地震波斜入射下水平成层覆盖层地基波动输入研究

覆盖层具有土体动力非线性和结构成层特征,地震波斜入射下覆盖层地基自由场计算难度增大、人工边界吸能能力受到限制,制约了地震波动输入精度和应用。以水平成层覆盖层为研究对象,引入势函数理论,构建了地震波斜入射下顶层幅值矩阵与任意层幅值矩阵之间的动态传递关系,获得土体时域应变;基于二维应变状态理论,采用等效线性化法反映土体动力非线性,建立了地震波斜入射下非线性水平成层覆盖层地基自由场解析计算方法。利用作者发展的非线性黏弹性人工边界单元模拟远域辐射阻尼效应,近场波动分析中边界单元参数随内层土体单元动剪应变变化,边界单元吸能能力达到最优。结合解析自由场转换得到的等效输入荷载,建立了适用于地震波斜入射下非线性水平成层覆盖层地基地震波动输入方法。该方法能够依据深部斜入射波和地表地震动实现覆盖层地基波动输入,依据地表地震动实现波动输入是避免了通过基底地震动正演自由场等过程。研究了弹性水平双层和非线性水平多层覆盖层地基地震响应,结果表明,波动输入计算获得位移和应力均与解析解有较高拟合度,计算精度高,可为水平成层覆盖层地基上土石坝地震响应研究提供基础。

离心式铁磁流体微泵的设计及流动特性分析

铁磁流体微泵由于其自润滑性和自密封性,使其更加符合微流控技术应用在生物医学、生命科学、化学分析、航空航天等领域的需求,而在目前的结构设计中无法同时满足加工简单、可靠性高、流动稳定等优势,因此限制其应用及发展。为提高铁磁流体微泵的可靠性和稳定性,促进其发展和应用,本研究基于铁磁流体的外场控制原理、磁流变效应及介质流体的流体力学行为设计了一种离心式的新型铁磁流体微泵,并应用数值计算分析了介质流体流动特性。结果表明:该微泵可以有效实现泵送过程,当转速为10 r/min时,一个周期内的泵送净流量可达0.07 kg/T,且在两股铁磁流体的交替作用下可以阻断泵腔进口与出口的介质流体质量交换;由于铁磁流体与泵腔结构的动静干涉作用,导致出口流量存在轻微脉动(数量级为10^(-5)),但仍处于层流状态(Re<1),并且由于惯性力与特征尺寸相关而黏滞力与特征尺寸无关等力学因素,导致泵送动力对出口尺寸长度非常敏感,在转速4 r/min、出口段长度9 mm时无法实现有效泵送。同时对铁磁流体与泵送介质流体之间的相界面压力波动和自密封性能进行分析,得到相界面上的压力波动峰值远小于铁磁流体自密封性能,相差3个数量级,从铁磁流体的密封稳定性和界面稳定性角度验证了离心式铁磁流体微泵的可行性。

新型高转速柱塞泵转速变化压力特性研究

为了研发高转速、高流量的燃油泵,以新型双斜盘柱塞泵为原型,搭建其流域简化数值仿真模型,研究不同转速下柱塞腔压力脉动机制及演变规律。对比不同转速下柱塞泵压力脉动,探究转速变化对压力大小影响;结合柱塞泵旋转过程中柱塞腔和配流盘的位置和压力变化,研究运行过程中柱塞腔内部压力波动成因。结果表明:随着转速的增加,柱塞腔内部各点压力值提高,但整体压力波动趋势一致;柱塞腔内部压力波动受到与配流盘接触情况和柱塞泵活塞一侧往复运动的影响。

磁性液体性能及运行工况对密封耐压值的影响

为研究不同种类磁性液体及密封工况对密封效果的影响,以Fe_(3)O_(4)为磁性颗粒,以链状氟醚油为基液,制备一系列不同颗粒含量、基液分子量的磁性液体,对磁性颗粒及磁性液体的结构、性能进行表征,在搭建的密封试验台上测试磁性液体种类及运行工况对密封耐压效果的影响。结果表明:制备的磁性颗粒粒径为纳米级,呈近球形形貌,具有较高的饱和磁化强度,磁性液体具有较好的分散稳定性;随颗粒含量增加、基液分子量增大,密封耐压值先增大后减小;在颗粒质量分数为30%、基液分子量为4600 g/mol时,密封耐压值最高;随主轴转速增大,密封耐压值逐渐减小;随密封时间延长,密封耐压值先减小后趋于稳定。

基于熵产-涡量的水泵水轮机转轮能量损失特性

为探究水泵水轮机组因频繁改动活动导叶开度而引起的机组不稳定运行机理,基于熵产理论与涡量理论,采用数值模拟与试验相结合的方法,针对水泵水轮机小流量、高效率和大流量这3种工况开展能量损失特性分析.结果表明:随着活动导叶开度的增加,转轮区域总涡量值增大,高涡量值分布区域及主流区熵产率先减小后增大,壁面熵产率增大;能量损失与流态紊乱程度呈正相关,转轮区域的旋涡流、冲击、摩擦等现象是引起能量损失的重要原因.对相同工况模型进行试验,其结果与数值模拟结果类似,此研究结果为水泵水轮机的设计与效率提升提供了重要依据.

含气率对离心式航空燃油泵叶片压力脉动的影响

为研究含气率对某分流叶片式航空燃油泵叶片的压力脉动规律,基于RNG k-ε湍流模型和Euler-Euler非均相模型,应用ANSYS CFX软件对航空燃油泵在不同含气率条件下进行数值计算,分析燃油泵的气相分布和叶片压力脉动规律.研究结果表明:气相主要分布在叶片的压力面,吸力面分布较少;随着含气率的增大,气相逐渐向长短叶片吸力面发展,并扩散至叶轮流道;在长叶片前段相对位置0~0.5处,气相体积占比随含气率的增大而增大,在长叶片压力面后段(相对位置0.5~1.0处)和短叶片压力面上气相占比几乎为100%,产生气液分离,在长叶片吸力面后端和短叶片吸力面上,气相占比较少,几乎为0;通入气相会使监测点压力脉动幅值变大,但含气率继续增大会降低燃油泵叶片压力脉动幅值;长叶片的中段和短叶片前段的主导频率受含气率的影响会发生改变,由于分流式叶片的设计结构,含气率对叶片压力脉动影响主要体现在流动最为复杂的长短叶片的交界面处即短叶片的进口位置;分流叶片在改善流动的同时,也会影响相应位置的压力脉动.研究结果可为分流叶片式燃油泵设计提供一定技术参考.

水轮机主轴磁流体密封间隙流场关键参数研究

水轮机主轴磁流体密封装置间隙流场因工况和物理场的复杂性一直是磁流体密封研究难点。为研究水轮机主轴磁流体密封装置间隙内磁流体流动特性,建立主轴密封间隙流场数值模型并通过试验进行了验证;通过数值计算研究密封间隙、极齿宽度、极齿高度和极齿槽宽度对磁流体流动的影响。结果表明:极齿附近磁流体不受结构参数影响,基本保持不动;当密封间隙小于0.6 mm时,间隙内磁流体基本不发生流动,当密封间隙超过该值后,极齿槽和永磁体附近磁流体随间隙增加流动加剧,速度线性递增;极齿槽和永磁体附近磁流体随极齿宽度递增流动减弱,速度先线性递减,在3.0~3.5 mm极齿宽度时急剧减小,最后趋于稳定;随着极齿高度和极齿槽宽度逐渐增加,极齿槽和永磁体附近磁流体流动会减弱,极齿槽附近磁流体速度在极齿高度为1.0~3.5 mm和极齿槽宽为3.0~12 mm速度急剧减小,最后趋于稳定,而永磁体附近磁流体速度一直呈线性递减。

极齿关键参数对磁流体密封热特性影响的试验研究

为探讨磁流体密封极齿参数对磁流体热特性的影响,利用传热学理论构建磁流体密封装置的传热计算模型,研究不同转速下密封间隙、极齿宽度、极齿槽宽度和极齿高度与磁流体温度的关系。在磁流体密封实验台上研究密封间隙、极齿宽度、极齿槽宽度和极齿高度对磁流体温度的影响,并利用模型计算结果对试验结果进行了验证。试验结果表明:随着密封间隙和极齿高度的增加,磁流体温度逐渐减小,呈负指数变化趋势;随着极齿宽度的增加,磁流体温度线性增加;随着极齿槽宽度的增加,磁流体的温度基本不变;密封间隙对磁流体温度影响最大,其次是极齿宽度和极齿高度,极齿槽宽度对磁流体温度基本没有影响。研究表明,在一定范围内适当增加密封间隙和极齿高度,适当减小极齿宽度,可以在一定程度上减小磁流体的发热量,提高磁流体密封装置寿命。

水泵水轮机流场脉动与熵产率的关系

为了研究水泵水轮机不同工况下的运行稳定性,采用FLUENT软件对模型水泵水轮机转轮和无叶区的流态、熵产率分布、压力脉动进行了数值模拟,并将数值模拟结果与试验进行了对比.结果表明:数值计算的压力脉动数据与试验值吻合较好,旋涡引起的速度梯度和压力梯度剧烈变化是水泵水轮机内部高能量损失的根本原因.相较于设计工况,小流量工况时转轮叶片吸力面水流的流动分离和旋转失速会导致此处熵产率较高,叶片吸力面压力脉动主频和第2主频幅值最大;大流量工况时动静干涉作用占主导,无叶区的熵产率最大,相应的无叶区压力脉动主频幅值也最大.由此可见,各工况下主流区熵产率和压力脉动具有强相关性,熵产率大的区域,压力脉动也较大.

变运行参数的磁性液体密封中磁液温度特性分析

磁性液体工作温度高于汽化温度时不仅会导致磁性液体的表面活性物质受损,还会引起磁性液体汽化。为探讨磁性液体密封中磁液的温度特性,基于数值计算和试验验证相结合的方法,研究磁性液体旋转密封的转速、轴径和温度的关系,并分析磁性液体工作温度高于汽化温度时的相变过程。结果表明:磁性液体旋转密封的温度最大值出现在与轴表面相接触的位置,最小值出现在与极齿底部相接触的位置;随转速和轴径的增大,磁液温度最大值均升高,当两工况轴径与转速乘积相等时,磁性液体的温升值相同;当磁性液体温度高于其汽化温度时,与外界相通靠近轴表面附近的磁性液体最先发生相变,相变面积呈现抛物线形状向内扩散,且相同工作温度下,磁性液体的相变体积分数随轴径增大而降低。

双磁源磁性液体密封装置的压力特性实验研究

密封结构优化设计一直是磁性液体密封的研究热点。首先设计了一种新型双磁源磁性液体密封装置,然后利用电磁学原理构建了该密封装置的磁路模型,得到了该结构的间隙、极齿宽度、极齿高度、极齿槽宽度和永磁体轴向宽度的磁路和耐压方程,接着进行试验验证。研究结果表明:随着间隙的增加,密封压力呈递减的指数变化;随着极齿宽度和极齿槽宽度的增加,密封压力都呈开口向下的抛物线变化,分别在1.5、4.5 mm处取得极大值;随着极齿高度的增加,密封压力呈线性递减变化,但是极齿高度较小时,理论密封压力较大,极齿处存在漏磁,实际密封效果可能不佳,所以建议极齿高度不能取值太小。本装置的总压力相对于仅有轴向极齿的装置增大了约50%,密封能力显著提高。

Dynamic instability of a pump-turbine in load rejection transient process

Load rejection is one of the most crucial transient processes in pump-turbines. However, only a few achievements on the internal flow mechanism of pump-turbines in load rejection processes have been presented. In this study, firstly, the load rejection process in a pump-turbine was simulated with a three-dimensional unsteady turbulent numerical method using the technology of dynamic mesh and the user-defined functions in the FLUENT software. The rotational speed predicted through numerical simulation agrees well with experimental data. Secondly, based on numerical simulations, a dynamic instability in the load rejection process was found and presented that the pressure and performance characteristics, including hydraulic torque on the runner and the discharge, fluctuate in the overall trend. Meanwhile, all the performance characteristics and the pressure fluctuate sharply near the operating condition points, where hydraulic torque on the runner is equal to zero or reverse flow is maximum at reverse pump conditions. Finally, the time-frequency features and formation mechanism of the dynamic instability were analyzed emphatically. The analysis of the internal flow in the pump-turbine reveals that dynamic instability in the load rejection process are mainly caused by the vortex flow in the tandem cascades regions. Furthermore, the possible methods to improve the dynamic instability in the load rejection process were recommended.

基于涡分析的贯流式水轮机尾水管流动分析

为了研究贯流式水轮机尾水管的内部流动情况,基于正则化螺旋度方法和流线分析涡和涡带,对贯流式水轮机小流量、额定流量和大流量进行非定常计算,对比分析了3个工况下尾水管内部的流动特征。研究表明:小流量工况下,水轮机尾水管内存在一个与转轮旋转方向一致的螺旋状涡带,大流量工况下,水轮机内存在一个与转轮旋转方向相反的螺旋状涡带,且2种工况涡带都按一定周期演变。在小流量工况下,涡带周期运动持续到尾水管的中后位置,在大流量工况下,涡带周期运动在尾水管的前中部位置。根据正则化螺旋度方法分析得出在小流量工况下,涡带导致尾水管壁面两侧出现的涡旋旋转方向相反;比较正则化螺旋度方法和流线分析得出,正则化螺旋度方法分析涡旋的位置和范围比流线分析更加准确;2种偏工况下的涡带形态和发展类似,但大流量工况对应的阈值更大,表明该工况对应的尾水管流态更紊乱。

涡动力学诊断在贯流式水轮机数值模拟中的应用

为了研究贯流式水轮机中涡结构、涡演化和涡的相互作用,基于RNG k-ε湍流模型和涡动力学诊断方法的正则化螺旋度、边界涡量流(boundary vorticity flux,BVF)诊断等,对贯流式水轮机某工况下的涡旋运动进行数值研究。研究发现:水轮机转轮正面叶片进水边和轮毂靠近出水边处存在旋转方向和水流流动方向相反的涡旋,背面处轮毂靠近进水边存在旋转方向和流动方向相同的涡旋,水轮机转轮叶片上存在流动分离区以及BVF峰值区。涡动力学诊断在贯流式水轮机上的应用为水轮机转轮优化提供了全新的视角,为改变水轮机内流动情况提供了新的思路。

脉动能交换器的脉动能转换特性

针对柱塞泵引起的压力脉动问题,运用脉动交换技术将脉动传递至喷雾蒸发制盐系统,实现双效节能。为了研究其脉动转换规律,运用数值模拟方法分析了在不同弹簧弹性系数、脉动相对振幅与频率下,进口平均脉动压力逐渐增大时脉动能交换器内部管路脉动压力与活塞做功的变化规律。结果表明:在高压、高脉动振幅及较高脉动频率条件下脉动能转换成机械能的效果较好。当弹簧弹性系数越小时,脉动能转换效果越好。当脉动平均压力增大时,管路脉动率随着压力的升高而降低,随着相对振幅及频率的增加而上升;脉动转换效果与平均压力、相对振幅及频率均呈正相关,活塞相对行程最大可达18.5%。