高比转速混流式水轮机引水部件水流特性研究

对ｎｓ＝２６０ｍ·ｋＷ的混流式水轮机引水部件流场测试结果作了介绍。通过在蜗壳进口、出口、导叶出口３个断面布置五孔探针进行测量，揭示水轮机引水部件内部的流动特性。结果表明：各断面流动均具有较好的轴对称性；蜗壳进口断面基本上为轴向均匀流动；蜗壳出口断面上的环量基本上为常数；导叶出口断面的环量沿导叶高度分布不均匀，由上冠至下环逐渐增大。进行了初步分析，对改进水轮机设计提出了建议。     

含沙水水轮机导水部件模型实验装置

叙述了新研制的含沙水水轮机导水部件模型实验装置的设计、功能及测试方法。该装置简单、功能多,可用于水轮机引水、导水部件的流场研究与方案对比,也可用于含沙水流在管路及阀门中的流动及水泵工作特性研究;提出的含沙水时流场测压的内外平衡法,解决了测压孔易堵塞的难题。     

不同固相体积分数下水轮机内部两相流动的数值模拟

基于N-S方程,运用k-ε-Ap模型,采用笛卡尔坐标系、混合四面体非结构网格和SIMPLE算法,将混流式水轮机蜗壳、固定导叶和活动导叶作为耦合整体,对引水、导水部件在不同固相体积分数的含沙水两相流介质流动时的内部流场进行数值模拟计算.探讨不同固相体积分数下引水、导水部件内部流场两相流动机理,分析和预测不同体积分数的泥沙两相流动时蜗壳、固定导叶、活动导叶等部件的泥沙磨损状况.研究结果表明,不同固相体积分数时水轮机引水、导水部件内部流动特性具有明显差异,各部位磨蚀状况也各不相同,这与电站的实际磨损情况基本吻合.     

水轮机固定导叶与活动导叶的相互影响

本文通过对在专门研制的环盘式双列叶栅实验装置上所进行的固定导叶与活动导叶实验的分析,认为水轮机的固定导叶与活动导叶圆周方向的相互位置对导叶区域水流的特性和水力损失影响较大,指出了对称型和正曲率型活动导叶与固定导叶的最佳相对安放位置和流场的不同特性;建立了水轮机设计时确定固定导叶与活动导叶相对安放位置的经验公式;并分析了高水头低比转速水轮机导叶汽蚀破坏的主要水力原因。     

水轮机双列环列叶栅流场的边界元分析法

本文以水轮机导水部件流场为研究对象,提出了水轮机双列环列叶栅流场的边界元分析法。经过在计算机上编制程序计算后验证,采用该方法的计算结果与实验结果比较吻合,并且速度快,精度高。利用该方法可以对水轮机双列环列叶栅流场进行预测与筛选,流场计算结果可作为分析水流流态和评价通流部件设计方案的一个依据。     

混流式水轮机引水、导水部件内部固液两相流动的数值分析

基于N-S方程,运用k-ε-Ap模型,采用直角坐标系、混合四面体非结构网格和SIMPLE算法,将混流式水轮机蜗壳、固定导叶和活动导叶作为耦合整体,对引水、导水部件在含沙水两相流介质流动时的内部流场进行数值模拟计算.分析水轮机引水、导水部件内部流场两相流动的机理,对泥沙两相流动时蜗壳、固定导叶和活动导叶等部件的泥沙磨损进行分析和预测.研究结果表明,蜗壳包角从0°～320°的外侧壁、特殊固定导叶的头部及工作面靠近头部位置、活动导叶头部及工作面靠近头尾部的区域,属于磨损严重区域,与水电站的实际磨损情况基本吻合.     

基于VOF模型的抽水蓄能电站全过流系统水轮机工况数值模拟

为了更加全面地分析抽水蓄能电站水轮机工况的流动特性,建立包括引水隧洞、调压井、高压管道、水泵水轮机以及尾水隧洞的全过流系统几何模型,采用两相流VOF模型对不同导叶开度的水轮机工况进行三维湍流数值模拟,计算各过流部件的水力损失,并详细分析了机组段流场。结果表明:抽水蓄能电站的水力损失主要发生在机组段,而输水系统的水力损失相对较小,约占总水力损失的18.6％;导叶开度不同从而引起叶片压力面与吸力面的压力差不同,这是导致转轮水力损失不同的主要原因;尾水管内的流态与导叶开度有关,开度越小,在尾水管进口处越容易形成回流,水力损失越大。      

水泵水轮机导叶开启瞬态过程数值分析

基于滑移网格和动态网格相结合的思想,实现水泵水轮机二维模型在转轮区转速增大和活动导叶开启共同作用下引起的瞬变流场的数值模拟,得到速度、压强随时间的瞬态变化规律,探讨水泵水轮机导叶开启过程的流场特性;对预开一对导叶下的启动过程进行模拟,分析导叶区域的内部流场瞬态演化过程.结果表明:导叶开启过程中叶片对导叶区域的干涉作用由强变弱,速度分布的均匀性和周向对称性逐渐提高;设置预开一对导叶后,破坏了初始阶段流动的对称性,导致流动的不稳定性增强,活动导叶与转轮之间的压强波动幅度增大,对机组运行的稳定性有一定影响.     

混流式水轮机导水机构二重叶栅的流动

阐述了用计算流体动力学CFD（Computational Fluid Dynamics）技术研究水轮机导水机构二重叶栅内部流场性能变化的方法,研究了不同工况流场的速度、压力及二重叶栅能量损失的变化规律,数值解析结果与实验结果吻合。研究表明,导水机构内部流场的变化直接影响到转轮进口流动条件和水轮机运行的稳定性,数值解析结果对优化设计及安全运行具有指导作用。     

基于VTK的医学图像三维重建系统的设计与实现

VTK(The Visualization Toolkits)是一个基于面向对象方法设计的、功能强大的可视化和图形图像处理的工具箱。文中针对医学图形图像处理的需要和特点，利用VTK的图像处理和可视化及图形显示功能，用面向对象的方法设计和实现了一个医学图形图像处理系统Med3REC，为虚拟现实和医学图像归档及传输系统的开发奠定了基础。     

脉冲进气条件下弹性约束导叶可变几何涡轮性能研究

文中基于可调涡轮弹性约束导叶的概念,采用流固耦合方法研究了在脉冲进气条件下,弹性约束导叶涡轮的非稳态特性以及脉冲幅值和频率对其性能的影响,通过与传统可调涡轮对比,分析了弹性约束导叶可调涡轮性能发生变化的原因.结果表明,脉冲进气幅值越小,频率越低,弹性约束导叶可调涡轮相对传统可调涡轮流量提升率越大,输出功率提升率越大,效率下降率越低.通过对转静子进口气流角以及导叶出口压力损失分布的分析,论证了弹性约束导叶涡轮性能对脉冲幅值和频率发生变化的原因.      

泵水力设计方法的研究现状

泵是流体输送系统的核心动力源,开展泵优化设计、实现节能降耗一直是流体机械领域的研究热点。文章回顾了基于一元、二元、三元流动理论进行水力设计的各种方法,总结了各个水力设计方法的优缺点;概括了近年来在叶轮、导叶、蜗壳水力设计方面的研究热点和主流方法,为今后泵设计方法的发展奠定了基础。以数值模拟结合三元流动理论和优化算法的设计方法已成为当前开展泵水力设计的主流手段,可以预期,随着计算机计算能力的进一步提高和优化算法的快速发展,泵的水力设计水平将会有大幅度提升并会促进泵行业的整体技术进步。     

贯流式水轮机取消活动导叶的试验研究

低水头水电站机组的造价占电站总投资的比重很大,尤其是贯流式机组,如何简化机组的结构对节约投资是很明显的.我们设想将贯流式水轮机的活动导叶改为固定导叶,依靠转轮叶片调节流量进行了水力性能的试验研究,获得了较好的效果,並对不同类型导叶出口边流场分布进行了测试工作、为今后的导叶设计提供了参考依据.     

水轮机径向式导水机构运动图的数值分析及图形显示

本文用数值分析方法研究了非标准系列径向式导水机构的运动关系,论述了如何由计算机绘制相应的图形.为此,建立了导叶翼型及传动机构的数学模型,选定了合理的数值计算方法,进行了程序设计和调试,从而开发出径向式导水机构运动图的CAD软件.     

基于正交设计法的潜水泵空间导叶水力优化

运用正交设计法,对井用潜水泵空间导叶进行优化设计,选取潜水泵空间导叶的进口宽度、导叶叶片轴向长度及导叶叶片出口边与导叶场域出口轴向距离,以扬程、效率及轴功率作为评价指标,基于正交设计法设计了9组方案.通过数值计算及极差分析结果表明:导叶叶片轴向长度对潜水泵扬程和轴功率影响显著,导叶进口宽度对潜水泵效率变化较为敏感,保证一定的导叶叶片与导叶场域出口距离能改善潜水泵性能.基于多目标优化设计,可以确定本次研究的最佳方案组合为空间导叶进口宽度25 mm、导叶叶片轴向长度101 mm及导叶叶片出口边与导叶场域出口轴向距离20 mm.通过分析前三级叶轮效率、导叶出口静压及流线分布图看出,优异的空间导叶设计使导叶内部流体状态较好,保证叶轮效率维持较高水平,同时泵内流体保持较好的流动稳定性.     

水电机组效率的神经网络算法

水电站优化运行要求具有连续水位和导叶开度下的效率特性曲线。对此提出用BP神经网络方法计算机组效率，并建立了BP神经网络模型，以现场效率试验数据作为样本进行训练，并用训练好的网络计算该机组的效率。网络的训练速度及计算结果表明，该算法收敛速度较快，精度高，为计算水电站任意水头及导叶开度下的机组效率提供了新思路和新方法，可用于指导水电机组的优化运行。     

含沙水流中水轮机导叶的设计研究

依奇点分布法和前人分析实验得到的含沙水流中固体颗粒的受力分析结果,利用相对阻塞和相对抽吸的观点对含沙水流中水轮机导叶进行设计。经模型试验表明,与传统方法设计的导叶相比,用本文提出的方法设计的导叶在含沙水流中运行时,水力效率高,耐磨蚀。     

高水头水电站技术供水系统用水轮机代替减压阀的试验研究

利用水力模拟试验，研究了西南某高水头水电站机组技术供水系统用水轮机代替减压阀的问题。用水轮机代替减压阀，在水轮机转轮后面串联长的供水管路系统和用水设备，是一种新的装置、试验表明，这种装置仍然能像通常水轮机那样在任何导叶开度下稳定运行，水轮机在飞逸情况下不会出现供水管路中水压过高现象。用水轮机代替减压阀的方案是可行的。     

导叶可调式液力变矩器流场模拟与PTV验证

为研究导叶可调式液力变矩器的内部流动特性,以循环圆直径为320 mm导叶可调式液力变矩器作为研究对象.采用计算流体动力学(CFD)方法对其不同开度、不同工况下的内部流动状态进行数值模拟,并对相应的透明模型进行粒子跟踪测速(PTV)试验验证.同一开度下,随着转速比的增加,可调导轮内部液流速度增加,液流方向与叶片进口方向的夹角增大;在制动工况时,叶片工作面有漩涡现象,而空载工况时,叶片非工作面有漩涡产生.对比试验与数值模拟内流场结果,发现后者可以比较准确地预测导叶可调式液力变矩器的内部流动特性.该结论为研究导叶可调式液力变矩器内部流动状态,预测外特性及其设计优化提供了方法和依据.     

Dynamic Stresses in a Francis Turbine Runner Based on Fluid-Structure Interaction Analysis

Fatigue and cracks have occurred in many large hydraulic turbines after they were put into production. The cracks are thought to be due to dynamic stresses in the runner caused by hydraulic forces. Computational fluid dynamics （CFD） simulations that included the spiral case, stay vane, guide vane, runner vane, and draft tube were run at various operating points to analyze the pressure distribution on the runner surface and the stress characteristics in the runner due to the fluid-structure interactions （FSI）. The dynamic stresses in the Francis turbine runner at the most dangerous operating point were then analyzed. The results show that the dynamic stresses caused by the hydraulic forces during off-design operating points are one of the main reasons for the fatigue and cracks in the runner blade. The results can be used to optimize the runner and to analyze other critical components in the hydraulic turbine.