高聚物管道流超大尺度结构特征实验研究

高聚物减阻在管道输送中发挥着重要作用。管道湍流中的相干结构与高聚物减阻机理密切相关。实际工程中的管道流动大多为高雷诺数流动,高雷诺数管道流中最主要的含能相干结构为10倍管径量级的超大尺度结构。本文对高雷诺数高聚物管道流中的超大尺度结构进行实验研究。开展了4种高聚物浓度(以质量分数表征)、3种雷诺数共12组TR-PIV(Time-Resolved Particle Image Velocimetry)实验,使用预乘谱对超大尺度结构的尺度和强度特征进行了分析。研究结果表明:在相同雷诺数下,随着高聚物浓度增大,中心流区超大尺度结构的尺度和强度均明显增大,且与大尺度结构的强度之比也显著增大;在较高浓度下,超大尺度结构取代大尺度结构,成为了外区的主导含能结构。

泵站有压输水系统启动过程中蝶阀非定常流场研究

蝶阀广泛应用于有压输水系统,其开启过程是输水系统启动运行的必经阶段。在开启过程中,阀板需按预定的规律在流场中做旋转运动,具有变压差变截面的特点。本文针对泵站加压输水系统,采用一维/三维耦合计算思路,对蝶阀上下游的管路段按准恒定假设基于伯努利方程、对蝶阀所在的三维流体域基于动网格策略,构建了蝶阀开启过程数值分析方法,提出了模拟计算的动态边界条件及数据更新方式,对蝶阀开启过程非定常特性进行了三维数值模拟。研究结果表明,当阀板转角由0°匀速增大至90°,管道流量在阀板转角0~45°范围内快速增长,在45°时达到额定流量的90%,之后流量增长速度变缓。阀板水力转矩呈先快增后慢减的变化趋势,最大水力转矩出现在阀板转角20°时。从蝶阀前后流场可以看出,在阀板下游具有从两个主涡到流线平顺的演化特征。该研究揭示了蝶阀开启过程中水力瞬变演化机理,为优化蝶阀设计和输水系统稳定运行提供了参考。

泵站流量衰减问题分析与进水系统改造

为解决某抽黄灌区枢纽泵站机组流量大幅衰减问题,采用计算流体动力学(CFD)方法对其衰减原因进行分析,提出进水系统改造方案,并对改造前后的进水系统流态进行数值模拟对比。结果表明:改造前,在箱涵进口产生明显吸入涡,大量气体和杂质经箱涵高速进入吸水池后,造成池内水流上下翻滚,导致水泵吸水性能极差,运行一段时间后流量迅速衰减;改造后,进水系统流态得到有效改善,进水池低速区变小,吸水池水流上下翻滚现象消失,水泵吸水性能提升较大,机组流量衰减现象得到明显改善。通过实测改造前后泵站的运行流量,验证了CFD用于泵站内部流场模拟的可靠性;在后续对原有工程进行改造时,可先采用CFD对原始系统进行流场模拟,有针对性地进行结构改造。该泵站流道改造前后效果验证,进水系统设计时,应尽量保持各进水建筑物压力流或明流相同。

空化对振动水翼附加质量和阻尼特性影响研究

抽水蓄能机组需频繁调节工况以适应电网需求。由此水力激振频率范围加宽,共振风险增加。附加质量和阻尼特性是评估共振工况点和共振幅值的关键参数。在空化发生时,叶片绕流流体从液相变成汽相,其复杂的流固耦合效应对叶片附加质量和阻尼特性产生影响。本文将叶片简化为NACA 0009水翼,探索了空化发生时基于双向流固耦合的附加质量和水力阻尼特性预测方法。结果表明,模拟得到的静水中固有频率和不同空化数下的空化脱落频率与实验结果吻合良好,相对误差分别在7.12%和8.76%以内。在空化数σ=1.04~2.02范围内,固有频率和水力阻尼随空化数的降低分别增大和减小,相对于实验的平均误差分别为9.69%和13.65%。内部流动分析表明反向射流导致前缘空化周期性脱落,吸力面的绕流速度下降则是空化发生后水力阻尼下降的主要原因。研究成果对抽水蓄能机组设计阶段预判空化时的叶片振动评估具有重要指导意义。

叶片出口倾斜对立式导叶蜗壳离心泵性能影响研究

在长距离输水工程中,大型离心泵往往是核心设备。随着各国水网的逐步发展,立式导叶蜗壳式离心泵越来越受到重视,相关的应用也越来越多。由于其大尺寸的机组采用了固定导叶来进行导流与承重,机组本身的性能受到了一定影响。本文以高扬程、大流量的立式导叶蜗壳式离心泵模型为研究对象,结合模型试验与CFD模拟等方法,研究了三种不同叶片出口倾斜模式(正倾斜、垂直、负倾斜)给机组带来的不同流量下的性能变化。最终发现在流量较小(0.150~0.200m^(3)/s)时,叶片出口采用负倾斜模式的目标离心泵扬程H最大,采用正倾斜模式的效率η最大;流量较大(0.250~0.350m^(3)/s)时,三种倾斜模式下的扬程H、效率η没有明显差异。对于压力脉动,本文发现在进水管和无叶区,正倾斜模式都能很好地降低压力脉动的主频振幅,同比削弱均在10%以上(相较于最大值)。总之,采用正倾斜模式的叶片出口基本上能很好地降低压力脉动,同时也能较好的兼顾扬程与效率。在将来的大型水泵机组建设中,如果将离心泵的叶片出口设置为正倾斜模式,可能对提升大型水泵的运行稳定性和性能起到较大的帮助作用。

水中旋转圆盘振动阻尼测量与模拟

为了研究模态做功法在计算旋转式机械水力阻尼时的适用性和准确性,利用旋转圆盘阻尼测量系统的实验数据对该方法做了评估.研究表明,圆盘的水力阻尼值随转速的增加呈现下降的趋势;利用模态做功法计算水力阻尼值时必须考虑旋转效应带来的影响,如果直接使用静止条件下的模态结果,水力阻尼随转速的变化规律将完全和实验结果相反;在考虑旋转的条件下,计算精度有所提高,但整体呈现过预测的问题,该方法对旋转结构阻尼特性的预测精度还有待提高.

泵站内部流动分析方法研究进展

泵站是调水、供水、灌溉和排水系统重要基础设施,其水力性能直接影响系统的安全性、稳定性和工程效益。泵站内部流动分析涉及泵站、流体动力学和数值理论等多个学科,分析方法已由传统的一维半经验半理论阶段发展到了基于计算流体动力学的现代三维黏性阶段。本文综述了泵站内部流动分析过程中涉及的湍流模型、几何模型、网格模型、数值离散模型和解算模型,阐述了研究泵站进水池表面旋涡、泥沙与空化特性、水力激振特性、水力瞬变特性及水力设计的基本方法和过程,总结了泵站流动分析方法方面的最新研究成果,展望了未来发展趋势及主要研究课题。

基于改进欧拉算法的双吸离心泵泥沙磨损特性研究

固液两相流算法对双吸离心泵泥沙磨损模拟精度有直接影响。采用改进的固液两相流欧拉算法,考虑了相间阻力和泥沙扩散系数两方面因素,对典型悬移质泥沙粒径条件下的双吸离心泵流场进行了数值计算。研究发现,叶片表面湍流强度在头部和尾部较大,可达6%~10%;叶片头部和尾部的颗粒动态尺度大于中部。由湍流强度和颗粒动态尺度组成的湍动尺度效应,在叶片头部和尾部表现强烈,湍动尺度效应使固液相间阻力增大,更有利于颗粒的扩散,避免了颗粒聚集,对大颗粒的作用强于小颗粒。湍动尺度效应导致叶片表面固相体积分数分布范围减小,大颗粒的变化值大于小颗粒,叶片头部和尾部的改变值大于中部,叶片表面的严重磨损部位为叶片工作面尾部的块状磨损区,这比采用传统算法得到的带状磨损区和偏磨区计算结果,更符合离心泵实际磨损情况,考虑湍动尺度效应后得到的磨损率也有所增大。在此基础上,提出了双吸离心泵叶片水力设计和表面喷涂防护原则,为提高双吸离心泵抵抗泥沙磨损能力奠定了基础。

低浓度固液两相流相间阻力修正模型研究

低浓度固液两相流的相间阻力是影响固相浓度分布计算结果的重要因素。常用于固液两相流数值计算的Wen-Yu模型中,阻力系数是通过标准阻力系数曲线中添加浓度的影响得到的,并没有考虑湍流对阻力系数的影响。由于这一影响是惯性效应和湍动效应的综合体现,针对低浓度含沙水流,研究通过引入惯性因子和湍动因子来分别表达惯性项、湍流强度对阻力系数的影响。根据试验和理论研究,提出了湍流修正函数与惯性因子、湍动因子的表达式形式;利用试验数据并结合最小二乘法,确定了表达式系数,得到了湍流修正函数与颗粒雷诺数、湍流强度的关系式。通过对圆管内低浓度含沙水流的计算表明,运用湍流修正函数修正后的Wen-Yu模型,在不同的进口水流速度下,计算得到的固相浓度分布更接近试验结果。

双吸离心泵蜗壳面积比对水力性能的影响研究

双吸离心泵具有流量大、扬程高的特点,被广泛应用于农业输水灌溉等工程。双吸泵的蜗壳和叶轮间具有动静干涉作用,两者之间的匹配形式会对水泵的水力性能产生影响。将CFD数值模拟和已有试验数据相结合,通过研究不同比转数的双吸离心泵蜗壳面积比对水力性能的影响,得出不同比转数下双吸离心泵最优蜗壳面积比规律。研究发现,当蜗壳面积比在原有基础上增加时,其最高效率点向大流量工况偏移,且扬程和效率有下降的趋势,设计工况附近的平均效率降低;当蜗壳面积比减小时,其在一定范围内扬程和效率均出现上升,最高效率点偏向于小流量工况,但是当降低到一定程度时,扬程和效率均会出现急剧的下降,最终通过总结各个比转数双吸泵的最优蜗壳面积比,得到随着比转数的增加,最优蜗壳面积比增加,高效区范围逐渐加宽这一规律。

双进口两级双吸离心泵过渡流道压力脉动特性研究

双进口两级双吸离心泵的过渡流道由正流道、过桥段、反流道3部分组成,其中正流道为双蜗壳型式,反流道为带有导叶的双螺旋型式,过桥段连接正反流道呈现空间扭曲状。过渡流道与首级叶轮和次级叶轮均存在动静耦合关系,由此导致的动静干涉效应是引起压力脉动的主要根源之一。采用CFD方法对双进口两级双吸离心泵典型工况下的三维非定常流场进行了研究,对过渡流道压力脉动机理进行了分析。研究发现,正流道内的静压分布与其双蜗壳型式密切相关,在所有工况下均呈180°对称分布,压力脉动主频均为叶片通过频率,最大脉动幅值均出现在隔舌附近;小流量工况下,隔舌处压力脉动主频幅值明显高于设计工况,约为设计工况的180%。在过桥段中,所有工况下压力脉动主频均为叶片通过频率,设计工况下,沿着流动方向,内壁面进口处的压力脉动主频幅值达到最大,外壁面主频脉动幅值变化沿流动方向有增加的趋势;在反流道中,设计工况下压力脉动主频为叶片通过频率,幅值沿着流动方向逐渐增加,出口处主频的脉动幅值约为进口处的110%;小流量工况下,反流道导叶附近存在低频成分,且在导叶周围发现具有周期性的漩涡。

进水池形状对吸入涡影响试验研究

为了改善进水池附近的流态,避免吸入涡进入喇叭口,首先以不同淹没深度和不同流量对开敞式进水池进行高速摄影和PIV试验,根据测试的流态提出相应改善措施,然后对矩形进水池和矩形进水池加底部十字架2种方案进行试验,观察并对比其消涡效果.结果表明,相对于开敞式进水池的方案,矩形进水池方案可以使喇叭口处的流态得到改善,并将前者的允许最小淹没深度降低,即在同等条件下改善了旋涡的表面涡纹状态;然后对矩形进水池方案加十字架后,进一步减小了旋涡的影响,并再次降低了允许最小淹没深度,由0.90D降低到0.70D,且改善了旋涡的表面涡纹状态.研究结果对于允许最小淹没深度的改进、降低泵站进水池的工程造价方面具有参考意义.

高扬程两级双吸离心泵时序效应研究

因叶轮与导叶的周向相对位置变化而产生的时序效应对水泵性能有直接影响。本文针对一台两级叶轮均为6叶片的双进口两级双吸离心泵首级叶轮、过渡流道和第二级叶轮所组成的相位分别为0°、15°、30°及45°等4种方案,对0.6Q、1.0Q及1.2Q等3种典型工况下的水泵瞬态特性进行了研究,分析了过流部件压力脉动频域特征,总结了压力脉动及叶轮径向力变化规律。研究表明:两级双吸离心泵叶轮相位对水泵扬程及效率的影响不显著,偏差在2%以内,但相位对水泵过渡流道和压水室压力脉动影响大,在设计工况下,相对于0°、15°及45°方案,30°方案对过渡流道入口隔舌处压力脉动主频幅值削减度分别达70%、38%和40%;对压水室隔舌处压力脉动主频幅值削减度分别达31%、18%和22%。4种方案对应的离心泵叶轮径向力在各工况下均呈周期性变化,且30°方案下叶轮所受到径向力最小。为保证水泵安全稳定运行,建议两级双吸离心泵首级叶轮与第二级叶轮在圆周向呈对称交错安装。本文研究成果为高扬程多级离心泵的优化设计和稳定运行提供了科学依据。

离心泵瞬态模拟中滑移界面形状和位置研究

滑移网格法是分析离心泵瞬态流场的最主要方法,其中滑移界面形状和位置的选取方式对流场计算结果有直接影响,而目前对如何选取离心泵滑移界面并无统一的看法。以一台离心泵为研究对象,采用5种不同的滑移界面方案分别对水泵流场进行瞬态模拟,对比不同工况下的外特性、基本流态和隔舌处压力脉动特性等。研究表明,方案I(紧贴叶轮的短一字形滑移界面)和方案Ⅴ(环绕叶轮的倒U字形滑移界面)的水泵效率平均计算误差均在1%左右,且两者在轴面流态和蜗壳进口的速度分布上均与实际情况吻合良好,而方案Ⅴ更能突出泵腔流体流速的梯度变化,且在隔舌处的压力脉动特性方面最符合已有研究结果。方案Ⅲ(紧贴叶轮的长一字形滑移界面)和方案Ⅳ(紧贴基圆的长一字形滑移界面)均将整个泵腔设为旋转域,水泵效率计算误差达5.2%和9.2%,且两者的轴面流态也明显有悖于已有研究结论。方案Ⅳ和方案Ⅱ(紧贴基圆的短一字形滑移界面)均将旋转域紧贴隔舌,导致隔舌对液流的切割作用被放大,表现为隔舌处的进口流速严重下降。综合分析表明,直接将泵腔设为旋转域和将滑移界面紧贴隔舌的做法均会使模拟结果有较大偏差,推荐将滑移界面取为环绕叶轮的倒U字形,该方式能在保证模拟精度的同时反映最真实的流动特性。

泵站站内机组运行组合的优化研究

泵站可为工、农业用水提供保障,在不同的季节、不同的时间段用水需求不同,所以供水泵站要根据实时的需水要求供水。首先分析了泵站运行的准则,通过选择泵站运行功率最小为准则,针对泵站站内采用逆序递推动态规划法,以某提水工程总干二级为例进行站内优化,优化结果与实际运行相比,其机组组合情况发生变化,单位时间内降低了18.6%的能耗。优化后泵站站内运行情况可根据用水区的需求,保证泵站安全运行的前提下寻求最优的调度方式,提高泵站的运行效率,降低泵站整体运行的成本,最大程度地创造经济效益和社会效益。

大型泵站装置系统的CFD并行计算及分析

关于泵站的研究,一般是把进出水建筑物从泵站其他装置中分离出来作为单独的研究对象。为了研究泵站全流道CFD计算与泵站各过流装置单独计算的异同,对泵站装置系统进行全流道CFD数值计算。以某泵站二期工程为研究样本,进行1:1建模,网格划分。采用湍流模型进行并行计算,设置多组对照试验模拟计算。通过对比各组模拟结果中水泵流量、扬程、效率,对部分流道流动状态进行分析。

不同载荷分布型式下轴流泵叶顶间隙流特性研究

轴流泵叶顶泄漏流对水泵内外特性有重要影响,从控制叶片载荷角度建立了轮缘载荷分布型式与叶顶泄漏流的关系。基于三维反问题设计方法设计得到了具有前载、中载和后载3种典型轮缘载荷分布型式的轴流泵叶轮模型,采用三维湍流模拟技术研究了上述3种轮缘载荷分布型式对轴流泵叶顶泄漏流及其诱导的泄漏涡流动的影响。结果表明,相对于轮缘前载型叶轮和轮缘中载型叶轮,轮缘后载型叶轮可有效消除叶片进口附近低压区,有利于叶轮空化性能;小流量工况性能有所提高,有效抑制流量扬程曲线的驼峰现象;同时轮缘后载型叶轮具有更好的小流量工况压力脉动性能。

双吸离心泵泵站压力脉动与振动特性现场试验研究

双吸离心泵运行时,动静干涉会引起特定压力脉动,其频率为叶轮转频与叶片数相乘,即叶频。前期研究表明叶频压力脉动主要产生于压水室的隔舌区域,是引起水泵机组和泵房振动的重要激振源。为了揭示双吸离心泵系统压力脉动和振动特性的关系,开展了泵站压力脉动和振动特性的现场试验。通过在泵基础、出水管和泵房楼板位置布置振动传感器,同步测量了泵出口阀门不同开度下和泵启动开阀过程中的振动信号,借助时频分析方法开展了泵房振动信号的溯源分析。分析结果表明:在稳态工况中,水泵压力脉动和振动的相干性主要表现在转频、叶频及其倍频,且叶频压力脉动具有向上游衰减快,向下游衰减慢的特点;在启动工况中,水泵压水室压力脉动与基座(特别是垂直方向),甚至泵房出水侧楼板振动在叶频和转频处表现出相干性。根据现场测试结果认为,干室型双吸离心泵泵房在设计时,需要重点关注水泵叶频压力脉动作用下出水侧楼板等泵房结构的动力学响应问题。

非对称尾部形状水翼水力阻尼识别方法研究

水力阻尼是影响流激振动幅值预测精度的关键参数,是水力机械流激振动领域研究的热点问题。非对称尾部形状水翼在涡激振动和升力的联合作用下,振动响应的平衡位置具有时变特性,采用传统自由振动衰减法获得的水力阻尼比误差大幅度增加,甚至失效。为了克服传统自由振动衰减法应用局限,本文借助双向流固耦合数值模拟方法获得流激振动响应位移,通过带通滤波结合平衡位置校准,研究了动水环境中对称和非对称尾部形状水翼水力阻尼的识别方法。结果表明,数值模拟可较准确获取低阶结构模态和尾部旋涡脱落频率,相比实验结果,低阶弯曲模态频率、低阶扭曲模态频率和15 m/s流速下脱落涡频率最大偏差分别为7.58%、2.90%和1.42%;带通滤波可消除周期性涡激振动对响应信号的影响,水力阻尼比识别偏差度从7.51%下降到1.92%;平衡位置校准方法可采用多项式拟合法、线性插值法和光滑样条曲线法,所对应的水力阻尼比识别偏差度分别为34.93%、3.53%和0.16%。工程上,可优先推荐滤波结合线性插值法,在需要高精度水力阻尼比的场合,则必须采用滤波结合光滑样条曲线法。

基于单/双向流固耦合的水翼水力阻尼数值预测方法研究

为评估水力机械外部瞬态载荷作用下的动力响应幅值,必须考虑流固耦合产生的水力阻尼效应。如何准确预测水下结构水力阻尼参数是设计阶段评价水力机械运行稳定性的难点问题。借助分离式单/双向流固耦合数值模拟方法,针对工程中常用的NACA0009翼型,开展了水翼在5~20 m/s流速下的振动特性和水力阻尼比数值预测方法研究。分析结果表明:第1阶弯曲模态振型在静水中与20 m/s流速下相一致,且低阶模态水翼固有频率随流速变化在3.95%以内,据此,单向流固耦合中将静水中振型及固有频率作为动水水翼的初始条件的假设是可行的。基于单向流固耦合方法所预测的水力阻尼比与实验值的平均相对偏差为11.42%。双向流固耦合则不需要该假设,能更加准确地预测低阶模态固有频率、水翼尾部脱落涡频率和水力阻尼比,相对实验值的平均偏差分别为4.36%、4.24%和4.95%。单/双向流固耦合数值方法都能预测水力阻尼比随流速线性增加的规律。本文算例中,相同计算资源条件下双向流固耦合所需计算时间是单向计算的15倍。在实际工程应用中,推荐优先采用单向流固耦合方法。