A Review of the Calculation Methods of Lifting Capacity in Wind Loads on Ocean Platforms

Wind load is a control load that affects the safety of structures in the design of ocean platforms. It has not only direct and powerful effects that may cause structure resonance but also has indirect effects causing waves or currents in the ocean. By analyzing the domestic and international norms, this study presents a review of calculation methods of wind load on ocean platforms, which belongs to large-scale non-entity structure used in the open sea while surrounding wind has no fixed direction. Current computations according to the norms are not accurate, which even not takes the force of the wind against the surface perpendicular to the structure into consideration. Additionally, this study also introduces and compares the lift model of platforms based on different theories, such as vortex-excitation and vibration, engineering structure dynamics, gas flow pressure theory, analyzing their applicability, advantages, and disadvantages. This paper analyzes the limitations and applicable conditions of the existing calculation method itself, such as the lift model is suitable for the existence of stable vortex wake;the calculation method of the structural dynamics of marine engineering must be combined with the wind tunnel test and consider the mistakes caused by the position relationship;the numerical simulation method is accurate but tedious. This study provides an insight into the calculation methods of lift in designing ocean platforms, including the finite element method for simulating fluid force and updating formulas in Chinese norms.

空化对尾水管区域驼峰特性影响研究

为了研究水泵水轮机空化对驼峰特性的影响,采用SST k-ω湍流模型和Z-wart空化模型对全流道进行了三维定常数值模拟计算,并分析了不同工况点下尾水管在驼峰区域的水力性能和内部流动状态。研究结果表明,不同工况点下,流量大小会改变尾水管区域液流的流动方向,从而产生偏心涡带使尾水管区域出现不稳定性,造成机组振动和噪声;单相计算结果比空化计算结果更早受到剪切流的影响。来流与壁面射流相互作用产生漩涡,出现回流现象。在速度梯度变化方面,空化计算结果的速度值要比单相的值高,能量损失有所增加。

尾鳍摆动推进水动力与流动涡结构特征分析

作为BCF(body-caudalfin)推进模式中的典型代表,金枪鱼游动快,是重要的仿生研究对象之一。本文基于弹性光顺模型和局部网格重构模型动网格技术,建立仿金枪鱼尾鳍摆动推进流场RANS数值计算及涡结构提取分析方法,通过网格无关性验证,并与其它研究结果的比较验证数值计算方法的有效性。对尾鳍摆动推进过程中主要涡结构的产生与演化研究表明,尾鳍摆动推进水动力由St数主控,尾流中环状涡结构呈“之”形交错分布,并且随着St数增加,涡结构逐渐从单列演变成双列,推力系数逐渐增大。

基于栅条式微涡絮凝的隧道废水处理技术数值模拟

为探究微涡混凝技术在隧道废水处理工艺上的可行性,通过数值模拟手段对不同特征的栅条式微涡发生器所产生的混凝流场特性进行了研究,并采用最优组合形式对浊度为1300 NTU模拟隧道废水进行了水力絮凝验证实验.结果表明:栅条的粗细主要影响流场内流体湍动能及湍耗散的在初始混凝阶段的消耗程度,边长为5 mm的方形栅条更容易维持整个流场内混凝过程中所需的动能;栅条布置间距会改变栅条对流体的阻滞作用,布置间距为11mm时,流体能在反应中后段提供更高的湍动能及湍耗散用于絮凝反应;栅条的长度主要影响流场在轴向方向的能量演变情况,400、600、800 mm的栅条会延长流体在流场内的能量分配距离,使反应器中后段的絮体也能够有足够用于聚集的能量.采用最优组合形式的栅条对浊度为1300 NTU模拟隧道废水进行了水力絮凝验证实验,废水最终出水浊度可稳定在50 NTU以下.

混流式水轮机偏负荷工况内流场及压力脉动分析

为探究水光蓄互补联合发电系统中比转数混流式水轮机在偏负荷工况下机组内部流态变化和稳定性影响,在额定水头和最大水头下对国内某电站3种大开度工况采用SST k-ω湍流模型对机组进行稳态与瞬态数值计算和分析.结果表明:偏负荷工况下的转轮内部流态稳定,转轮出口与下环流道内出现流线紊乱区.尾水管内存在圆柱形的空腔涡带,涡带衍生于转轮泄水锥,并在尾水管内直锥段发展.混流式水轮机无叶区在偏负荷工况下的压力脉动主频为叶频,尾水管内部主要为幅值接近的低频脉动.研究结果揭示了水光蓄互补联合发电系统中混流式水轮机在偏负荷工况下的内部流场变化、尾水管涡带发展规律和机组压力脉动成因,为拓宽水轮机运行区间提供了建设性意见.

液力透平的数值计算与试验

设计了液力透平试验台,对一单级液力透平进行了试验,得到了外特性曲线.采用全流场和结构化网格技术对液力透平内部流动进行了数值计算.分析了液力透平在不同流量下的压力场和速度场,得到了内部流场的分布规律.应用速度三角形对液力透平叶轮和尾水管内部速度场随流量变化规律进行了研究.结果表明:离心泵反转可用作透平运行,并具有较高的效率;最高效率的数值计算与试验结果相对误差为4.85%;透平内部的压力从蜗壳进口经叶轮到尾水管逐渐减小,进出口压差随流量增加而逐渐增加;在透平叶片背面和工作面存在漩涡区域,漩涡位置和区域大小随流量而变化;在尾水管横截面上存在的圆周速度分量随流量而变化.

典型架空输电线路分段绝缘地线取能研究

从分段绝缘地线取能具有工程简单、适用范围广等独特优点,是一种颇具潜力的架空输电线路在线供电方式。但该方式存在取能功率通常较小及运行安全受雷击威胁的问题,这两个问题也是决定该方式是否可行的关键。首先,该文通过对典型线路地线电磁感应的分析,提出了基于涡旋感应的取能等值计算电路,并对取能端口的戴维南等效电路参数进行了推导。同时,对有关线路参数如档距与杆塔接地电阻分布等的影响进行了分析。在此基础上可以方便地通过参数选择、阻抗匹配等获得所需功率。其次,通过EMTP-ATP程序对雷电冲击的影响及其防护进行了仿真分析。最后,以四川电网某500k V线路为例对取能功率等进行了现场实测。实测结果说明取能分析与计算是合理的,此外取能装置对线路绝缘不构成威胁。

涡轮叶尖间隙流动的数值模拟

采用基于雷诺平均N-S方程的三维CFD计算程序,并结合Spalart-Allmaras一方程或k-epsilon双方程湍流模型加壁面函数的方法,对涡轮平面叶栅和涡轮级转子的叶尖间隙流场进行了数值计算,详细研究了不同叶尖间隙高度、不同叶尖间隙形式和叶尖间隙有冷气入射时其对涡轮叶尖间隙流场和性能的影响。计算结果表明:叶尖间隙对从大约70%叶高到叶尖位置的叶片损失具有明显的影响;在同样间隙大小情况下,余高间隙叶片等熵效率比平间隙叶片等熵效率约提高了一个百分点;而叶尖间隙有冷气入射时涡轮的等熵效率要比无冷气入射时的等熵效率约提高两个百分点。

贯流式水轮机低频脉动及尾水管涡带特性研究

为了研究贯流式水轮机内部低频压力脉动特性,针对某电站贯流式水轮机进行了非定常数值计算,分析了不同工况下水轮机内部的压力脉动特性,揭示了贯流式水轮机低频压力脉动产生的机理,并提出了改善低频脉动的方案。研究表明,在额定工况和小流量工况下,水轮机内部的压力脉动主要受到叶片通过频率(5.26 Hz)以及低频脉动(0.20 Hz)的影响,低频脉动的幅值从水轮机进口到出口逐渐增加,且小流量工况的低频压力幅值较额定工况高;不同工况下,水轮机尾水管内均存在一个与转轮旋转方向一致的螺旋状偏心涡带,该涡带按一定周期演变,其对应频率为0.22 Hz,与低频压力脉动频率(0.20 Hz)较为接近,因此可以说明该水轮机内部的低频压力脉动是尾水管涡带引起的;为了减小水轮机低频压力脉动系数幅值,提出了一种在尾水管内增设导流板的方案,该方案能有效降低由尾水管涡带引起的低频压力脉动系数幅值,导流板通过降低尾水管内的涡带能量,达到消涡目的。研究结果可为贯流式水轮机组的稳定运行提供依据。

旋涡自吸泵内部流场压力脉动数值模拟

为研究不同工况下旋涡自吸泵内部瞬态流动特性,利用ANSYS CFX软件并选取雷诺时均N-S方程和RNG k-ε双方程湍流模型,对包括叶轮、泵体和支架在内的旋涡自吸泵整机内部流场进行了瞬态数值模拟.将定常数值模拟结果与外特性试验进行对比验证,并将其作为瞬态非定常计算的初始值,提取了泵内部流动情况和监测点的压力脉动特性.计算结果表明:与叶轮接触的环形流道内主频为单边叶频,径向方向叶频也存在较明显的峰值;靠近壁面的环形流道内,能量集中在单边叶片通过频率及其倍频处;在隔板间隙处能量值更大,除低频段有明显的波动外,峰值集中在单边叶频及其倍频段,在间隙处的径向上从边缘至中间部位,单边叶频与叶频的能量值呈此消彼长趋势,中间部位叶频为主频;叶轮上的压力脉动转频为主频,峰值分布在转频及其倍频,随倍数的增加能量值依次降低.

基于FLUENT的平面涡流分级机导流特性研究

为了获取平面涡流分级机导流部分最优几何与操作参数,采用计算流体动力学软件FLUENT对其进行了数值模拟,重点研究了蜗壳与导风叶对导流效果的影响。在分析模拟所得X-Y散点数据基础上,通过建立导风叶外圈的速度、压力偏差均值与一、二次风口进风量的比例、蜗壳偏心距、导风叶定位基圆直径、导风叶数量等重要参数的关系曲线,得出了一系列较优设计目标,为平面涡流分级机导流部分的改进提供了参考依据。通过试制样机SX-35并利用粉煤灰进行筛余实验,定性验证了流体动力学分析结果在工程运用中的正确性。

低比转数恒扬程泵内部流场数值模拟

应用流场计算软件CFX,采用修正的RNG k-ε湍流模型,数值模拟了5种流量(0.6Qd,0.8Qd,1.0Qd,1.2Qd和1.4Qd)工况下恒扬程泵的内部流场,重点对0.6Qd,1.0Qd和1.4Qd等3种流量工况下叶轮中间流面的压力场以及速度场进行研究,并提取了该3种流量工况下叶片中间流线的载荷进行分析.采用正则化螺旋度Hn对叶轮中间流面以及蜗壳8个断面的涡旋流动进行了分析.模拟结果表明:叶轮出口边存在明显的回流,回流角随着流量的增大而减小;叶片形状对叶片载荷分布规律具有一定的影响;相对于主流运动方向而言,叶间流道内主要是正向涡旋,而蜗壳内部是对称性旋涡,蜗壳内旋涡从隔舌处的断面到螺旋线末端的断面经历了由稳定到不稳定再到稳定的发展过程.

基于全流场的泵装置出水流道内流特性分析

为了研究立式轴流泵装置出水流道的流动特性,以一立式轴流泵装置为研究对象,基于全流场非定常计算,结合湍动能和流线分布以及压力分布,分析出水流道内非定常流动特性;基于Q准则,在小流量工况下对流道内涡旋结构进行可视化分析;基于特征值法和涡量法,对不同工况下1个非定常旋转周期内的出水流道里的涡核进行提取.结果表明:小流量工况下,出水流道的入口处产生的涡旋结构数量最多,流道内提取到的涡核数量也最多;出水流道内的涡核强度从流道入口处往后逐渐减弱; 2种方法均在额定工况下提取到的涡核数量最少,并且额定工况下流道中后部均未出现涡核.掌握出水流道内流特性及涡核分布,有助于今后优化设计出低水力损失的出水流道.

基于熵产的离心泵流动损失特性研究

离心泵被广泛的应用于航空航天和石油化工领域,其内部的流动损失特征尚未被完全揭示。为了揭示离心泵内部流动损失机理,本文以1台带诱导轮的离心泵模型为研究对象,采用熵产理论和Q准则对不同转速和工况下的离心泵内部各个部件的流动损失特性进行定量分析。研究结果表明:局部熵产和壁面熵产值随着转速的增大而增大,与湍流耗散熵产和直接耗散熵产相比,壁面熵产所占的比率最高。腔体、蜗壳和叶轮是离心泵内部能量损失的核心区;叶轮内部的大量涡流和流体对叶片的冲击是造成叶轮能量损失的主要因素;叶顶泄漏涡是引起诱导轮能量损失的主要原因。

螺旋桨滑流影响的研究进展

螺旋桨滑流影响的研究和其他领域一样,有理论和实验两种方法。另外,随着计算机的发展,数值计算方法快速兴起。目前这三种方法已成为研究螺旋桨滑流的主要手段。分别介绍了研究螺旋桨滑流影响的三种方法,回顾了基于三种方法已经做过的主要研究工作,讨论了三种方法的优缺点、存在的问题、研究发展趋势,提出未来应展开的工作。

多相混输泵叶轮不同区域增压性能

为了改善多相混输泵叶轮域的增压性能,提高混输泵叶轮的做功能力,选用标准的k-ε湍流模型,分别在纯水条件不同流量下和设计流量不同含气率下进行了数值计算,对多相混输泵叶轮不同区域的增压性能展开了研究.结果表明:从叶轮进口到出口,各级叶轮叶片工作面和吸力面压差大的区域主要集中在叶轮的前半段,且在叶轮前半段,越靠近轮缘,叶轮的增压性能越强,越靠近轮毂,叶轮的增压性能越弱,在叶轮后半段,越靠近轮缘,叶轮的增压性能越差,越靠近轮毂,叶轮的增压性能越强;在不同流量下,随着流量的增大,叶片工作面和吸力面的压差逐渐减小,流量对叶轮前半段叶轮叶片工作面和吸力面压差的影响先增大后减小,流量对叶轮后半段叶轮叶片工作面和吸力面压差的影响逐渐减小;在不同含气率下,含气率越高,对混输泵叶轮的增压性能影响越大,且随着含气率的升高,叶片工作面和吸力面压差下降越快.研究结果对多相混输泵叶轮的进一步优化设计提供重要的理论依据.

循环床锅炉下排气旋风分离器阻力特性的研究

在大量试验研究的基础上，归纳分析了分离器的阻力随运行工况和结构参数的变化规律，分析探讨了分离器的阻力构成因素及其压力分布。根据分离器的结构特性和气流的运动规律，给出了阻力的计算模型，为分离器的优选、评价与设计提供了依据。

粘性流体通过二维振荡圆柱的声辐射研究

本文建立了一个低马赫数下的求解远场声密度的数值模型 ,该模型利用Navier-Stokes方程计算二维粘性流体通过固定/弹性支撑圆柱的流场 ,利用Lighthill声比拟理论计算该流场产生的水动力噪声。文中仔细地给出了远场二维声辐射的公式。利用这些公式分别讨论了不同雷诺数下(Re<200和Re>5000)

涡街流量传感器动态压力场分布特性

利用数值计算的方法,实现对涡街流量传感器中压力场动态分布特性的研究。数值计算采用湍流理论中的k-τ模型并结合CFD技术进行,以SIMPLE算法解离散控制方程。数值计算得到的旋涡脱落频率与试验结果相近,误差不超过7%,证明数值计算方法的有效性,并在此基础上通过对涡街流场中压力场分布特点的分析,给出检测旋涡信号的最佳区域。从分析旋涡在流场中动态变化过程入手,深入探讨引发压力场变化规律的流场内部机理。

涡流发生器对试验尾水管性能改善作用分析

为设计出1种含有涡流发生器的新型试验尾水管,对涡流发生器的机理进行一定的研究,并结合尾水管的工作原理,进行计算模拟和试验验证.根据尾水管的几何特征,运用壁面函数法建立全流道结构网格,用SST模型对其进行数值计算,分别以涡产生截面和涡开始发展截面作为涡流发生器叶片的安装截面,先后模拟了其55种不同工况下的水流特性.同时计算出尾水管各工况下的能量恢复系数,找出能使其能量恢复系数提高最大的安装方法.研究结果表明:以15°夹角于尾水管涡开始形成截面,对涡方式安装2对涡流发生器,且涡流发生器的安装截面在尾水管内部涡开始形成的位置.利用此安装方法进行试验验证,测量出试验尾水管的能量恢复系数提高了3.2个百分点,同时,提出了涡流发生器的安装截面为尾水管内部涡流开始形成的截面.为在建和改建水电站提供了一定的依据.