基于空化流动计算的混流式水轮机尾水管的压力脉动

为了保证混流式水轮机运行安全,分析了尾水管内部的空化流场.假设气液混相均质,并考虑不可凝结气相,采用基于组份输运方程,求解了尾水管内气液混相均质流的雷诺平均N-S方程以及气相组分输运方程.结果表明:不同装置空化系数下尾水管压力脉动主频率变化不大,但在极低的装置空化系数下,削波现象导致更低频率成分的出现.在较大的装置空化系数下,空化涡带直径较小,压力脉动幅值随装置空化系数的变化不明显;换当装置空化系数小于某一临界值后,随装置空化系数的降低,压力脉动幅值增加并达到一个最大值.计算结果解释了模型试验现象.     

低比转速离心泵非定常空化流动特性

为了研究低比转速离心泵的空化流动特性,基于SST k-ω湍流模型和ZGB空化模型,在不同进口压力条件下对离心泵内部空化流动进行三维非定常数值模拟,研究了离心泵在发生空化时不同位置的压力脉动规律和空泡体积变化规律.结果表明:空化发生后叶轮压力脉动主频为叶频,流道进口处次频脉动幅值增长明显;空化时叶轮流道靠近叶轮出口处的压力脉动幅值增长率与叶轮流道进口处压力脉动幅值增长率相比增长更明显;空化时叶轮流道进口处的压力脉动与叶轮流道、出口及隔舌处压力脉动相比存在迟滞现象;空化过程中空泡体积的增长过程是非线性的.     

轴流泵空化流及其诱导压力脉动的数值模拟

基于改进的空化模型和SSTk-ω湍流模型,对轴流泵的流量-扬程曲线、空化特性及其诱导非定常空化压力脉动进行了数值模拟和分析.数值模拟结果表明:设计工况下的扬程、效率和必需空化余量预测误差分别为3.41%,4.10%和6.32%,获得了较高的预测精度;轴流泵叶轮空泡主要分布在叶片背面进口10%~30%区域,从轮缘到轮毂叶片空化区域逐渐减小;轴流泵叶轮出口在空化条件下的压力脉动的主频仍为叶频,谐频为叶频的倍数.叶轮出口受到叶轮外缘严重空化流的影响,在临界空化余量工况下,靠近轮缘处的空化压力脉动幅值是轮毂侧4倍左右;在导叶出口处两者差异逐渐减小,轮缘处的幅值比轮毂处仅大40%左右.随着空化余量不断降低,叶轮内空化趋于严重时,空泡发生区的压力脉动幅值显著增大;但在叶轮进口处,由于空化流向叶轮下游发展,叶轮上游流场受到空化的影响较小,在不同空化余量下压力脉动幅值变化较小.     

不同开度下水泵水轮机飞逸工况压力脉动特性分析

为研究不同开度下混流式水泵水轮机流道内的压力脉动,采用Realizable k-ε湍流模型,进行了某模型水泵水轮机飞逸工况7个不同开度下的全流道三维非定常数值计算,并与实验结果进行对比,分析了其各区域压力脉动幅值和频率.结果表明:随着开度的增大,转速上升,水泵水轮机流道内的压力脉动幅值有所升高,增大到一定程度后会引起蜗壳内流动特性的改变;中间开度21 mm时活动导叶转轮区域及尾水管内压力脉动主频较其余两开度高而幅值有所降低;尾水管中压力脉动主频具有传递性且幅值随流动方向增大.     

空化对离心泵低频水力振动影响的数值研究

选择k-ε湍流模型和空泡动力学理论对离心泵内部的空化流场进行计算,获得了三种不同空化阶段(无空化、空化初生及空化充分发展)叶轮内部气泡分布规律,捕捉了叶轮受力以及蜗壳壁面和叶轮出口压力脉动的动态信息.时频分析结果显示:数值仿真场中压力和受力在空化不同阶段表现出不同的时频特性;随着进口压力的降低,气泡首先在叶片背部产生并逐渐随水流扩展;在不同空化阶段,蜗壳内压力脉动主频均为叶频,蜗舌处压力脉动幅值最大;当远离蜗舌时,叶片作用大于动静干涉,叶轮出口出现了比蜗壳壁面更多的高频成分;叶轮Y向动态受力峰峰值变化幅度明显大于X和Z向,空化的发展主要引起叶轮Y向振动加剧.     

离心泵内部非定常空化流动特征的数值分析

运用完整空化模型和混合流体两相流模型,对比转数为130的离心泵流道内部的空化流动进行了定常及非定常的数值模拟.预测了叶轮流道内空化发生部位和发展程度,对蜗壳隔舌附近处流场的压力场进行了监测,得到了压力脉动的变化规律.结果表明:空化初生位于叶片背面进口边附近处,随着进口压力的降低,空泡分布区域及空泡体积分数不断扩大,当空化严重时,叶片工作面上会有空泡聚集;在叶轮的1个旋转周期中,单个叶片表面上的空化发展程度随叶轮与蜗壳相对位置的改变而发生规律性的变化;压力脉动频率存在明显离散特性,叶片通过频率下的脉动幅值较大;随着空化程度的发展,空化流动诱导泵流道内压力脉动幅值不断增加,并且两者存在相互对应关系.     

泵作透平尾水管压力脉动特性分析与试验

为研究泵作透平尾水管压力脉动特性及内部流动机理,采用试验与雷诺时均非定常数值计算相结合的方法,对尾水管内部压力脉动及其上游过流部件对其内部流动特征的影响进行分析,得到不同位置监测点处的压力脉动特征。研究结果表明:蜗壳内压力脉动主频为叶片通过频率,动静干涉作用是引起透平蜗壳内压力脉动的主要原因;由于上游蜗壳内产生的压力脉动传播到叶轮导致叶轮流道内除主频轴频外还存在1个次主频叶频;小流量时尾水管中心区域出现回流现象,但是随着流量的继续增加回流现象逐渐消失;透平尾水管内压力脉动主要为上游蜗壳内压力脉动传播所致,动静干涉作用是其产生的主要原因;随着流量的增加,透平内部压力脉动主频幅值增加,且大流量工况下达到最大值。     

叶顶间隙对贯流式水轮机空化流场的影响

为了研究空化流动下灯泡贯流式水轮机中叶顶间隙数值变化对其压力脉动特性的敏感性,揭示不同叶顶间隙值对灯泡贯流式水轮机非定常流动特性的影响.以某电站原型机为研究对象进行全流道数值计算和模型试验研究,用4种间隙δ变化方案对压力脉动特性进行比较.分析了叶顶间隙处的流场结构,并对数值计算结果和模型实验结果进行了对比.结果表明:文中所使用的方法可以基本反映出水轮机内部的流动情况;当空化系数开始降低时,水轮机的效率发生变化,水力性能降低,达到临界空化系数时,效率下降明显;受到空化加剧的影响,叶片背面处监测点的压力脉动幅值增加,靠近轮缘处幅值大于叶片中部和轮毂处,当局部压力降到空化压力以下时波动不再剧烈,"削波"现象产生;随着叶顶间隙值的增加,转轮间隙处空化程度加剧,空化形态由间隙空化演变为翼型空化,并出现泄漏涡空化;叶片反面轮缘处压力脉动主频与叶片转频相差不大,较大的叶顶间隙值可以有效降低轮缘处高频压力脉动,然而泄漏流动加剧会导致空化更为严重.因此,选取的叶顶间隙数值对于灯泡贯流式水轮机在稳定运行和降低振动噪声方面具有重要的意义.     

离心泵叶轮后盖板粗糙带抑制空化效果分析

利用修正过的剪切应力输运(SST) k-ω湍流模型及Kubota空化模型,对不同空化数下的离心泵内流场结构进行定常与非定常空化模拟,并选取最后一个旋转周期对叶轮内流场特性进行分析,考察离心泵叶轮后盖板布置粗糙带对其内部非定常空化流动特征、压力脉动特性及抑制空化效果的影响.结果表明:叶轮后盖板布置粗糙带对离心泵外特性几乎不产生太大扰动;粗糙带提高了叶轮内流场压强,其产生较大的近场压力迫使空泡外侧形态发生改变,从而对空化产生抑制作用;空化发展初期至严重阶段,粗糙带使得周期内叶轮中空泡体积明显减小;当空泡的径向外缘尺寸发展至粗糙带位置时,该结构使得由空泡所覆盖区域内的压力脉动主频幅值有较大程度降低,且能不同程度降低蜗壳内的主频幅值,对流场结构改善效果较好,但对未覆盖区域造成了小幅扰动.     

混流式水轮机部分负荷下的叶片动载荷模拟

通过求解三维不稳定Reynolds平均Navier-Stokes方程,并采用RNGk-ε模型实现方程的封闭,对3个不同转轮在部分负荷下进行了包括导叶、转轮、尾水管在内的三维不稳定流动计算。结果表明:由于水轮机转轮的旋转,在部分负荷工况下,由尾水管内涡带引起的转轮内的压力脉动主要频率fr是转频fn与涡带压力脉动频率fd之差;同时转轮内压力脉动还有导叶通过频率和转频及其倍频等成分;在66%左右开度下叶片上压力脉动幅值一般大于80%左右开度下的值;在同一工况下,叶片背面的压力脉动幅值一般大于叶片正面的值。     

尾水管压力脉动的模拟与现场实测

通过求解包括导叶、转轮、尾水管3大过流部件在内的水轮机流道内的三维不稳定Reynolds平均Navier-Stokes方程,获得了不同开度部分负荷下的尾水管压力脉动特征和涡带特征。计算采用了RNGk-ε模型。对所计算的水轮机,在尾水管进人门中心对压力脉动进行了现场实测。计算与实测的比较表明,在开度为65%~80%的范围内,计算所得涡带压力脉动低频频率与实测值吻合良好;在80%左右开度下,幅值预测也很准确,但65%左右开度下,幅值偏差略大;结合尾水管内涡带运动特征,对计算方法进行了评价:由于所采用的k-ε系列模型为统计模型,计算的压力脉动未能反映实测中出现的高频成分。     

水泵水轮机内部压力脉动特性研究

为了研究水泵水轮机内部不同部位处的压力脉动特性,采用计算流体动力学软件对设计工况点下水泵水轮机三维全流道内部流动进行了非定常数值计算,同时监测了蜗壳隔舌附近、顶盖处、转轮与活动导叶之间以及尾水管锥管处的压力脉动。通过分析计算所得的压力脉动结果表明:机组顶盖区域压力脉动相对较为明显,水轮机工况下的脉动频率以2倍叶倍频为主,水泵工况时脉动频率以1倍的叶倍频为主;对于转轮与导叶间的无叶区域,水泵工况和水轮机工况脉动频率均为1倍叶倍频,且该处的监测点的压力脉动频率主要由于转轮与活动导叶之间的动静干涉产生;在转轮内水轮机工况时的压力脉动频率呈现多样性,水泵工况时则都以转频的倍数为主;尾水管直锥段的主频率在最优工况下等于1倍叶倍频,振动幅值较小。     

涡带工况下轴流泵装置内部脉动特性数值分析

为研究涡带工况时立式轴流泵装置内部流场压力脉动情况,开展了立式轴流泵装置非定常数值模拟,通过设置监测点,获得了不同位置的压力脉动结果,并进行了频谱分析.通过物理模型试验及PIV流场测试技术验证了数值计算结果的有效性,重点分析了叶轮进口及箱涵式进水流道底部的压力脉动特性.研究结果表明,涡带工况时叶轮进口的脉动主频已不再受轴频控制.不同工况时叶轮进口的相同监测点的脉动主频存在差异性.大流量工况时叶轮进口的脉动相对幅值较大,且涡带诱发的脉动主频与轴频相同.各工况时箱涵式进水流道底部水力脉动均为低频涡带脉动.在大流量工况时,箱涵式进水流道底部的脉动压力主频与轴频相同,次主频与叶频相同,扭矩变化主频与叶轮的轴频相同.     

喷水推进器内非定常压力脉动特性

基于RANS方程和SST湍流模型,对喷水推进器内非定常流场进行数值模拟.经网格无关性分析后,计算得到的功率、推力与试验值对比最大误差小于4%.分析了设计转速工况和自航工况时叶轮进口、叶轮出口、导叶中部和导叶出口压力脉动的时域和频域特性.结果表明:喷水推进器内最大压力脉动发生在叶轮进口;受不均匀来流影响,叶轮进口从80°至140°半径方向的压力脉动较大;在叶轮进口与出口处,压力脉动主要受叶轮叶频控制,从轮毂到轮缘脉动幅值逐渐增大;设计转速条件下,喷水推进器运行于设计航速工况时叶轮进口压力脉动最小;自由航行时,压力脉动频率与喷水推进器转速呈线性关系,脉动幅值随航速增加而升高.     

利用亥姆霍兹共鸣器衰减压缩机阀腔内压力脉动的研究

针对压缩机管路气流脉动问题,提出了一种适用于活塞压缩机阀腔气流脉动衰减的亥姆霍兹共鸣器结构,并对其衰减特性进行了研究,同时建立了某活塞压缩机排气管路气流脉动的三维波动模型,模拟了气柱固有频率及压力脉动波形.实验结果表明:安装亥姆霍兹共鸣器后,压缩机阀腔内的压力脉动幅值降低40.4％,缓冲罐之后的远离压缩机侧的管路内压力脉动幅值变化很小;管路气缸喉管处的52.9 Hz特征频率消失,该处附近出现了2个新频率,分别为40.4 Hz和66.9Hz;当共鸣器共振频率偏离脉动主频且为46.3 Hz时,阀腔内压力脉动幅值将衰减24.4％.     

尾水管涡带引起的不稳定流动计算与分析

尾水管内涡带引起的不稳定流关系到水电站机组的安全。针对一个混流式水轮机的典型部分负荷工况,采用PISO(pressure-implicitwithsplittingofoperators)方法,计算了尾水管内部由于涡带引起的不稳定流场,预测了涡带脉动频率以及尾水管各断面上压力脉动。结果表明,涡带压力脉动频率约为转频的1/3,与实际观察到的脉动频率相符。在此基础上,分析了尾水管直锥段、弯肘段和扩散段内的压力脉动特征以及尾水管内压力脉动对转轮内压力的影响。     

异常低水头下水泵水轮机压力脉动特性分析

为了研究水泵水轮机在异常低水头下内部流动的压力脉动特性,以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机为研究对象,基于大涡模拟方法,对模型机组进行全流道非定常数值计算.结合试验数据,分析异常低水头下流道内不同位置处压力脉动特征和流态特征,讨论流量变化对机组压力脉动特性的影响.结果表明:异常低水头下,压力脉动主要由"导叶-转轮-尾水管"之间的两级动静干涉以及肘管段结构弯曲引起水流撞击等因素共同引起;流量变化对导叶后转轮前压力脉动的频率和幅值影响不大,仅在小流量区有所区别;尾水管内压力脉动的低频值和幅值受流量变化的影响较大,而高频值则在各种流量状况下均未出现.与正常运行工况相比,水泵水轮机在异常低水头工况下的压力脉动特性明显增强,对机组的稳定性和安全性造成了十分不利的影响.     

螺旋桨空化压力脉动及噪声数值计算

为了揭示声压与流动引起的压力脉动之间的区别与联系,以及声学积分面对噪声计算的影响,以斜流中的PPTC(potsdam propeller test case)桨为研究对象,基于均质混合流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型及FW-H方程,对螺旋桨空化噪声进行了计算及指向性分析;之后进行了压力脉动流动分量与声压分量之间的比较,以及声学积分面的影响研究。结果表明:声压和流场压力脉动是同频率的,均以叶频为特征频率;声压幅值小于流场压力脉动幅值;二者的相位大致相反,当脉动压力达到峰值的时候,声压却处于波谷;空化增加噪声,但不绝对增加流场压力脉动;声学积分面的选取对噪声计算结果影响较大。鉴于近场压力脉动测量值部分与流动计算值符合,部分与声学计算值符合,近场测试有必要对流动量和声学量进行区分,声学积分面的选择还有待进一步确定规程。     

尾水管水力振动的监测与故障判断

从模型及真机试验结果出发，叙述混流式水轮机一般的水力故障形式，研究了尾水管的水力振动特点及振动随运行工况而变化的情况，介绍了以压力脉动频率及幅值作为特征参量对尾水管进行振动监测及故障判断的方法。     

一种降低单级液力透平蜗壳内压力脉动的方法

为了降低液力透平蜗壳内的压力脉动幅值,选择一单级离心泵为研究对象,当离心泵反转作液力透平时,在液力透平叶轮进口前添加一组固定导叶,利用Pro/E软件建立添加导叶前后的几何模型,然后利用软件ANSYSCFD计算两模型蜗壳内周向、径向以及不同流量下的压力和压力脉动变化情况,并通过快速傅里叶变换将压力脉动的计算结果进行处理,分析蜗壳内的时域和频域分布.研究发现:叶轮进口前添加导叶可有效降低蜗壳内周向和径向最大压力脉动幅值,且使大流量下蜗壳内的压力脉动幅值增加程度降低.