卡门涡诱发的水电机组振动特性研究

针对近年来我国大中型水电站接连发生卡门涡诱发的机组振动问题,介绍了影响叶片卡门涡频率和脉动幅值的主要因素,并根据作者多年来的工程经验,总结归纳了卡门涡诱发的机组振动的基本特征,提出了避免或消除叶片卡门涡共振的工程措施.     

浅谈机遇与科学发现--由有心栽花花不发,无心插柳柳成荫想开去

大量科技史料表明,在影响科学发现的众多因素中,机遇一直都扮演着一个不可忽视的角色。通过回顾罗素发现孤立波、冯.卡门解决卡门涡列问题以及伦琴捕捉到X射线等科学史上的生动事例,试图探讨科学工作者在作出重大的科学发现时机遇对他们的重要性及其影响,并揭示了机遇这看似偶然的因素中所蕴涵的必然性。     

圆柱绕流远场涡对的数值模拟

基于离散涡方法求得非定常、不稳定流场,数值模拟了三种不同时刻高雷诺数下圆柱绕流结构的发展,从流谱图、等涡量线图和涡谱图可以清晰地看出从近场的初生卡门涡街,过渡到远场的二次涡街的过程,计算结果发现：远场离散涡有形成二个涡的涡对及三个涡的涡对的趋势,计算结果说明了流体运动中涡对结构的本质：由于来流是均匀的,没有加入任何拔动,当流体流过钝体时产生具有剧烈分离的不稳定流动,因此在远场形成的二次涡对及卡门涡     

均匀来流下方柱表面风压非高斯特性的流场机理

极值风压和风压非高斯特性是建筑主体和围护结构抗风设计的重要问题,但其流场机制尚未被澄清。采用大涡模拟方法,在雷诺数Re为22 000的条件下,研究了方柱表面风压非高斯特性随风向角的变化规律,分析了风压非高斯区域与平均流场的关系,基于瞬时流场结构探讨了方柱表面出现极值风压的流场机理。研究表明,方柱表面风压非高斯区域主要分布在方柱后角部位和背风面,而方柱侧面的剪切层再附区域(即分离泡区域)则并未出现明显的风压非高斯现象;方柱后角部位极值风压是由间歇性出现的角部附着涡导致,角部附着涡的形成与方柱尾流中的卡门涡有紧密联系;而方柱背风面极值风压则是由方柱尾流卡门涡的回旋作用引起,极值风压的发生位置会随尾流卡门涡的移动而改变。     

覆冰导线绕流特性分析

为研究覆冰导线在微风下的振动特性,对新月形覆冰导线在不同雷诺数下的绕流问题进行仿真,计算得到的阻力系数与已有实验结果一致.分析了雷诺数对绕流参数的影响,得到了各参数的变化规律.结果表明:与导线未覆冰时相比,覆冰导线出现卡门涡的雷诺数要滞后,卡门涡对应的雷诺数范围明显缩小,斯特劳哈尔数和阻力系数均减小;卡门涡振动的频率降低,但振幅增高.研究结果可以为输电线振动的防治提供理论参考和实验指导,同时将可视化的仿真结果应用到理论教学中,可以弥补实验条件不足及真实实验难以实施的困难,节省教学资源,加强教学与工程应用之间的有机结合.     

激波-多涡列-声场相互作用及其POD分析

采用5阶WENO格式,通过数值求解二维非定常欧拉方程,模拟了激波与四涡组成的涡列的相互作用过程.通过研究马赫数为1.05的激波与强度为0.25的多涡列相互作用,进一步揭示了激波-涡列相互作用的动力学特性以及声波的产生过程.     

圆柱-翼型干涉噪声特性研究

圆柱-翼型干涉噪声主要是用来模拟类似涡扇静子,或者风机静子的脱落涡打到转子上所产生噪声的现象。圆柱的脱落涡随气流流动,对下游的翼型冲击,产生非定常表面载荷,带来强烈的噪声。在全消声室风洞,对三种不同尺寸圆柱的圆柱-翼型干涉噪声的特性进行了试验与仿真研究。圆柱的尺寸直径分别为10 mm、15 mm和20 mm,翼型为NACA 0012翼型;流场计算采用大涡模拟(LES),声场计算基于FW-H积分方程。对比实验与仿真可知,圆柱脱落涡是典型的周期性卡门涡街,翼面相互作用是产生噪声的主要原因;试验得到三种不同直径的圆柱-翼型干涉纯音噪声的斯特劳哈尔数为0.19左右,与卡门涡阶脱落涡的频率一致;噪声远场为偶极子指向性;随着圆柱尺寸的增大,噪声的总声压级增大;低频噪声源主要位于翼型前缘,高频噪声主要由圆柱脱落涡引起。     

混流式水轮机进水管蝶阀活门裂纹分析

为探讨某电站水轮机进水管蝶阀活门筋板开裂的原因,利用ANSYS有限元软件,分别对蝶阀活门的强度及振动特性进行计算和分析。强度分析结果显示40 mm筋板位置的应力水平很低,筋板的开裂并非是应力过高造成的;蝶阀活门、筋板及盖板的模态分析表明,蝶阀活门的40 mm筋板及90 mm盖板出现了卡门涡。结合有限元分析结果,对电站蝶阀活门进行现场结构模态测试,测试结果与计算结果吻合。分析结果表明,该电站蝶阀活门出现的裂纹是由卡门涡引起的。     

非正弦摆动对水翼水动力性能的影响

针对高斯特哈尔数(St)时水翼常规正弦摆动的性能不佳状况,基于CFD软件的RANS求解器和动态流体固体相互作用模块,数值研究了水翼多种非正弦的改进摆动对水翼性能的改善作用,及常规摆动性能降低的趋势和原因.计算结果表明:水翼常规摆动时,随St增大,尾涡由反卡门涡街逐渐变为单排涡列,引起了水动力迅速下降;随着最大攻角增大,性能降低的St临界点上升.在常规摆动性能大幅降低的St范围内,改进摆动可以有效提升水翼的推力和效率;改进摆动对有效攻角的调整变化越扁平,最大攻角小于20°时推力增幅越大,大于20°时越小.     

混流式转轮叶片裂纹原因分析及处理技术探讨

通过对国内几大典型电站混流式转轮叶片出现裂纹原因及处理结果的分析,认为混流式转轮叶片的结构、刚度、强度、材质特性、装焊质量和运行工况的科学设定是避免叶片裂纹产生的基本或明显因素;而叶片出口卡门涡频率与叶片固有频率关系的正确设定是消除裂纹产生与发展的潜在或促进因素.因而应用CFD软件对叶片进行水力设计与分析的同时,对卡门涡频率和叶片固有频率进行专项分析、计算,在确认两者无约数关系的条件下,给出较佳的设计方案.     

数值模拟圆柱统流旋涡生成、分离及演化

本文应用有限差分方法求解涡量－流函数形式的Ｎ－Ｓ方程，数值模拟了圆柱瞬时起动后流动分离，旋涡生成、脱落以及随时间推进涡街产生和长期非定常演化过程，包括对称涡的生成，二次涡形成的α结构及卡门涡街等．本文方法效率较高，数值模拟结果与实验结果吻合较好，可推广到模拟其他复杂钝体在中等或高雷诺数下的非定常绕流问题．     

仿生机器鱼自主游动的数值计算方法与机理

基于计算流体力学(CFD)方法建立了鱼体-流体耦合的三自由度(3-DoF)自主游动计算模型,对仿生金枪鱼模型从静止开始到稳定巡游的过程进行了模拟.计算结果表明:在巡游阶段前进速度的周期平均值非零,而侧向速度和艏摇角速度的周期平均值为零.鱼体前部始终产生阻力,鱼体后部在巡游阶段能够产生少量的推力,而尾鳍始终产生较大的推力.鱼体表面压力分布表明在尾鳍前缘的左右两侧,周期性地交替出现高压和低压区是尾鳍产生较大推力的原因.在加速阶段尾鳍的脱落涡强度大,一个周期脱落的两个涡相互挤压在一起;在巡游阶段鱼体产生的涡和尾鳍产生的涡融合在一起脱落到尾流中,形成反卡门涡街,使得尾鳍有效地吸收鱼体产生的涡中的能量,减少功率消耗.     

平面自由湍射流拟序结构的大涡模拟研究

对空间发展的平面不可压缩湍射流拟序结构的非定常演化过程进行了大涡模拟。采用标志物浓度等值线分布示踪平面射流气相流动 ,Reynolds数为 1130 0 ,模拟结果再现了平面射流中 Kelvin- Helm holtz不稳定性的发生以及展向大尺度涡的卷起、合并、破碎过程。捕获到了射流拟序结构剧烈相互作用的“偶极子”和“三极子”现象。在拟序结构的配对过程中 ,大尺度旋涡的尾迹混合形成了流向“发卡”型拟序涡结构。平面射流拟序结构的时空演化过程所呈现出的卡门涡街特征主要集中于初始段的后部和过渡段的前端。数值流场显示结果和染线法的实验结果吻合得很好     

倾斜柔性抑制圆柱的涡激振动特性

海洋工程中圆柱结构轴向与来流常存在一定倾斜角度,倾斜状态下柔性圆柱涡激振动特性十分复杂,至今仍缺乏倾斜圆柱涡激振动抑制的相关研究.在室内拖曳水池中开展了长度5.6m、倾角30°、长径比350的倾斜柔性圆柱涡激振动抑制实验,采用应变片测量结构顺向流与横向流的应变信息,运用模态分析对应变数据进行分析处理.通过附带螺旋列板装置的抑制圆柱与光滑圆柱实验结果对比,发现螺旋列板对倾斜圆柱涡激振动有一定抑制作用,然而对响应幅值、控制模态等抑制效果并不理想.     

硬母线微风振动的研究

室外硬母线(管型母线)在稳定风流形成的卡曼涡列作用下的振动是流体引起的结构振动问题的一个方面。为了研究这种振动形成的规律和消减振动,进行了涡列及其对硬母线的干扰的试验,硬母线固有频率的计算和试验,户外现场实物模型振动规律的实测。初步摸索了一、二种有利于消振的母线截面形状,研究了消振器的最佳参数和合理结构。本文介绍了本项工作的初步成果。     

仿鱼类游动模式下的摆动翼水动力性能研究

以二维NACA0012水翼为计算模型,基于计算流体力学(CFD)方法,采用RNGk-ε湍流模型,利用动网格技术,数值计算了不同斯特哈尔数(St)下正弦摆动模式(SM)水翼的平均推力系数,通过与实验对比,验证了计算方法的有效性.基于鱼类身躯的柔性波动,建立了仿鱼类摆动模式(FM)水翼的动力学模型,探讨了不同侧向平移幅值下,两种模式水翼的推进性能.计算结果表明:FM水翼的平均推力始终大于SM水翼,侧向平移幅值为0.8c (c为水翼弦长)处,有最大增量7.2%.尾涡分析表明:侧向平移幅值较小时,两种模式水翼脱落涡呈反卡门涡街形式,FM水翼脱落涡强度高、耗散快;随着侧向平移幅值增大,涡系诱导作用增强,侧向射流增强.     

水轮发电机组异常声响成因探讨

简述了福建沙县城关电站灯泡贯流式水轮发电机组运行中出现的周期性异常声响情况;分析了声响形成和消失的机理.提出了主导成因:水轮机导叶小开度时,产生涡列,涡列与弹性浆叶相互激励,导致振幅突变;发电机转子与定子间隙不均匀,引起周期性磁拉力分量,通过主轴、转轮传至浆叶,改变激振频率.根据分析,采取了改进措施:在浆叶前部的水流中采取适量补气措施,经试验,取得了较好效果,基本解决异常声响问题.     

卡门—法国文学史上的一个独特女性

卡门,是法国作家梅里美小说《卡门》中的女主人公,自小说于1845年问世之后,卡门以其特有的艺术魅力迅即进入了世界文学女性形象之画廊,成为一个超越时代历史和民族国境的艺术形象。     

基于本征正交分解和动态模态分解的尾涡激振现象瞬态过程的模态分析

尾涡激振是气动弹性领域的一种常见现象,在上游尾迹的气动激励下会导致流场中结构的强迫振动,该现象会危及被激励结构的完整性和疲劳寿命.本文使用圆柱/叶片的近似模型研究尾涡激振问题.该模型中的圆柱位于上游均匀来流,能够产生特定频率的卡门涡街;叶片位于流场下游,受到圆柱尾迹所施加的持续脉动激励,产生强迫振动.针对尾涡激励的近似模型,通过基于Fluent的二维数值计算,模拟了上游圆柱的脱落涡以及叶片从固定到以本身自然频率振动的瞬态过程,从而提供了流场变化过程的详细信息.基于非定常瞬态结果,采用本征正交分解(POD)和动态模态分解(DMD)分析方法,通过分解与重构叶片附近流场的压力场,提取模态频率及其变化过程,得到了尾涡激振现象的主要流动特征.通过对比两种模态分析结果发现,POD重构在残差处理方面有较大的优势,而DMD在单一频率模态的提取以及变化情况的分析方面更有优势.     

类车体尾迹流动非定常特性

通过与已发表的数据相比对,对大涡模拟方法的有效性进行验证.采用该数值方法对高雷诺数下25°后倾角Ahmed类车体背部斜面及尾部垂直面处尾迹区的流动进行解算.通过对背部斜面处分离泡、背部斜面侧边"C柱"处卷起的拖曳涡对及尾部垂直面处回流区流场信息的采用及相关频谱特性分析,研究并明确了尾迹区起主导作用的大尺度相干结构及运动的非定常特性.在流动的不同区域,类车体尾迹区流动的非定常特性不尽相同,主要体现为背部斜面分离泡的拍击振动具有绝对不稳定性特征,由KelvinHelmholtz(KH)不稳定性诱发的大尺度相干结构具有对流不稳定性特征;两侧"C柱"拖曳涡对在背部斜面上与展向涡相互耦合,具有较好的对称性;拖曳涡对在垂直面处回流区内与该区展向涡相互混掺,但无耦合作用且不具有对称性;垂直面处回流区内上、下侧剪切层卷起的展向涡以类似卡门涡街形式交替产生并脱落;高雷诺数时,整个尾迹区流动的特征频率趋于一致.