基于熵产理论的多级液力透平能量耗散机理分析

液力透平作为一种液体余压能回收装置,在小水电建设和能量回收领域得到广泛应用,但其内部能量损失特性不清。以两级径流式液力透平为研究对象,基于熵产理论和Omega涡识别准则分析了各过流部件内能量耗散机理。结果表明:速度脉动和壁面效应是能量损失的主要来源,设计工况下二者总占比为98.03%。叶轮和导叶是透平内能量耗散的主要区域;小流量工况,叶轮损失占比较高;大流量工况下,导叶损失占比较高。叶轮内的能量损失源于叶片前缘分离涡、吸力面回流涡以及叶片尾缘涡等不稳定流动现象,而相对液流角与叶片进口安放角的不匹配是导致叶轮内产生不稳定流动的根本原因;在导叶和导叶Ⅱ-反导叶中,不同流量下导致其能量耗散的因素基本保持一致,叶片前缘失速涡和流动分离等劣态流动引起的动量交换是导致能量损失的主要原因。环形吸水室内流动的非对称性导致导叶Ⅰ各流道内熵产率分布不均匀,而导叶Ⅱ-反导叶通过正导叶的整流减小了冲击效应,各流道内熵产率分布均匀且高熵区较小。

横向沟槽减阻中的涡结构识别方法研究

湍流相干结构演化规律的分析是探究沟槽减阻机理的一项重要研究手段。为探究Liutex参数与Omega准则在沟槽减阻机理研究中的适应性问题,采用大涡模拟方法,对设置有横向沟槽结构的槽道流域进行数值模拟,比较了Liutex参数及Omega准则和传统识别方法识别结果的异同。通过与传统涡识别方法综合对比后发现:Omega准则的阈值选取更加方便,且敏感度低,鲁棒性强,但对于壁面附近的小涡结构,相较于传统识别方法,并无突出优势;Liutex线相较于涡量线更加准确且规整,与涡结构的吻合性更佳;Omega准则与Liutex参数在横向沟槽结构流域的减阻机理分析中均具有很好的适应性,对于沟槽减阻机理的研究具有重要意义。

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。

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。