高雷诺数下倒虹吸闸墩绕流水力特性

为研究倒虹吸出口闸墩绕流特性,以南水北调某典型倒虹吸为例,基于Flow3D软件建立倒虹吸模型,根据现场原型实测水位、流速进行模型验证;利用该模型模拟了雷诺数6.17×10^(6)~9.38×10^(6)范围下闸墩绕流特性。结果表明,高雷诺数条件下,随着雷诺数的增加,闸墩绕流造成的液面波动幅度增加,中墩液面波动显著大于边墩;闸墩后的尾涡量持续增加,雷诺数对斯特劳哈尔数影响不大;边侧闸墩受力的非对称性明显,边墩闸室间特征流速偏流比存在先增大再减小的变化规律,偏流效应造成的离心距不断增加。本研究可针对性改善输水工程水流流态。

大流量倒虹吸水力特性研究

为保证大流量倒虹吸能够安全稳定的输水,采用流体动力学软件(CFD)对某工程三维数学模型进行数值模拟,并结合物理模型试验,分析了倒虹吸充水过程中水流变化特点和稳定后的水力特性。结果表明,倒虹吸水流流速最大位置位于管道下坡段,压强最大位置位于管道水平段;充水过程中,倒虹吸边部管道内水流流速较中部水流大8%左右;在水流稳定后倒虹吸下游闸室后存在卡门涡街现象,造成水流流态紊乱,导致下游水面震荡,需要对下游闸墩进行延长或进行墩头结构优化,以减轻涡街强度和水面震荡的影响。

A Karman-Vortex Generator for passive separation control in a conical diffuser

Flow separation in a conical diffuser with large divergence angle （29.14°） and large area ratio （3.533） is eliminated by a novel passive flow control device called Karman-Vortex Generator （KVG）. The effect of the KVG is verified and investigated by the URANS, DES and DDES methods based on the SST model. CFD results show that the performance coefficient of the diffuser can be doubled by the KVG, and the total pressure recovery coefficient can be improved by about 1.2%. DES and DDES re- suits show that the KVG can introduce a Karman-vortex street frequency in the diffuser. This frequency decays rapidly, and could not be detected in the ending plane of the expansion section, Different KVG configurations with different locations and dimensions are numerically simulated and compared. Some suggestions are provided.

桥墩体型优化数值模拟

南水北调中线工程某段桥墩,水流流过桥墩后会在墩尾产生卡门涡街现象,涡的出现会增大水流阻力,影响输水渠道的过流能力。为了减小桥墩绕流阻力,增大渠道的过流能力,利用Fluent数值模拟软件对不同尾墩的桥墩进行数值模拟,并从流速、涡量、升阻力系数等方面对不同墩尾绕流进行分析。结果显示,随着墩尾流线半径(r)的增大,墩尾的绕流流动变的简单、流速波动降低、流线弯曲度减小、无明显的涡产生、桥墩的升阻力系数下降。综合结果分析,当r=9d时,桥墩对渠道的过流能力影响最小。

基于振动分析的船舶螺旋桨鸣音故障诊断

文章针对某船在试航过程中艉部区域出现的不明金属敲击异响,通过测量异响区域船体的振动信号,分析异响出现和消失时振动频谱结构特征,确定故障原因是螺旋桨鸣音。研究发现,附着在螺旋桨上的海生物发展到一定程度后,会改变桨叶的随边形状,流体在螺旋桨背后形成卡门涡街,作用于桨叶发出金属敲击声。

问题导入式教学在圆柱绕流卡门涡街讲授中的应用

以圆柱绕流卡门涡街讲授为例,在工程流体力学授课中采用问题导入式(project-based learning,PBL)教学法,提出了一种“问题+知识点”为主线的进阶型教学模式,实现了课程的高阶性和创新性挑战,阐述了PBL教学法的具体应用。通过理论与实际相结合,搭建起了课堂与工程实际之间的桥梁,加大学生学习投入,让学生体验“跳一跳才能够得着”的学习挑战。

Magnus效应旋转圆柱水动力性能分析

为研究Magnus效应旋转圆柱水动力性能,采用大涡模拟(LES)模型对Magnus效应旋转圆柱进行数值模拟,分析旋转圆柱的长径比、转速比、雷诺数对其升力及三维流场的影响,模拟旋转圆柱升阻力变化趋势和尾部流场涡的脱落过程。结果表明:当转速比大于1.5时,旋转圆柱的升阻比随长径比一直增加;升阻比随转速比的变化规律是以1.7为界先升后降;旋转圆柱脱落的旋涡轨迹与来流形成一定的夹角,且角度会随转速比逐渐增大;当转速比大于1.75时,卡门涡街消失,旋转圆柱尾涡长度逐渐缩短,最终只有圆柱上表面发生涡旋脱落,下表面的涡不再脱落,附着在圆柱表面;雷诺数会改变旋转圆柱尾部流场,使升阻比先增加,达到峰值后以相反趋势下降。

外排土场宏观尺度的区域微气象因子影响特征

为了研究露天煤矿外排土场对周围微气象因子的影响关系,进而为矿区生态修复提供基础,以矿区周围气流运动及水分分布为影响因子,进一步探索外排土场尺度及形态的生态效应。以红沙泉露天煤矿为例,运用Fluent流体模拟软件,采用大涡模拟和组分传输模型,分别建立不同高度与角度的外排土场模型进行模拟。通过红沙泉露天煤矿所处地区气象站点,得到该地区2020年逐月温度与露点数据,从而得出该地区逐月凝结高度。分析不同条件下得到的气流速度云图,水分质量分数云图,获得不同外排土场尺寸对周围气流运动及水分分布的影响规律,并与该地区凝结高度进行对比。数值模拟结果表明:随着外排土场高度增加,气流爬坡速度缓慢增加,爬升最大高度也随之增长,迎风坡以及外排土场顶部的水分质量分数均增大,背风坡形成越来越明显的卡门涡街现象,涡流数量增加且影响范围变大,涡流区域内气流速度、水分质量分数均增加并达到最大值,外排土场角度增大对气流最大爬升高度影响较大,对周围微气象因子影响不大。在极限高度360 m条件下,当外排土场角度达到26°临界值时,会使气流最大爬升高度达到该地区夏季凝结高度;或在外排土场极限角度22°条件下,当外排土场高度达到380 m临界值时,会使气流最大爬升高度达到该地区夏季凝结高度,从而对矿区周围降水产生促进作用。

典型双孔渡槽复杂流态的改善研究

为减轻渡槽在大流量运行时出现的水位波动较大、紊流和涡流等复杂流态问题,选取典型双孔渡槽模型进行水力学模型试验和三维数值模拟,应用物理模型与数值模拟相结合的方法研究渡槽出口的卡门涡街在被边界约束时对其上游产生的波浪回涌现象,通过机理解析提出“纺锤型”导流墩方案。研究发现,卡门涡街脱落频率与上游回涌波浪频率一致。边界约束下卡门涡街对上游流态影响机理为:涡街交替脱落产生横向的交变作用力,在边界约束下局部阻水进而形成波动并向上游传递,随着涡街的交替脱落,上游形成波浪交替回涌现象。施加“纺锤型”导流墩后,进出口流态得到改善,能大幅减轻涡街强度和对上游流态的影响,槽身最大波幅消减度达到80%以上。对比不同长度导流墩组合试验后,提出进、出口导流墩纵横比分别为1.5、2.0的最佳组合。

混流式水轮机卡门涡致振机理探讨与分析

水轮机出现卡门涡后易引起振动等问题。许多安装混流式水轮机的水电站发生卡门涡频率的强烈振动,严重时甚至造成转轮叶片裂纹破坏,学界多认为这是由卡门涡共振引起。本研究通过比较卡门涡频率和固有频率的巨大差异、大朝山电站转轮叶片减薄修型后强振工况向大负荷转移等事实,提出新观点:大多数卡门涡强振及其破坏并非由共振引起。本研究进行了模型水轮机卡门涡观测试验,比较了流量、空化系数对可见卡门涡的影响,发现可见卡门涡多发生于大流量工况或低空化系数导致的涡心压力较低时,指出卡门涡由其涡心空化造成。通过电站消除卡门涡危害的措施等进一步说明:卡门涡共振存在于小流量工况,但共振能量低,没有显著破坏性;大流量工况的卡门涡强振并非共振,而源于卡门涡空化空腔溃灭产生的巨大冲击力。

上犹江电站#2水轮机技术改造

针对上犹江电站1998年4台水轮机增容改造时出现的转轮气蚀严重、局部裂纹的问题,于2017年在参考转轮的基础上经过数值分析优化设计,成功研制出水力性能优秀的JF3057水轮机转轮对该电站#2机进行了技术改造。改造后电站原型水轮机经实测显示,新转轮出力更大、效率更高,且机组振动摆度也正常,但在一定的负荷范围内出现了强烈噪声并伴有金属轰鸣声。2018年叶片出水边修型处理后,强烈噪声和金属轰鸣声基本消除。新转轮经过5年多运行实践考验及周期观察,气蚀现象和局部裂纹问题均得到解决,#2水轮机改造取得成功。

乙烯燃气锅炉送风风道异常振动原因分析及治理

新安装的乙烯燃气锅炉在试车阶段,送风机风门开度达到37%以上时送风风道出现异常振动及声响,随着风门开度增大,风道振动及异响加剧。从风机喘振、空气流场分布不均及卡门涡流共振等方面对送风风道异常振动原因进行了分析。采取增强风道刚度、在风道中增设支撑杆、在送风机出口变径通道增加导流板等措施后,效果不明显。拆除暖风器,同时在空气预热器进出口处增加导流板,收到了一定效果,但当风门开度达到49%时,风道振动及噪音明显增大,未能有效消除风道振动。经计算,确认空气预热器卡门涡流频率与气室固有频率一致是送风风道剧烈振动及噪音产生的主要原因。改变空气预热器管箱宽度,在管箱中加装隔板,改变气室固有频率,降低卡门涡流效应,能根治风道剧烈振动及噪音。

低雷诺数下两类柱体绕流的动力学模态分解

随着计算流体力学的迅速发展,基于特征提取技术的模态分解法已广泛应用于非定常流场的时空演化规律及流场机理研究。采用动力学模态分解法(dynamic mode decomposition,DMD),在雷诺数为100的条件下,分析了单方柱和单圆柱尾流卡门涡街发展的过渡阶段和稳定阶段的动力学特性,分别提取了两阶段两类柱体周围涡量场的子模态,分析并对比了各模态的频率及增长率,并进行了流场重构。结果表明:在过渡阶段,两类柱体的流场存在相同的内在结构—静态模态、卡门涡脱落模态、类卡门涡脱落模态、漂移模态和双倍频模态。其中静态模态代表了平均流场,卡门涡脱落模态及类卡门涡脱落模态分别对应2个阶段的卡门涡结构;此外,漂移模态的提取则体现了过渡阶段流场均值随时间的变化情况。在稳定阶段,DMD提取了稳定卡门涡街阶段的主要涡脱结构及其高次谐波模态,各模态均为周期性模态且增长率极小,随着频率的增大,模态相应的振幅及相干结构的尺度都减小。对比2个阶段的DMD结果发现,圆柱流场的主要结构在空间分布上更加接近背风面,其近尾流处的旋涡动态发展更加强烈。在重构相同精度的流场时,两类柱体皆在过渡阶段所需的DMD模态数更多,误差在空间分布上略有不同。

国能南河电厂3号水轮机卡门涡异常噪声处理

国能大渡河新能源投资有限公司南河水力发电厂于2020年对3号水轮机转轮进行了更新改造,改造后试运行时转轮产生异常噪声和共振,经检测是由于水轮机转轮叶片卡门涡造成的。在咨询国内水轮机相关专家并参照黄坛口电站转轮卡门涡处理经验的同时,仔细分析了3号水轮机转轮卡门涡的规律和特点,制定了一套处理方案,为了既能有效消除卡门涡,又能确保转轮叶片强度,采用少量多次对转轮叶片出水边修型的方式进行处理。历经3次修型后开机试验卡门涡现象完全消除,经过72 h试运行,机组各部振动、摆度、噪声、温度等参数均低于国家标准,最终彻底解决了卡门涡现象,达到了预期效果。

圆柱体绕流尾迹的PIV测量

PIV是一种先进的流场定量测量技术,在生产性风洞中的应用前景非常广泛。利用PIV测量技术,采用双CCD摄像机在FL-5低速生产性风洞中对不同的雷诺数Re下圆柱体绕流尾迹进行定量的测量,给出了圆柱体绕流尾迹的瞬时速度场、涡量场和流场的流线图。通过测量发现剪切层的相互作用是圆柱体绕流尾迹区旋涡形成和脱落的重要因素,并直接验证了Gerrard的绕流尾迹理论;在雷诺数Re=104～105范围内,随着雷诺数的增大圆柱绕流近尾迹区旋涡形成区域长度在逐渐缩短。

静止水下气泡运动特性的测试与分析

该文用高速摄影对稳定状态静止水下气泡生成和运动形态进行分析,详细讨论了气泡的动力理论特性。运用数字图像处理技术,对高速摄影图片的像素进行灰度归一化处理及二进制转化,通过对气泡质心运动的跟踪来获得其运动特性,并对所得数据进行编程处理分析,得到气泡运动轨迹。同时,结合Stokes和卡门涡理论分析,得到稳定状态下不同尺寸单个气泡的速度变化规律,运动轨迹规律等各种运动特性,并将实验结果与理论进行比较分析来判断其可行性。对稳定状态下的气泡研究可以为更深入的研究有扰动下的气泡复杂性提供基础和依据。

水轮机固定导叶的涡街模拟与振动分析

研究三峡右岸部分机组水轮机固定导叶出水边处的卡门涡街共振问题。根据机组的实际运行情况和产生异常噪声的特点,应用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值分析技术对固定导叶开展出水边处的涡街振动模拟,建立模拟涡街振动的CFD数值模型,采用Fluent软件实现对卡门涡街振动特性的定量分析;同时采用流固耦合分析方法对固定导叶进行水下动态特性分析,获得结构在水中的固有频率。分析表明,固定导叶的卡门涡街频率与其在水中的固有频率是非常接近的,容易发生耦合并造成局部振动。结合现场振动与噪声测试加以验证,确定产生异常噪声的激振源,找到诱发卡门涡街共振的主要原因。通过对固定导叶不同出水边截面几何形状的对比分析,提出有效预防和消除卡门涡街共振的优化方案。

管内气液两相流涡街稳定性分析

为了研究管内气液两相流涡街的内在特征,提出1个量纲为1的变量即稳定性指数,根据稳定性指数偏离稳定状态的程度,定量判断管内气液两相流涡街的稳定性。以空气和水为介质,以三角柱为旋涡发生体,在内径为50mm的水平管和垂直上升管中分别进行实验,分析雷诺数和体积含气率对气液两相流涡街稳定性的影响。研究结果表明:体积含气率对管内气液两相流涡街的稳定性起主要作用;在水平管中,当体积含气率小于15%时,涡街比较稳定,稳定性指数的取值为1.00±0.16;当体积含气率大于15%时,稳定的涡街难以维持,部分涡街的稳定性指数为2.0～3.0;在垂直上升管中,稳定的涡街体积含气率可以达22%,在此范围内,稳定性指数的取值为1.00±0.12;当体积含气率大于22%时,涡街变得不稳定,此时,部分涡街的稳定性指数为0.50～0.75。

洪水冲击管道的模拟分析

根据计算流体力学的原理和方法,以流场数值模拟为基础,利用大型流体计算软件对洪水冲击管道流场进行了模拟分析,得到了流场分布、压力分布情况,计算出了不同裸露程度管道在不同流速洪水冲击下的受力数值,分析了管道裸露程度对管壁受力的影响。

动力学模态分解和本征正交分解对圆柱绕流稳定性的分析

对雷诺数Re=100下的圆柱绕流非定常流场进行数值模拟,分别采用DMD方法和POD方法对圆柱绕流卡门涡街发展过程中的不稳定平衡阶段、过渡阶段以及稳定极限环阶段进行稳定性分析。分析结果表明:DMD方法准确地提取了不稳定平衡阶段和过渡阶段中的不稳定模态以及频率,在稳定极限环阶段准确提取了脱落涡模态及其高阶谐波模态和频率。DMD方法不仅可以高效提取主要流场结构模态和频率,且可分析相应模态的稳定性,从而得到动力学系统在时间和空间上的主要特征。POD方法中较少的模态包含流场绝大部分的能量,通过对模态系数进行FFT分析,可得到模态频率,但有时会存在多个频率耦合的模态,且POD方法无法判断所提取模态的稳定性,因此,POD方法主要得到的是动力学系统在空间上的主要特征。另外,DMD方法对流动类型范围的适用性更广。因此,在对复杂动力学系统进行稳定性分析时,DMD方法更具有优势。