过流边壁不平整度对高速水流空化的影响

采用Realizable k-ε紊流模型对边壁不平整的高速水流流场进行三维数值模拟,研究三维流场的流态、压强分布及局部空化空蚀等.研究分析边壁不平整的形态、不平整度大小等对近壁流场的影响,并且研究减小水流空化的措施.结果表明:外凸型壁面缺陷对流场稳定性及水流空化影响相对较小;内凹型壁面缺陷,极小的表面不平整也将引起近壁水流空化,其中圆弧形缺陷影响最小;对于内凹型缺陷,将凸起部位打磨到一定高度及坡度,可以一定程度上改善流场特性,减轻水流空化影响.

保水堰堰井段体型优化的数值模拟

在保水堰井中,水流向上翻过保水堰进入堰井下游段,水流流线较弯曲.水流经过扩散进入下游有压箱涵段,下游有压箱涵入口段流速分布往往不均匀,需要经过一段距离才会恢复至比较均匀的状态.若流速分布均匀性太差会影响下游有压箱涵的入流.并且由于堰井段是水气两相流,堰后的水流旋滚可能会携气进入下游有压箱涵,对入流条件及管道安全运行非常不利.采用VOF模型(Volume of Fluid model)进行数值模拟的方法进行优化分析,结果表明:适当增加堰井下游段长度能较明显的改善水流流态及下游有压箱涵的入流情况.

分段低压输水系统中堰井段水面波动数值模拟

为研究输水系统中堰井段水面的波动现象,采用Realizableκ-ε紊流模型耦合VOF法对分段低压输水系统进行二维数值模拟,分析了堰后水深对水面波动规律的影响,探讨了在外加扰动作用下水面波动的规律。结果表明,堰后存在高、低两个水位区间,堰后水位处于这两个区间时,水面将会以某一主要频率稳定持续地波动;当堰后水位处于这两个区间之外时,水面波动变得无规律或只有微弱的波动。外加扰动对水面波动会造成一定影响,当外加扰动频率与水面波动固有频率一致时,即使外加扰动强度很小也会引起水力共振,水面波动幅度大大增加;外加扰动频率与固有频率相差较大时,水面波幅在某些特定时刻达到最大,然后减小到最小值,再增大到最大值,波动幅值的变化呈周期性,并推导出了相应的周期公式,为相关研究提供了参考。

保水堰后增加明槽段对水体进气及水流流态的影响

针对长距离分段低压输水系统中堰井后带明槽段与不带明槽段两种输水单元,采用VOF模型(Volume of Fluid model)进行二维数值模拟,研究分析两种输水单元保水堰流量系数、堰后水体进气量、气泡运动规律及下游有压箱涵流速分布状态等。结果表明:堰后增加明槽段基本不影响保水堰的流量系数及堰后水体的进气量,堰后水体进气量随淹没度减小而增大;增加明槽段能显著减少气体进入下游有压箱涵,能限制堰后旋滚向下游有压箱涵发展,并且能调整堰后底部主流使之平顺的进入下游箱涵,使下游箱涵中水流流速分布更加均匀。

弯管内三维流场水力特性数值模拟

为研究弯管三维流场的流态、压强分布及局部水流空化等水力特性,采用Realizable k–ε紊流模型对弯管流场进行三维数值模拟,研究分析雷诺数、渐变段形状、曲率半径比及转角对弯管流场的影响。结果表明:随着雷诺数增大,弯管内侧压强逐渐减小,甚至出现负压,此时水流易产生空化现象;在雷诺数相同的情况下,弯管入口上游设置渐变段更易使水流脱离弯管内侧,从而造成弯管内侧出现负压,渐变段到弯管入口的距离对弯管流场影响不大;弯管曲率半径比越小,弯管内侧压强越小;减小转弯角度能使水流在弯管分布更均匀,从而显著减小弯管负压区的分布范围,甚至能避免空化现象的产生。

U型结构中的水体振荡特性

采用FLUENT软件并选用VOF模型(Volume of Fluid model)对U形结构的水体振荡进行二维数值模拟,首先采用吴持恭推导的U形管中水体振荡周期公式验证采用数值模拟得到的结果可靠。然后研究U形结构的振荡特性,上下游横截面积对振荡周期、振荡幅度的衰减及振荡过程中水流流态的影响。结果表明:增大U形结构上游或者下游横截面积会增大水体振荡周期,特别是同时增大上游与下游横截面积,效果更加显著;当中间有压管道的长度增加到一定程度以后,增加横截面积对周期造成的影响趋于一致,可以拟合出相应的公式;增加横截面积,特别是同时增加上下游横截面积造成水体中产生较大的水流漩涡,增大局部水头损失,能显著加快水体振荡的衰减。

卜形岔管水力特性研究

提出在不改变分岔角角度的同时,通过设置直线倒角,以应对分岔角应力集中问题。通过数值模拟方法,研究了设置倒角的卜形岔管水力特性,具体对比分析了不同结构参数的圆弧形、直线倒角体型岔管汇流的水流流态、泄流能力和压强特性。结果表明,直线倒角体型岔管流场平顺,主流流向与支管轴线的一致性较好,而圆弧形倒角体型岔管的流场顺畅性相对较差;对于相同的倒角半径,直线倒角体型岔管的泄流能力优于圆弧形倒角体型岔管,且倒角半径越大,对泄流能力的影响越大,与无倒角时相比,直线倒角与圆弧形倒角体型岔管泄流量最大降幅分别为0.5%、6.8%;直线倒角体型岔管压强分布特征与无倒角体型岔管较为接近,但圆弧形倒角体型岔管与之有明显区别,存在局部低压区。