并排水平轴潮流能水轮机组水动力特性研究

基于FLOW-3D软件平台建立三维水动力计算模型,研究水轮机横向间距、相对安装高度和来流速度对二台并排布置的水平轴潮流能水轮机组的水动力特性的影响。结果表明:随着横向间距的增大,水轮机组受到的与来流方向相同的最大水流作用力有一定减小,最大降幅达6.62%,尾流场中水流加速区域的最大流速也略有减小,最大降幅约1.21%;水轮机组相对安装高度和来流速度的改变,对其飞逸转速、最大水流作用力以及尾流场有显著影响。     

串列异步拍动翼推进性能分析

以滑波推进器为原型,基于RANS方程,采用动网格技术计算了6翼异步拍动翼串列时的水动力性能,探讨了来流、摆幅角、翼间距、运动周期和升沉幅度等对其推进性能的影响,并建造样机.计算结果表明,串列异步拍动翼不同位置翼表现出不同的性能,且任一位置翼比单片异步拍动翼产生更大的推力.尾涡分析表明,翼间涡系干扰是不同位置翼性能不同的主要原因,且其干扰对推力的产生有利,小间距时可产生更大推力.     

变偏角垂直轴潮流能水轮机纵荡运动水动力分析

采用水轮机旋转运动与强迫纵荡运动的组合模拟水轮机的波浪运动响应,并应用ANSYS CFX软件对均匀来流中水轮机强迫纵荡时的流场和水动力特性进行分析,研究不同纵荡频率和纵荡幅值对水轮机水动力的影响规律.研究表明:与水轮机在均匀来流环境中仅做旋转运动相比,纵荡使水轮机尾涡间距发生疏密变化;水轮机水动力载荷瞬时值的峰值包络线均值产生较大波动,波动频率为水轮机纵荡频率,波动幅值随纵荡频率和纵荡幅值的增加而增加;载荷波动范围的最大值随纵荡频率和纵荡幅值的增加逐渐增加,而最小值却逐渐减小.研究结果可为潮流电站电能输出控制系统及水轮机结构强度校核提供参考.     

异步反转式组合型垂直轴水轮机性能研究

为了解决升力型垂直轴水轮机因其较低的静力矩而无法应用于低流速海流环境的问题,提出一种内外转子异步反转的组合型水轮机。装置的外部是H型转子,内部采用Savonius型转子,2个转子在各自最优尖速比下运行,在提供运行效率的同时降低系统启动流速。利用CFD软件数值分析内部转子的转速、组合轮机的直径比对外部H型转子及组合轮机性能的影响规律。采用数值计算方法研究组合轮机在不同来流方向的静力矩系数。研究结果表明：当直径比小于0.4时,内部转子的尖速比几乎不影响外部H型转子的效率,但当内部转子尖速比大于0.5时,内部转子转换为耗功部件,组合轮机的效率降低;由于内外转子存在转速差,大直径比组合轮机的内外转子将产生较强的相位干涉,增加外部转子的扭矩波动,会降低组合轮机的寿命。因此,组合轮机的直径比应选择为0.2～0.4,内部S型转子尖速比为0.2～0.5。组合轮机在大部分流动方向下,静力矩系数显著提升。     

串列双桥墩紊流特性研究

采用概化水槽试验和数值模拟相结合的方法,建立了水流与桥墩的二维概化水槽模型。通过对迹线、尾涡强度及脱落频率的研究,分析了桥墩间距对桥墩周围紊流特性的影响。研究结果表明,串列双桥墩间距较小(L/D≤2.0)时,上游桥墩没有形成涡的脱落,上游桥墩的剪切层交替的附着在下游桥墩上,导致剪切层在运动之前变厚,尾涡脱落频率减小,紊动强度增大;当3.0≤L/D5.0时,上、下游桥墩均有涡的脱落,且桥墩间距越大涡脱落现象越明显,尾涡的紊动强度随间距的增大而减小;当桥墩间距增大到5.0后,上、下游尾涡的紊动及尾涡脱落类似单个桥墩。     

干扰板作用下飞机尾涡流场近地演变机理研究

为了更好地控制和规避飞机尾涡对飞行安全和机场运行效率的不利影响,本文重点研究近地尾涡的强度消散与涡核运动规律。使用ANSYS中的DM模块建立A320飞机机翼模型,并基于雷诺平均法(RANS)采用RKE涡黏模型对雷诺应力项进行方程封闭,在天河一号超级计算机上采用多段拼接方法开展大尺度脱体尾涡数值模拟实验。基于实验数据分析了地面效应对涡核的下沉趋势和水平运动、涡间距、涡量及涡核速度等的影响,然后在尾涡流场中增加接地竖板,研究在机场跑道端设置人工干扰板时的尾涡运动和消散规律。结果表明,地表附面层能分离出二次涡,其缠绕于主涡周围诱发主涡加速消散并改变尾涡速度场的分布;人工干扰板能有效削弱尾涡的湍流动能,诱导主涡分离出二次涡系,触发涡系产生Rayleigh-Ludwieg相交不稳定性,加快主涡的下沉与迸裂,显著提高尾涡强度消散率。     

龙卷风风场的数值模拟研究

基于同济大学研制的龙卷风物理模拟装置,运用数值模拟方法构建了物理模拟器的数值计算模型,并通过对比龙卷风风场的物理试验模拟结果和现场实测结果,验证了数值计算模型的可行性.在此验证基础上,研究了3种不同涡流比条件下的龙卷风风场结构,对比了不同涡流比条件下龙卷风的三维风场速度(切向速度、径向速度和轴向速度)分布形态、风压分布、龙卷风涡核半径和气流脉动特性.研究结果表明:随着涡流比的增大,龙卷风风场最大切向风速逐渐增大,涡核中心气压降明显降低,涡核半径随之变大,涡核中心附近切向风速的标准差变小;涡流比的增大使龙卷风单涡核逐渐破碎,发展到双涡核.     

Richtmyer-Meshkov不稳定的双椭圆气柱相互作用的PIV研究

激波冲击双气柱既包含了激波与界面的相互作用又包含了界面之间的相互作用,是探索实际应用中Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性演化的很好的桥梁.利用高分辨率的粒子图像测速(PIV)技术获得了4种不同初始中心间距的双椭圆气柱在平面激波冲击下的速度场、涡量场和环量,定量表征了界面相互作用对RM不稳定性演化的影响.界面相互作用较弱时,双椭圆气柱的演化由两对涡对结构主导,内涡弱于外涡,且随着中心间距的减小内涡的弱化愈加显著;界面相互作用较强时,双椭圆气柱演化模式发生转变,内涡消失,只由一对涡对结构主导,外涡随中心间距的减小而增强.界面相互作用导致双椭圆气柱的演化行为与单椭圆气柱的演化行为不同,典型的特征是内涡的削弱及涡对结构的旋转运动.双椭圆气柱演化行为与双圆气柱演化行为也存在差别,表现为强界面相互作用时外涡随中心间距的减小而增强.     

串列双方柱的风压特性及其流场机理

为了研究干扰条件下方柱的风压特性及其流场机理,以串列双方柱为研究对象,采用大涡模拟方法,在雷诺数Re=8×104、间距比P/B=1.1～5的条件下,研究了两个方柱的风压系数、气动力系数、风压非高斯特性、风压相关性随间距比的变化规律,重点探讨了双方柱流场特性及其与风压非高斯特性的内在联系.研究结果表明:随着间距比的增大,串列双方柱依次表现为3种流态,即单一钝体、剪切层再附和双涡脱流态,风压特性与流态密切相关.风压的非高斯特性和风压相关性随流态变化呈现为3种类型:在单一钝体流态下,柱间回流区附近的表面风压呈现明显的非高斯特性且风压相关性较强;在剪切层再附流态下,方柱尾流的涡脱强度低,风压相关性弱,但风压非高斯区域大;在双涡脱流态下,受上游方柱尾流旋涡的作用,方柱侧风面的风压相关性较强,下游方柱的侧风面和背风面出现大范围的风压非高斯区域.     

长短叶片水轮机尾水涡带动态特性数值分析

在保证CFD模拟长短叶片混流式水轮机可靠性的基础上,通过改变蜗壳进口流量,模拟得到了水轮机历经额定运行、甩负荷、部分负荷稳定运行、增负荷和额定运行五个阶段的尾水涡带演变规律.结果表明:长短叶片水轮机偏负荷工况不会形成常规混流式水轮机的螺旋涡带,尾水管边壁压力脉动幅值较小.采用Q准则和本征正交分解(POD)方法分析尾水涡带结构,当流量改变时,主流在尾水管中心和边壁之间转移,伴随复杂的涡带结构演变.随着负荷减小,单一柱状涡带、多级缠绕螺旋涡带和管壁处多股片状螺旋涡结构所携带能量依次增强,在部分负荷时管壁处螺旋涡结构能量占比达到8%以上.     

考虑颗粒尾涡效应的二阶矩两相湍流模型

将作者曾提出的颗粒尾涡增强气体湍流模型加入到二阶矩-颗粒动力论两相湍流模型中,建立了新的考虑尾涡效应的二阶矩两相湍流模型,并对水平槽道、旋流突扩室和下行床内的两相流动进行了模拟.对水平槽道和旋流突扩室内稀相两相流动的模拟结果表明：与实验数据对照,新模型比没有考虑颗粒尾涡影响的模型有一定程度的改进,颗粒尾涡效应确实增大了气体湍流;在下行床内的稠密两相流动中,由于两相之间的相互作用比较明显,颗粒尾涡不仅增大了气体脉动,而且也增大了颗粒脉动.     

线间距对600 km/h高速磁浮列车明线交会气动性能的影响

为探明不同线间距下600 km/h高速磁浮列车明线交会时的气动特性,基于三维、非定常、可压缩的N-S方程和SST k-ω湍流模型,采用重叠网格技术,分析列车明线交会时的车身周围流场结构、列车交会压力波和列车侧向力,通过动模型试验来验证数值模拟方法的准确性。研究结果表明：在不同线间距下,列车交会时的车身周围流场分布特征相似,随线间距增大,列车尾涡展向角逐渐增大,两交会侧车身之间流场的速度和压力不断减小;不同线间距下的列车压力波变化规律一致,压力波幅值与列车运行速度的二次方近似呈正比,当线间距由5.1 m分别增大至5.6 m和6.1 m时,压力波幅值分别减小28.2%和42.4%,且增大线间距对列车压力波正波缓解作用比负波的大,头波的缓解作用比尾波的大;列车交会过程中头车侧向力幅值比尾车和中间车的幅值大,增大线间距对尾车侧向力的缓解作用比头车和中间车的大,当线间距由5.1 m增大至6.1 m时,头车、中间车和尾车的侧向力幅值分别减小33.8%、34.1%和35.7%。     

前置水翼对摆动翼水动力性能影响机理研究

为研究双体干扰对摆动翼水动力性能的影响机理,基于计算流体力学(CFD)方法,针对均匀来流、前置水翼刚性静止及柔性波动尾流场中摆动翼的水动力性能开展数值研究．通过改变摆动翼的平移幅值和运动频率计算推力系数、功率消耗及推进效率的变化趋势,以流场的压力分布云图、纵向速度分布云图及涡结构的演变特征分析前置水翼对摆动翼推进性能影响的机理．计算结果表明：前置水翼的存在能够提升摆动翼的推进性能,并且前置水翼进行柔性波动运动时摆动翼的推进性能最优;前置水翼的尾缘脱落的涡能够融于摆动翼表面的附着涡,提升附着涡的强度;上游的柔性波动水翼尾缘处脱落一个强度较大的尾缘涡,对摆动翼表面的附着涡产生挤压作用,提升附着涡的强度并加速附着涡的脱落．     

基于分离涡模拟方法的导管桨近尾流场及尾涡特性分析

基于分离涡模拟(DES)方法对设计工况下导管桨的近尾流场及尾涡特性进行数值模拟.数值计算中选用SpalartAllmaras湍流模型封闭N-S方程,采用滑移网格技术及混合网格划分方法完成导管桨敞水性能数值计算.通过分析导管桨瞬态尾流场及尾涡空间结构发现:近尾流场中螺旋桨半径区域瞬态诱导速度大,尾流中分布着连续漩涡结构,尾流加速作用明显.导管桨尾涡主要由导管剪切层涡、叶片涡系及毂涡组成,叶片涡系中包含叶梢涡、叶根涡、毂涡及相邻梢涡带之间诱导产生的S形二次涡;导管桨尾涡结构中多重涡系之间产生复杂干扰,尾涡形态出现融合、扭曲、分解并逐渐扩散.     

新型水动力喷雾降尘器设计与实现

针对采煤机喷雾系统喷雾面覆盖不足、设备老化等问题，设计一种新型水动力喷雾降尘器，并在不同水压下对使其进行性能试验和现场应用。结果表明，同等水压下，新型水动力喷雾降尘器相比无旋转喷雾降尘器的喷雾场惯性力更大。当水压为3MPa时，前者比后者的喷雾有效距离增大28.8%;在3m/s侧向风干扰下，同等水压的新型水动力喷雾降尘器比无旋转喷雾降尘器喷雾抗风能力强，当水压为2MPa时，喷雾抗风能力提高了60%,且随着水压的增大，喷雾的抗干扰能力越大；新型水动力喷雾降尘器喷雾最大覆盖面积和流量与水压呈正比关系，且相比于无旋转喷雾降尘器，其喷雾场更为稳定且均匀。现场应用高压水动力喷雾降尘器后，综采面平均全尘、呼尘降尘效率提高至84.58%,83.99%。     

折板型竖井湍流耗散及消能机理分析

为了研究泄流过程中折板型竖井的湍流耗散特性及消能机理,对9种不同体型的竖井开展水力模型试验与数值模拟,分析不同流量下竖井内湍动能、湍动能耗散率和水动力荷载分布规律,建立折板消能计算模型,探究竖井消能机理.结果表明:折板间距过密或过疏均不利于竖井的泄流和消能,在设计流量下竖井内的流态为自由跌水流时,对应的最小折板间距为最优结构设计;10°折板倾角可提升竖井的消能效果,并减小折板上水动力荷载;建立的折板消能计算模型可较为准确地计算自由跌水流态下的消能率;竖井消能方式分为入口消能、折板消能和井底消能,不同流量下各种消能方式的能耗占比不同,小流量时以折板消能为主,随着流量的增加,入口消能和井底消能的能耗占比随之增大.     

间距比对叠合梁双幅桥涡振性能的影响

以工程中常用的双边工字钢式叠合梁平行双幅桥为对象,基于系列弹簧悬挂节段模型风洞试验,研究了不同间距比下叠合梁平行双幅桥涡振(VIV)干扰效应,并将上下游桥面涡振振幅、涡振风速锁定区间与单幅桥面进行了对比。结果表明:双幅桥与单幅桥相比,气动干扰效应使得双幅桥的最大涡振振幅和风速锁定区间都明显增加;双幅桥的最不利间距比为2～4,此时桥面最大涡振振幅最大且风速锁定区间更长;上下游桥面的振动存在一个相位差,受到折减风速、上游桥面振幅和间距比的共同影响。     

两不同截面串列方柱风力场特性的数值研究

气流围绕组合方柱的流动及产生的流场力比孤立的单柱场复杂,文章采用大涡模拟方法(LES),研究两不同截面方柱(d/D=0.5)串列组合下的高雷诺数(Re=6.5×105)绕流风场,探讨主要区段(L/D=0.75～7.0)内间距对风力场的影响。分析结果表明:较小间距下的间隙变化对涡脱频率及风力影响很大,L/D<1.25及L/D<2.0分别为涡频和风力显著变化区段,而L/D>3.0时风力变化平缓;同单柱情况比较,除后柱阻力系数均方误差在中等间距(L/D=1.7～5.7)明显大于单柱外,两柱阻力系数时均值和风力系数均方误差均小于单柱;前柱的漩涡脱落决定风场脉动特性,后柱涡频则由前柱锁定,L/D≥1.25时两柱涡频将等同于单柱。     

盾构机双滚刀在复合地层中破岩机理的

针对华南地区广泛存在的复合地层地质条件,本文着重研究了盾构机双滚刀在该地层中的破岩机理。主要包括两方面的研究,其一是研究在复合地层中双滚刀的最优刀间距;其二是不同岩层之间夹角的大小对破岩的影响。结果表明：(1)随着刀间距从88 mm增大到112 mm,滚刀所受到平均法向力和平均滚动力均呈现先增大后减小再增大的趋势,平均法向力与平均滚动力的比值在10~15之间;并且比能会先迅速减小,然后缓缓增大,刀间距/贯入度的值在25附近时比能值达到最小。(2)双滚刀所受到的平均法向力与平均滚动力,会随着岩层夹角从15°到90°的增大,呈现先减小后迅速增大的趋势;在45°左右夹角时,滚刀受到的力会减小到最小。这些结果对复合地层中盾构机的破岩掘进有一定的指导意义。     

应用三维空间导叶的混流式水轮机流动

为减小混流式水轮机转轮内的叶道涡,设计了两种三维空间导叶,推导了流量调节方程,采用了全三维全流道的湍流计算方法,完成了从蜗壳进口到尾水管出口,包含所有流道在内的数值计算;并进行了模型对比试验。结果显示:应用三维空间导叶对水轮机能量性能没有太大的影响,但是增大了活动导叶上部的水流出口角,从而减小了转轮叶片进口处的冲击,尤其是在高水头、小开度情况下,上冠处的冲击和脱流比二维常规导叶有明显改善,降低了叶道涡发生的可能性,提高了水轮机的运行稳定性。