资水支流夫夷水的水能资源利用分析

基于"健康和谐"水能资源开发利用理念,综合考虑水能资源的河流开发服务功能、健康河流生态补偿功能,以及和谐社会经济功能3种属性,提出了一套包含24项评价指标的水能资源开发利用评价指标体系。依据该评价指标体系,设计了水能资源开发与水电站管理的分析流程。运用该流程可以确定一个流域或地区的水能资源利用评价等级。将该评价指标体系应用于资水支流夫夷水流域水能资源利用规划的综合评价,得出了各水电站水能资源开发与运行的排序方案。该结果可以为夫夷水流域未来的水能资源利用提供有益的技术参考。     

叶片倾斜对微型泵水力性能的影响

微型泵由于尺寸小,通常存在效率偏低的问题。该文针对常用于微型泵的半开式叶轮,探讨叶片倾斜对微型泵性能的影响。在实验中使用了两个外径36mm、具有相同叶片翼型的半开式离心叶轮,在转速11000r.min-1(对应Re=3.72×105)下测试了叶轮的水力性能。对两个叶轮都进行了数值模拟。与实验结果相比,数值计算结果很好地预测了最优效率点附近的泵性能。结果表明:微型叶轮的叶片朝压力面方向倾斜适当的角度可以提高微型泵的水力性能;叶片倾斜抑制了压力面附近的二次流动,有助于改善微型泵的水力性能。     

超小型泵中前盖板对传统叶轮水力性能的影响

为提高超小型泵性能和实用性,研究了其中前盖板对叶轮水力性能的影响。基于传统方法设计了两种超小型泵叶轮,其中一个为闭式,另一个为半开式。在转速3 000~10 000 r.m i-n 1的范围内进行实验,测定了超小型泵的水力性能。对半开式叶轮,在0.2~0.8 mm间调整叶尖和前泵盖之间的轴向间隙,以考察其对泵水力性能的影响。试验结果表明:两种超小型泵的效率(闭式叶轮:51%,半开式叶轮:47%)均高于以往统计的泵效率值;由于机械密封等外部损失所占比重大,泵效率随雷诺数减小而降低,而内部效率则接近一个定值;随轴向间隙扩大,超小型泵的扬程系数、功率系数和效率都逐渐降低。     

清华大学能源与动力工程系人工心脏研究进展

离心式血泵作为最新一代人工心脏,为心血管疾病患者提供了有效的生命支持系统,挽救了数以百万计的心脏病患者的生命。该文对清华大学能源与动力工程系(简称能动系)团队在人工心脏领域的研发进展进行了详细介绍,包括：提出了以最大标量剪切应力(maximum scalar shear stress, MSSS)代替标准溶血指数作为优化指标的优化方法,减少了计算量,提升了优化效率;提出了基于湍流黏性耗散应力(turbulent viscous shear stress, TVSS)的血细胞损伤模型,以便更为准确地预测血细胞的损伤等。在人工心脏样机方面,顺利完成了体外式轴承和植入式磁液混合悬浮两种样机的研制,并获得了相应水力性能数据,实验数据与计算结果吻合较好,误差为3.6%。为了进一步推进样机研发,本研究团队搭建了医用流体机械综合测试平台,可用于测试人工心脏的生理性能。上述研究成果体现了清华大学能动系在人工心脏自主研发技术上取得的重要进展。     

考虑热力学效应的高温水空化模拟

在汽液质量传输方程的基础上,考虑局部汽/液相含量、局部压力与饱和蒸汽压之差及空化的热力学效应,提出了一种可应用于高温水空化流计算的空化模型。为了评价该模型的适用性,以NACA66(MOD)翼型为对象,采用局部均匀平衡流方法分别计算了水温为293 K和373 K时的物面负压系数,并与实验和Singhal的全空化模型的计算结果进行了比较。研究表明:在水温为293 K时,改进的空化模型与全空化模型的计算结果均与试验吻合较好;在水温为373 K时,虽然两种空化模型的结果均显示空化的发展受到了抑制,但该文提出的空化模型能明显地反映出翼型表面空泡区的温度变化(即热力学效应)。该文提出的空化模型更适合模拟高温水的空化流。     

肺动脉局部狭窄对血液流动的影响

采用临床检查的CT影像资料建立肺动脉物理模型,应用计算流体力学的方法,对5种不同程度肺动脉狭窄情况下的血液流动进行数值模拟。结果表明:随着肺动脉的狭窄程度加剧,狭窄部位的截面面积减小,其中心流速越来越大;近壁面低速流线越来越少,说明边界层变薄;窄后部位出现回流现象,且越来越剧烈;窄前压力逐渐升高,窄后压力逐渐降低,狭窄前后的压差单调增加;壁面剪切力较大的区域增大,狭窄处的剪切力单调增大。因此,肺动脉狭窄对血液流动状态及相关血液动力学参数产生了重要的影响。     

一种双吸式血液泵水力设计

为了更好地满足体外循环装置和人工心脏的运行要求,该文采用RANS方法和SSTk-ω湍流模型对一种双吸式血液泵进行了三维定常湍流计算;在详细分析血液泵内部流动特征的基础上,对泵的水力部件如叶轮及压水室进行了设计优化,并探讨了各种设计对血液泵主要运行参数的影响。结果表明:压水室隔舌附近的流道容易出现较大的局部壁面剪切应力,是泵内血细胞容易受到损伤的危险区域;适当增大压水室断面面积有利于提高泵的水力效率;选择较大的叶片出口安放角时血液泵可获得较高的扬程,但采用径向叶片叶轮(出口叶片安放角为90°)时须设法控制流动扩散及其对泵性能的影响;所设计叶轮的平均壁面剪切应力为20～26 Pa,小于损伤血细胞的临界值。     

偏置式垂直转子微小型泵内的黏性流动

为研究垂直转子微小型泵的内部黏性流动,根据偏置于两平板间的转子两端剪切力不平衡的原理,设计了一种偏置式垂直转子微小型泵,并利用粒子成像测速(PIV)技术对泵体内部的黏性流动进行了可视化量测。根据N-S方程对微小型泵的内部粘性流动进行了数值模拟计算。用这2种方法均得到了泵体内部的流线分布、泵体出口端面的平均速度和体积流量与Reynolds数的关系曲线。比较和分析结果表明:当Reynolds数小于100时,泵体出口端面的平均速度、体积流量与Reynolds数基本成正比关系;随着Reynolds数的减小,流体的黏性作用相对增大,垂直转子微小型泵可对流体进行更加有效的输送。     

固液冲蚀材料表面冲击波纹的形成机理

为了寻求耐磨性能好的工程材料,应用自行设计的罐式固液冲蚀磨损装置研究了金属材料(结构钢40#)和工程陶瓷(S i3N4)的磨损及冲击波纹的发展过程。研究表明磨粒粒径大小和磨损时间对冲蚀波纹的形成有很大的影响;实验室中获得的40#钢的表面冲击波纹与工程磨损条件下的离心泵高铬灰口铸铁表面的冲击波纹的形态基本一致。即使在90°冲击角条件下塑性材料40#钢和脆性陶瓷的表面都可以观察到发展完全的冲击波纹形态。脆性陶瓷材料表面冲蚀波纹的波长和周期特征参量除了受到流体流动状况的控制外,材料自身机械性能和微观结构(晶粒形态和大小)的影响也很大。相同的冲蚀磨损条件下,脆性材料表面冲击波纹的波长和周期比塑性金属材料的都要小。     

微型泵半开式离心叶轮的空化性能

为了解空化性能对微型泵运行可靠性的影响,对两个半开式离心叶轮进行了空化实验。两试验叶轮在断面上具有相同的叶片型线,其中一个为二维叶片,另一个为倾斜叶片。为了与实验对比,在每个叶轮最佳效率点附近,基于标准k-ε模型和VOF空化模型进行微型泵内三维紊流计算。研究揭示了所试验的微型泵具有与常规尺寸离心泵相当的空化性能;随着叶尖轴向间隙增大,微型泵的空化性能下降;对半开式叶轮,采用倾斜叶片,既可提高微型泵的水力性能,还能提高其空化性能。研究显示叶轮进口流动均匀是空化性能得到改善的重要原因。