轴向间距对矿用旋风机旋转失速性能的影响

矿用对旋风机在小流量工况运行时极易出现旋转失速现象,严重影响其运行稳定性。采用SST k-ω湍流模型,对FBCDZ-10-No20型对旋风机在5种轴向间距下全流道内的非定常流动进行数值模拟,研究了轴向间距对矿用对旋风机失速过程的影响,揭示了不同轴向间距时的失速起始与发展机理。结果表明:轴向间距对失速起始扰动的首发位置、表现形式和发展过程都具有显著影响。对于70、100 mm两种轴向间距,失速起始扰动均首发于前级叶顶,随后在两级叶轮之间的动−动干涉作用下,后级叶顶也出现失速起始扰动,但与70 mm的轴向间距相比,当轴向间距为100 mm时,动−动干涉效应相对较弱,使得后级出现失速起始扰动需要更长的时间。对于140、170、225 mm三种轴向间距,失速起始扰动均是首先发生在后级叶根区域,不同的是140 mm间距时,前级叶顶泄漏流不能完全随主流流出通道,而是形成了局部叶顶堵塞区;而对于170、225 mm两种间距,前级叶顶则几乎没有堵塞区,最终仅在后级形成了成熟的失速涡团。随着轴向间距的增大,由前级叶顶泄漏流发生前缘溢流及尾缘反流形成的堵塞区逐渐缩小,而由后级叶根吸力面径向涡流形成的堵塞区则逐渐增大,当前级叶顶泄漏流无法形成堵塞区时,失速类型就由前级叶顶泄漏流诱发的“突尖型”转变为由后级叶根径向涡流诱发的“局部喘振型”。

轴向间距对FBCDZ-10-No20型对旋风机失速过程的影响

对旋风机在小流量工况运行时容易出现失速甚至喘振等不稳定现象,为研究轴向间距对对旋风机失速起始及其发展与传播过程的影响,采用Shear Stress Transport(剪切应力输运)k-ω湍流模型,对一台FBCDZ-10-No20型对旋风机全通道内的非定常流动进行数值模拟,探究了2种轴向间距下对旋风机的失速发展过程。结果表明:轴向间距对对旋风机失速起始及发展过程具有显著影响。在失速起始阶段,当对旋风机两级叶轮的轴向间距为170 mm时,失速起始扰动首先发生于后级叶根吸力面的尾缘区域,之后扰动沿径向从叶根向叶顶发展,沿周向向某个叶片通道聚集,导致该叶片通道堵塞,从而引起对旋风机失速;当轴向间距为70 mm时,失速起始扰动先后发生于前、后级的叶顶区域,之后扰动逐渐增强,最终发生失速。在完全失速阶段,轴向间距对于失速涡团沿周向、轴向及径向的传播都具有显著影响。轴向间距为170 mm时对旋风机进入单涡团全叶高失速,失速涡团沿轴向传播范围限于后级叶轮区域,沿周向以33.3%的后级转速旋转;轴向间距为70 mm时对旋风机进入多涡团部分叶高失速,失速涡团先后在两级叶轮叶顶区域产生,沿轴向向上、下游传播,沿径向分散于各叶片通道的70%叶高以上区域。由于两级叶轮轴向间距的改变,引起了对旋风机的失速起始扰动类型发生了由“局部喘振型”向“突尖型”的转变。

畸变进气条件下矿用对旋主通风机旋转失速机理研究

为了揭示畸变进气条件下压入式矿用对旋风机的旋转失速机理,基于分离涡模拟方法与节流阀模型,对旋风机内部的非定常流动开展了数值模拟与分析。结果表明:对旋风机两级叶轮内的失速起始扰动均为“突发型”,均首先发生于叶顶区域,但前级叶轮较后级叶轮更早地进入旋转失速状态。后级叶轮叶根区域也同样出现了扰动,但该处扰动是独立产生和发展的。另外,两级叶轮内失速团的传播均是通过相邻叶片通道流入的反流与本叶片通道流出的反流所引起的失速团扰动强度沿叶轮周向的变化来实现的,前级叶轮内失速起始扰动与失速团的传播速度分别为叶轮转速的60.9%和35%,后级叶轮内二者的传播速度分别为叶轮转速的55%和46%。

畸变进气对对旋风机单级运行内流特性及性能的影响

为对压入式矿用对旋风机在畸变进气条件下单级运行方案的合理选择提供理论依据,采用SST k-ω湍流模型对风机前级和后级叶轮单独运行情况下的内部流场进行非定常数值模拟,分析了均匀和畸变两种进气条件下单级叶轮运行时的内流特性,对比了全压和全压效率等风机性能参数。结果表明:当前级叶轮单级运行时,畸变进气对流动的影响集中在前级叶轮上游区域,前级叶轮出口直至扩散器区域内流动扰动较小;后级叶轮单级运行时,畸变进气加剧了前级叶轮作为前导叶对后级叶轮区域内流动产生的不利影响,两级叶轮内熵损失较均匀进气条件显著增大,扩散器内的湍流程度加剧。与后级叶轮单级运行相比,前级叶轮单级运行受畸变进气影响而导致的流动损失较小,全压效率提高约11%。

叶顶间隙对压入式矿用对旋主通风机叶顶区域流动性的影响

为了研究叶顶间隙对压入式矿用对旋主通风机叶顶区域流动的影响,分别针对2mm、3mm和4mm三种叶顶间隙下风机全流道内的非定常流动进行数值模拟。结果表明:随着叶顶间隙的增大,在峰值效率工况下,叶顶区域的熵损失显著增大,后级叶顶区域的流动损失明显高于前级;在近失速工况下,前级叶顶区域出现了前缘溢流、尾缘反流现象,前级叶顶区域的流动损失比后级更大。在较大的叶顶间隙下,前级前缘叶顶泄漏流形成松散的涡系结构,诱导叶顶间隙的中部和尾缘区域的泄漏流形成回流和二次泄漏,堵塞叶顶区域的通道入口,引起“突尖型”失速起始扰动的发生。

周向畸变进气对压入式矿用对旋主通风机内流特性及性能的影响

为了研究周向畸变进气对风机内部瞬态流场的影响,采用SSTκ-ω湍流模型对压入式矿用对旋主通风机装置全流道内的三维流动进行数值模拟,详细分析了周向畸变进气条件下对旋风机的内流特性和性能。结果表明:周向畸变进气导致对旋风机的全压和效率下降,稳定裕度减小,且对大流量工况下的风机性能影响较大;周向畸变流过前级叶轮后有所削弱,但并未完全消除,畸变区沿周向发生了偏移,其对后级叶轮内部流动的恶化程度明显减弱;前级叶轮畸变进口处相对于畸变中心和出口处流动状态有所改善,但叶片的做功能力相对较弱;即使在设计工况流量下,周向畸变也使前级叶轮畸变区的叶顶区域出现了轴向反流和“突尖型”失速先兆,但该失速先兆并未向畸变区之外传播,前级叶轮产生的是畸变区内的部分失速而非整个前级叶轮的单级失速。

纵向涡强化片式散热器换热性能的数值分析

为提高油浸式变压器用片式散热器的综合换热性能,在散热器空气侧安装新型六边形翼涡流发生器,通过数值模拟研究涡流发生器的纵向间距、攻角以及形状对片式散热器换热性能的影响,并运用场协同原理从速度场和温度场相协同的角度阐述纵向涡强化换热的机理。结果表明:同等面积下六边形翼的阻力因子较矩形翼有所增大,但其努塞尔数的提高更加显著;当六边形翼C涡流发生器布置间距为60 mm、攻角45°时,速度矢量与热流矢量间的夹角最小,速度场和温度梯度场协同性最好,散热器综合换热性能最佳,比普通片式散热器的综合换热性能提高26.52%。

公路声屏障降噪性能数值模拟及结构优化

为提高公路声屏障的降噪性能,从声波绕射和反射两个角度考虑,通过声学有限元法(finite element method,FEM)分别探究声屏障顶端类型和表面扩散体间距、宽度以及高度对声屏障插入损失的影响,基于以上分析,提出一种适用于治理公路交通噪声的复合结构声屏障。结果表明,改变声屏障顶端和扩散体结构,对低频噪声影响较小;对于中、高频段,90°夹角的Y型声屏障降噪效果较好,在1 250~2 000 Hz频段内其插入损失较其他顶端类型可提升13 dB;当频率在1 000 Hz附近时,增加矩形扩散体的宽度、高度和间距可提高声屏障降噪效果;针对主要集中在800~1 250 Hz的公路交通噪声,设置复合结构声屏障可有效抑制声影区噪声辐射,附加扩散体后的复合声屏障与Y型声屏障相比,其插入损失最大可提高6 dB。

水介质复合消声器传递损失特性分析

为了降低水介质管路系统的低频噪声以及更加准确地预测水介质消声器传递损失,设计一种水介质复合消声器,使用结构声耦合数值模型分析消声器的声学特性。计算壁厚为150 mm的穿孔管消声器传递损失,并与刚性条件下的数值结果进行比较,验证方法的正确性;研究弹性腔壁与水介质的耦合作用以及不同结构参数的穿孔管和内插管对消声器传递损失的影响。数值研究表明:复合消声器的消声效果相较于传统的穿孔管消声器有较大提升;降低腔壁材料的弹性模量会使结构声耦合效应增强,低频消声性能得到提高;增加腔壁材料的阻尼系数,通过频率处的消声效果得到提高;减小腔壁壁厚有利于低频消声效果的提高,但不利于宽频范围的消声性能;复合消声器内加入内插管后,消声效果在较大频率范围内得到提升;改变穿孔管的结构参数,对低频消声效果影响不大。

片式散热器油道内插件强化换热的数值分析

片式散热器具有成本低、结构简单、散热效率高等优点,是保障变压器正常生产、调节工艺介质温度的关键设备,其换热性能会影响变压器内部绝缘材料的使用寿命,为达到节能环保、降低能耗的目的,针对目前片式散热器的综合换热性能较低的问题,在散热器单油道内设置改进型波浪带,研究波浪带类型、波浪带峰值、波浪带宽度对片式散热器油道换热性能的影响。研究结果表明:普通波浪带和改进型波浪带均使油道综合换热性能提高,改进型波浪带的综合换热性能更佳;随着峰值增大,油道综合换热性能提高,峰值为3.5mm时综合换热性能最佳,可将油道的综合换热性能提高6.04%;随着宽度增大,油道综合换热性能先提高后降低,宽度为7mm时综合换热性能最佳,可将油道的综合换热性能提高4.59%;改变峰值比改变宽度对油道综合换热性能的提高更有利。这一结论可为设计和改进片式散热器提供参考。

轴流式水轮机全流道内非定常空化湍流的数值模拟

为了研究轴流式水轮机内部的空化流动,将Fluent 6．1商用软件中的一种完整空化模型和一种混合流体两相流模型相结合,对某水电站原型轴流式水轮机全流道内的非定常空化湍流进行了数值模拟。根据模拟结果,预测了水轮机在特定工况下运行时流道内空化发生的部位和程度,并对水轮机的能量性能进行了预估。数值预测的空化流动现象与模型水轮机空化试验中所观察到的现象基本一致,说明数值模拟结果可为轴流式水轮机的运行性能预测提供参考。

轴流式水轮机内部空化流动的数值预测

将一种完整空化模型和一种混合流体两相流模型相结合,应用于轴流式水轮机全流道内定常空化流动的数值模拟。根据模拟结果,分别预测了水轮机在正常和较低尾水位情况下运行时,流道内空化发生的部位和程度,重点考察了尾水位的降低对水轮机空化性能的影响,为水轮机在特定运行工况下的空化性能预测提供参考。

湍流冲击射流流动与传热的数值研究进展

湍流冲击射流由于其冲击表面时具有很高的局部传热率和冲击力，被广泛应用于如表面的加热、电子元件的冷却、纸张的干燥和材料的切割等工程应用和工业过程中．由于其流动的复杂性，也常被作为一种理想的测试实例来评价湍流模型的性能．此外，湍升力射流与地面之间的空气动力作用对Ｖ／ＳＴＯＬ（垂直或短距离起落）飞机的性能具有很大的影响．长期以来，人们从理论分析、实验测量和数值模拟方面对冲击射流进行了广泛而系统的研究，积累了丰富的资料．本文在分析了湍流冲击射流的数值研究现状的基础上，对近年来有关湍流冲击射流流动与传热的数值研究方面的文献有选择地进行了综述，重点评述了不同湍流模型对冲击射流流动与传热的预测能力，讨论了存在的问题并对该领域今后的研究方向进行了展望．

三维湍流冲击射流流动与传热特性的数值研究

采用SIMPLE算法和RNGk-ε湍流模型,通过求解三维Navier-Stokes方程和能量方程,对矩形管和方管湍流冲击射流的流动及传热特性进行了数值研究。模拟结果显示出在矩形管和方管射流的冲击面附近分别存在主流方向速度的两个和四个偏心峰值,偏心速度峰值的形成是当射流冲击壁面时,沿壁面射流方向的涡量扩散和旋涡拉伸作用而引起的;偏心速度峰值的形成与射流Re数和喷嘴-冲击板间距的大小密切相关,而偏心速度峰值的个数则取决于射流喷嘴的几何形状;冲击射流的传热特性受流场结构的控制,偏心速度峰值的存在导致了冲击壁面上局部Nu数偏心峰值的形成。

轴流式水轮机内三维空化湍流的数值研究

采用一种完整空化模型和一种混合流体两相流模型,对轴流式水轮机全流道内的定常空化湍流流动进行了数值模拟。根据模拟结果,考察了水轮机在低尾水位下运行时流道内空化发生的部位和程度,并对水轮机的空化性能进行了预估。数值预测的空化流动现象与模型水轮机空化试验中所观察到的现象基本一致,说明数值模拟结果可为水轮机的空化性能预测提供参考。

用改进的RNG模式数值模拟湍流冲击射流流动

在Yakhot和Orszag提出的重正化群 (RNG)k -ε湍流模式的基础上 ,对模式系数Cμ 和近壁处理方法加以改进 ,并将其推广应用于湍流冲击射流的数值模拟 .将计算得到的平均速度分布和湍动能分布与标准k -ε模式的计算结果以及实验数据进行了比较 .结果表明 ,用改进的RNGk -ε模式得到的数值结果与标准k -ε模式的结果相比具有显著的提高 ,尤其对滞止区附近的湍动能分布预测结果与实验结果具有较好的一致性 .这是因为RNGk ε模式与改进的近壁处理方法相结合有效地降低了涡粘性的预测值 ,进而引起湍动能预测值的下降 .且计算中采用了Cμ 和Cε1的改进表达式 ,适当地考虑了流动中各向异性湍流和不平衡应变率影响的结果 .

RNG κ-ε模式在工程湍流数值计算中的应用

自Yakhot和Orszag提出RNG k-ε湍流模式以来,很多学者对其进行了修正和发展,并将其应用于某些实际湍流问题的数值模拟,取得了一些与实验近似一致的结果。本文主要从工程湍流计算的角度出发,结合作者的部分研究工作,对近年来RNG k-ε模式在湍流流动数值研究中的应用现状及进展情况进行了总结,指出了该模式存在的问题,并对其应用前景进行了展望。

半封闭狭缝湍流冲击射流的数值模拟

将Yakhot和Orszag提出的RNGk ε模型推广应用于半封闭狭缝冲击射流场的数值模拟 ,以评价该模型对这种复杂湍流的预测能力。将计算得到的流场平均速度分布、湍流强度分布和流函数分布与标准k ε模型的预测结果以及相应的实验数据进行了比较 ,结果表明 :RNGk ε模型的预测结果总体上要好于标准k ε模型 ,但与实验值相比 ,所有预测结果都还存在不同程度的误差 ,尤其是近壁区和滞止点较远下游处的湍流强度分布。说明RNG模型虽然已在某些湍流的预测中取得了一定的成功 ,但要定量准确地预测冲击射流场 。

流体力学课程教学中几个基本概念的教学方法

基于作者多年来在流体力学课程教学中的经验和体会,结合授课班级学生反馈回来的信息,对流体力学课程中关于流体质点与流体微团、连续介质假设、牛顿内摩擦定律、不可压缩流体等几个学生普遍反映抽象难懂的基本概念的教学方法进行了总结,希望对学生在学习这些内容时能够有所帮助,同时为其他教师在讲授流体力学课程时提供参考.

矩形管湍流冲击射流场的PIV实验研究

湍流冲击射流在工程和军事工业中都具有广泛的应用。采用粒子图像测速(PIV)技术,在射流雷诺数为20000和喷口-冲击板间距为4倍喷管水力直径的条件下,对矩形管湍流冲击射流场进行了实验测量,得到了主射流区和冲击区附近测量截面上的平均速度和涡量分布。结果表明,由于射流的卷吸及其与环境流体之间的相互作用,使得射流边界处具有很高的涡量;在流场的流出区域存在一个显著的回流区,这是半封闭冲击射流场的特征结构之一。