溢流前缘长度变化对直角折线堰过流能力影响研究

在一定过流宽度下,直角折线堰的过流能力和侧堰位置(前堰长度)、侧堰长度直接相关,其实质是溢流前缘长度随堰顶水头增加而减小。基于试验研究成果,对一定堰高,不同侧堰位置(前堰长度)、侧堰长度的直角折线堰流量系数进行拟合分析,得到基于溢流前缘长度变化的流量系数计算公式,可为类似工程提供参考。该研究成果的应用不仅能够保证河道行洪能力,还能够产生较好的水景观。

基于溢流前缘长度变化的迷宫堰过流能力拟合分析

即便是山区峡谷水库,迷宫堰在低水头情况下的超泄能力也比较大,但随堰顶水头增加,其过流能力降低明显。依托既有试验研究成果,结合过堰水流随流量增大,其流态从薄壁堰流逐渐过渡到真空实用堰流的现象,对比分析W型迷宫堰流量系数的变化;进而运用Origin软件对试验数据进行数学方法回归分析,给出迷宫堰溢流前缘长度随堰顶水头增加而减小的拟合公式。在此基础上,得到基于溢流前缘长度变化的W型和V型迷宫堰过流能力拟合公式。其成果能够很好说明迷宫堰溢流前缘长度以及过流能力随水头增加而变化的现象。

基于溢流前缘长度变化的驼峰堰过流能力拟合

针对具体工程中驼峰堰泄流能力较大的实际情况,应以相关研究成果为依托,并结合过堰水流随流量增大时其流态会从薄壁堰过渡至实用堰流的客观实际,进行驼峰堰流量系数变化分析。在此基础上,得出基于溢流前缘长度变化的驼峰堰过流能力拟合公式,且其成果与驼峰堰溢流前缘长度及过流能力随水头增大而变化的情况基本吻合。分析结果表明,驼峰堰过堰水流流态主要从薄壁堰向实用堰变化,展长变化所对应的驼峰堰流量系数计算公式可通过对水库溢洪道驼峰堰溢流前缘长度的拟合分析得出;当驼峰堰单峰角度在15°~25°范围内变化时,所得到的拟合公式适用于堰顶水头不超出堰高时的泄流。

琴键堰增设护墙对泄流能力影响的模型试验研究

为探究在堰顶增设护墙以及护墙高度对琴键堰泄流能力的影响,通过模型试验对比分析了8种不同高度护墙琴键堰的泄流能力,并通过数值模拟对5种不同高度护墙琴键堰各溢流前缘的泄流量、水面形态以及流速分布等特征进行了分析。结果表明:相较于基础体型,增设护墙提高了进口和出口宫室的泄流效率和泄流量占比,提高了侧堰泄流量,减少了侧堰溢流碰撞,提高了水流下泄流速,从而提升了琴键堰的泄流能力;增设护墙高度为堰高的13%时,泄流能力提升最大,当相对水头H/P<0.20、0.20<H/P<0.40时泄流能力可分别提升8%~15%和10%~12%。

直角折线堰堰体各组成部分过流能力分析

直角折线堰堰体各组成部分(前堰、侧堰、后堰)过堰水流形态各异。采用FLOW-3D软件,基于RNG k-ε湍流模型与Tru⁃VOF方法对直角折线堰进行数值模拟计算,得到前堰、侧堰、后堰溢流特性与过流能力情况:1)就水流流线而言,随堰顶水头增大,前堰始终与堰体保持正交,侧堰则由正交逐步趋向平行,后堰由正交到斜交再恢复到正交;2)堰顶水头增大到100~150 mm范围时,前堰、侧堰、后堰堰顶下游侧开始出现负压、继而消失;3)随堰顶水头增大,前堰溢流前缘长度基本没有变化、侧堰有效溢流前缘长度则下降明显,后堰溢流前缘长度变化不大,但堰顶有效水头低于前堰。在此基础上,给出了前堰和后堰长度相同时不同堰体在直角折线堰中的具体过流变化情况。

生态河道直角折线堰淹没特性分析

直角折线堰用于生态河道治理能够起到很好的景观作用。通过数值模拟,研究直角折线堰不同布置情况下的淹没特性。结果表明:①侧堰位置靠近河道两岸,更容易出现淹没;而侧堰长度改变,对淹没发展影响不大。②当堰顶以上的下游水深超过1.90倍自由出流堰顶水头时,直角折线堰达到完全淹没状态。③通过公式拟合,给出与河道过流(固定)宽度相对应的直角折线堰淹没出流过流能力计算公式。该研究成果可为直角折线堰的设计和工程应用提供可靠的理论依据。

离心泵叶顶泄漏涡结构特性研究

采取改进后的湍流模型,研究大流量工况、额定工况与小流量工况下离心泵全流道泄漏涡结构特性,分析泄漏流与泄漏涡的产生及分布。研究结果表明,改进后的模型在预测精度与预测范围方面全部优于原模型,可以精确预测泄漏涡的形成和轨迹。

带自适应流通处理机匣的轴流压气机全通道数值研究

采用全通道数值模拟方法研究了两种自适应流通装置数目的处理机匣对亚声速轴流压气机性能及流场的影响,非定常数值计算结果表明两种自适应流通处理机匣分别获得了6.3%,9%的失速裕度改进量,通过详细地分析压气机叶顶流场表明,高速喷射气流能抑制前缘溢流现象的产生,有效地改善了叶顶通道的流动状况。随着自适应流通装置数目从10增加到15,喷射气流对转子叶顶间隙泄漏流的影响频率也随着提高,因此增强了处理机匣抑制叶顶间隙泄漏流负面影响的能力。

进口畸变下新型处理机匣改善压气机性能的机理研究

为了揭示进口畸变下,处理机匣改善压气机性能的机理,采用全通道非定常计算方法研究了进口畸变时新型处理机匣-自适应流通处理机匣对亚声速轴流压气机性能及流场的影响,数值模拟中进口总压畸变通过在进口径向段布置栏杆实现。数值结果表明,进口畸变后采用自适应流通处理机匣能够提高转子的性能,其中效率的增加效果比总压比的明显,并获得近6.8%的综合失速裕度改进量。通过详细地分析压气机内部流场表明,处理机匣后使部分叶顶通道吸力面附面层分离起始位置向后缘移动,最大后移距离约为11%叶顶弦长,削弱了叶顶通道由气流分离造成的不良影响,并抑制叶顶间隙泄漏流从相邻叶片叶顶前缘的溢出,当喷气装置对准叶片通道时,其抑制前缘溢流的效果才是最佳的。

离心泵叶顶泄漏涡结构特性研究

叶顶间隙产生的泄漏涡会对半开式离心泵性能产生不利影响,为了探究不同流量工况下泄漏涡结构及其运动轨迹的变化规律,本文采用SST k-ω湍流模型对半开式离心泵进行全流道数值模拟,分析了泄漏涡的结构特征和泄漏流速度分布,改进了泄漏涡运动轨迹预测模型。结果表明,数值模拟值得到的外特性与试验值吻合较好;叶顶泄漏流相对速度的弦向分量的最小值出现的位置与泄漏涡的初始位置重合,并且随着流量的减小向上游移动。叶片进口边负的弦向分量导致回流的形成,而法向分量的增大是导致小流量工况前缘溢流和大流量工况叶片尾缘二次泄漏流的根本原因。叶顶间隙内速度梯度较大的泄漏流会引发高熵产,并且与主流混掺形成泄漏涡,在泄漏涡周围同样引发高熵产,高熵产区面积随着流量的减小而增大。改进轨迹预测模型用叶顶间隙进口的平均速度代替了原先叶轮进口平均速度,扩展了预测范围,减小了预测结果的误差,说明改进模型能够很好地预测泄漏涡核的迁移轨迹。

周向槽对半开叶轮离心泵流动特性的影响研究

离心泵内的不稳定流动现象会产生压力脉动,为了改善半开叶轮小流量工况下的内部流场和压力脉动,通过在前盖板上布置周向槽,分析了周向槽对叶轮内部流动特性和压力脉动的影响。结果表明,周向槽为泄漏流提供了周向通道,泄漏流能够从槽内快速通过,降低了泄漏流的驱动力,使得主流与泄漏流的交界面向叶片尾缘移动;靠近叶顶间隙叶片进口相对液流角和低速区面积减小,轴向速度增大,泄漏流导致的不稳定流场和阻塞现象减弱,近失稳工况点对应的流量向小流量工况偏移;周向槽不仅改善了前缘溢流,使得叶轮内低频压力脉动幅值下降,而且消除了叶片前缘泄漏流形成的回流及其诱发的2.2 f_(n)特征频率。研究发现周向槽能够通过有效抑制不稳定流动及其诱发的压力脉动来改善离心泵小流量工况的运行稳定性。

Eckardt离心叶轮失速流场非定常特征分析

为明确离心压气机失速流场特征及类型,对Eckardt离心叶轮进行全通道非定常流场模拟,得到以下失速流场特征结果:(1)叶片前缘叶顶区域明显存在4个突尖型失速团,同时前缘涡、通道涡和低速二次涡共同作用形成流道内的非定常不稳定流动,诱发旋转失速;(2)与轴流叶轮突尖失速特征相似,离心叶轮内同样存在前缘溢流,但不存在尾缘反流,而呈现与径向和周向扭曲结构相关的新特征:叶顶间隙流与流道中的偏转二次流汇合,形成尺度更小、范围更大的低速二次涡。经进一步的空间傅里叶分析,确定失速团以60%～73%的叶轮转速沿周向传播,且由叶轮入口向下游移动,伴随发生涡脱落和破碎,使流场进入深度失速状态。通过分析这些失速流场特征,得出离心叶轮中突尖失速特征与轴流相比既有相同之处也有不同之处的结论。

轴流压气机转子近失速工况全通道数值模拟

对某亚声速轴流压气机转子进行了全通道三维非定常数值模拟,获得了该压气机近失速工况下的详细流动情况.转子前缘均匀布置的十支静压数值探针监测结果表明,转子圆周上出现两个静压扰动区域,其中一个逐渐发展为突尖波.流场分析表明,叶顶通道中存在频繁的分离涡运动,静压扰动区域中分离涡的强度较大.分离涡诱发间隙流形成"前缘溢流"和"尾缘反流".静压扰动区域沿圆周方向传播是由分离涡在通道之间的传递引起的.传播过程中,分离涡强度的持续增大是突尖波形成的关键因素.通道中较强的"尾缘反流"沿通道上行并绕过叶片形成"前缘溢流"的现象可作为突尖波形成的标志.

组合型机匣处理提高轴流压气机稳定性的机理

用全通道非定常计算方法研究了轴向倾斜缝、自适应机匣处理及两者形成的组合型机匣处理对亚声速轴流式转子稳定工作范围的影响,结果表明:轴向倾斜缝、自适应机匣处理及组合型机匣处理取得的综合裕度改进量分别为12.86%,16.47%及22.72%,其中组合型机匣处理扩稳效果最强,自适应机匣处理次之.通过详细地分析压气机内部流场表明,组合型机匣处理削弱了叶片吸力面气流分离带来的不良影响.从喷气装置流出的高速气流抑制了叶顶间隙泄漏流从相邻叶片叶顶前缘溢出的现象,部分叶片通道受到轴向倾斜缝的作用,泄漏流线被抽吸入缝中,也能抑制前缘溢流的产生.

不同转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳的机理

以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 67为研究对象,采用数值模拟方法,开展100%、80%及60%转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳触发机制的机理研究。数值结果与实验数据的对比分析表明:在3个转速下,数值总性能曲线的变化趋势与实验数据符合一致。通过压气机内部流场的详细分析,得出其基本流动机理。在3个转速下,随着压气机节流,叶顶泄漏涡(TLV)的起始位置逐渐向叶片前缘移动,叶顶泄漏涡也逐渐向相邻叶片压力面偏转,相比近峰值效率点,近失速点时在100%、80%以及60%转速下叶顶泄漏涡的偏转角度分别为3°、6°和9°。在100%和80%转速下,叶顶泄漏涡与激波相互作用所导致的堵塞是触发压气机内部流动失稳的机制,并且在80%转速下,叶顶泄漏涡发生破碎;而在60%转速下,泄漏涡在相邻叶片出现的叶顶前缘溢流(LESF)是触发压气机内部流动失稳的主要机制,叶片吸力面尾缘出现的小尺度附面层气流分离(BLFS)不是主要机制。

跨声速轴流压气机的失速发展机理

为了研究跨声速轴流压气机由近失速工况发展为失速工况的动态演化机理,对跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 37进行了多通道全三维数值模拟,着重分析了激波及前缘溢流对失速发展的影响。结果显示:在峰值效率工况下,叶片通道内存在一道斜激波;在失速工况下,斜激波演化为脱体激波。泄漏涡通过脱体激波后发生破碎,破碎的泄漏涡在向通道下游发展的过程中,受逆压梯度的影响,在通道中部形成一个明显的涡结构。在失速工况初期,由于泄漏涡的自维持现象,前缘溢流现象随着叶顶阻塞区的周期性发展而间歇性出现;随着流量的降低,通道阻塞程度逐渐增加,会出现前缘溢流一直存在的现象,这一特性可以作为流场开始急剧恶化的标志。