m时,墩头前流速和斜流面积随之增大。【结论】通航水流条件的优劣受导流墩结构影响显著,导流墩开孔能够减小墩头前水流面层横向和轴向速度及斜流面积,提高通航安全性。导流墩最优开孔方案为:导流墩长度25 m、开孔宽度4.5 m、相邻孔口中心间距6.25 m、开孔高度3.8 m,相应墩头前水流横向和轴向速度及斜流面积分别为0.25 m/s、0.75 m/s、12.56 m~2。     

轴流泵装置虹吸式出水流道内流机理数值分析

为研究轴流泵对虹吸式出水流道内部流动特性的影响机理,采用CFD(Computational fluid dynamic)方法对虹吸式轴流泵装置进行全流道的数值计算,在考虑了轴流泵与虹吸式出水流道内流相互影响的条件下定性地分析了虹吸式出水流道的流场特征,定量地研究了导叶体出口剩余环量和流量对虹吸式出水流道水力损失的影响,给出了相应的数学关系模型,并将泵装置性能预测结果与模型试验结果进行了对比。结果表明:受导叶体出口剩余环量和流量的双重作用虹吸式出水流道内部流态差异较大,虹吸式出水流道的水力损失主要集中于驼峰断面前的过流通道。各工况时虹吸式出水流道驼峰断面的速度加权平均角的均值为52.34°,不同工况时速度加权平均角变化范围仅在0.1°~2.3°之间。随流量系数的增大,驼峰断面的轴向速度分布均匀度逐渐增大,导叶体出口剩余环量则先减小后增大,在高效工况范围内导叶体出口剩余环量存在最小值。导叶体出口剩余环量通过影响虹吸式出水流道内部流态而对出水流道水力损失产生影响,虹吸式出水流道的水力损失与流量未呈二次方关系。     

轴流泵出口能量分布特性与测定

试验发现，用常规方法测定的轴流泵出口能量偏小。为揭示其原因，用五孔探针测定轴流泵出口流场，结果表明，出流具有较大的周向流速，断面轴向流速分布很不均匀，各点单位势能不等，出水管内为螺旋流动，属急变流，简要分析了它的形成机理，并给出了用常规方法测定轴流泵出口能量的修正方法。     

泄水锥加长与主轴中心孔补水对水轮机尾水管流态的影响

为了探究泄水锥加长与主轴中心孔补水对水轮机尾水管流态的影响,采用SST湍流模型对某混流式模型水轮机进行了全流道三维非定常模拟.对额定工况下原泄水锥、泄水锥加长这2种方案,以及对部分负荷工况下原泄水锥、泄水锥加长、泄水锥加长后补水这3种方案进行了计算.分析了不同方案下尾水管水流流线、尾水管各断面压力、尾水管涡带及流体的涡流黏度值的变化情况.结果表明:在额定工况下,泄水锥加长后对尾水管水流有稳流效果且水轮机效率略有提高;在部分负荷工况下,泄水锥加长后尾水管中心产生的涡带有变小的趋势,但涡带的偏心距稍有增加,而向尾水管补入2%额定流量的水流后,尾水管流态明显改善,直锥段水流的涡流黏度值降低,尾水管涡带的偏心距和涡带形态都有所减小,由偏心涡带引起的低频压力脉动幅值也有明显降低.     

阀门小开度对突扩管流下游脉动压力特性的影响

为了分析阀门开度对变截面管流下游脉动压力特性的影响,提高管路水流的稳定性和输送效率.进行了不同阀门开度对突变截面圆管下游流动的脉动压力特性试验,以清水为流体,并以不同阀门开度和距突扩距离的长短为变量,测试了突扩管流不同位置的脉动压力幅值.研究结果表明:变截面管流下游流体脉动压力过程曲线具有随机平稳特性,使用阀门调节流速会使各点脉动压力周期变长;阀门会使变截面管流下游产生50 Hz左右的脉动压力,流体脉动压力幅值与阀门开度正相关;随着距突扩距离的增加,流体压力脉动强度先增大后减小;随着阀门开度的增加,脉动压力能量分布频域逐渐变宽,流体流过突扩后的脉动压力恢复长度变长.     

平直管段不同宽度动边界环隙流场特性

为进一步探讨不同因素对动边界环隙流场水力特性的影响,采用试验和理论分析相结合的方法,对环隙宽度条件分别为25,20,15,10 mm的动边界环隙流场水力特性进行研究,试验采用筒装料管道水力输送管道车模型在管路系统平直段部分完成,流量条件为60 m3/h,管道车模型质量为750 g．研究结果表明:平直管段动边界环隙内部水流为紊流形态;环隙断面内各测点压力值随环隙宽度增大趋于集中,且同一断面内动边界管道车壁附近压力值较小,固定管道边壁处压力值较大;同一宽度条件下,轴向速度在车中断面内分布较车前、车后断面更为均匀,且呈现动边界附近速度值较大,固定边界附近值较小的环绕车体层状分布;环隙宽度为20 mm时,断面内轴向速度分布均匀性最好;各环隙宽度条件下,车身沿程各测试断面内周向速度均呈现不均匀分布．     

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。     

MEMS流速仪流体动力学设计

针对MEMS技术在流速测量的领域的应用,设计了一种基于MEMS技术的在线流速仪。为了优化传感器探头结构设计与芯片选型,利用CFD方法建立流速仪的流体动力学模型,对其施加外部复杂对流-传热耦合热边界条件,进行流固耦合传热计算,得到不同直径的流速仪温度场分布。采用遗传算法对CFD方法计算结果进行拟合,建立了探头温度T与水流速度V及探头直径D之间的修正方程。测试结果表明:传感器探头温度随着水流速度的增加而呈指数形式减小,随着探头外径的增加而减小。当水流速度小于0.1m/s时,探头温度随速度减小变化较快,即该量程范围内测量精度较高。     

船用喷水推进泵装置水力特性数值模拟

为了更好地分析喷水推进导叶式混流泵装置的水力特性,通过选取标准k-ε湍流模型,采用计算流体动力学分析软件CFX对包括推进泵、进水流道、船底水体和喷嘴在内的船用喷水推进装置在各流量工况下的运行情况进行了数值模拟,分别从流道水力损失分布、装置水力性能、轴向力和内流场特性等方面展开分析.模拟结果表明:流道进口断面到方变圆断面段几何形状较为复杂,水力损失占总损失比重最大,特别是小流量工况,该比重超过了90%,但随着流量的增大,该比重会减小,其余各段水力损失的比重则增加;装置在0.50Qd附近进入水力不稳定区,0.76Qd~1.10Qd为装置运行的高效区,喷水推进泵装置受到的轴向力随着流量的增大而减小;在小流量工况下,叶槽内流态较为复杂,展向涡、径向涡和泄漏涡均较为明显,随着流量的增大,这些涡均逐渐缩小直至消失.     

基于标准k-ε紊流模型的泵站进水管路水力特性研究

【目的】针对黄河下游某提水灌溉泵站进水管路布设不合理引起的水泵进口水流流态恶化、水泵叶片断裂、水泵机组振动及超载运行等问题,对泵站进水管路进行技术改造。【方法】运用三维不可压缩流体的N-S方程和标准k-ε模型对改造前后的进水管路的水力特性进行了数值模拟,分析了5种流量下进水管路不同断面的流速分布和流线分布、出口(水泵进口)断面的流速分布均匀度、管路水力损失、管路涡量分布及涡量值。【结果】改造后的进水管路水力损失平均降低78.96%,最大正、负涡量值平均降低83%～84%;进水管路的水流流态和涡量分布趋于均匀,进水管路水流平稳,平均流速为1.57～1.93 m/s,满足规范要求;进水管路出口断面的流速分布均匀度平均提高4.48%,有效地改善了水泵进水条件。【结论】改造后的泵站进水管路水力特性得到改善,每台机组有功功率降低35 kW,节能效果明显,可为类似改造工程提供参考。