数值模拟及可视化技术在旋转水力机械设计中的应用

以苏州市仙人大港泵站工程为例,对泵站的叶轮、导叶及平面轴伸式流道进行三维立体图形显示,对排涝、引水等不同运行工况下泵站装置全流道三维流场进行数值模拟,并给出了流道中各点流速及压力等物理参量的空间分布.模拟结果以平面、立体相结合的方式展示,直观、逼真.该技术可用于流道型线的优化、结构形式及尺寸的多方案快速比选,并可预测水力机械性能,为旋转水力机械的设计和建设提供决策支持.     

基于重整化群湍流模型的双向轴流泵出水结构研究

双向轴流泵装置是一种特殊的泵站形式．结合某泵站技术改造，运用三维湍流数值模拟技术对其出水结构进行研究．基于定常不可压流体的控制方程和重整化群湍流模型，应用SIMPLEC算法，数值模拟了X型双向流道泵装置三种出水结构方案内三维湍流流场．通过给出计算流速矢量分布图、流速等值线图，直观地显示了出水结构内水流流场情况．分析表明，设计控制参数不合理是导致出水结构内部流态较差的主要原因，不良流态引起水力损失增加．文中依据数值模拟结果，预测出水结构水力损失，并与实验进行了比较，表明通过采用重整化群湍流模型能较好地预测双向泵出水结构的水力性能．重整化群湍流模型在泵装置内特性数值模拟和外特性预测研究方面中有较好的推广价值．     

大扩散角泵站前池整流措施的数值模拟

为改善正向泵站前池扩散角过大造成的不良流态,采用数值模拟方法分析泵站前池内加设导流墩与底坎后的整流效果.结果表明,合理设计的Y型导流墩和底坎联合整流措施不仅具有平面分流效果,而且可以阻碍立面漩涡发展、调整泵站行近断面流速.本研究成果应用于实际工程中改善了大扩散角泵站前池的进水流态,提高了泵站运行稳定性.     

配重变化对重力式网箱网衣水动力特性影响数值分析

利用集中质量方法建立了模拟水流作用下网衣动态变形的数学模型.利用此模型分析了重力式网箱在均匀流作用下,不同的配重重量对其受力和变形的影响.对不同流速不同配重大小情况下重力式网箱网衣所受荷载和变形进行了模拟.为了验证数学模型的有效性和数值模拟结果的正确性,将模拟结果与Lader等的试验结果进行了比较.结果表明计算和试验结果吻合良好,各种工况和配重条件下计算结果相对误差都在15%以内.该研究结果为水流条件下网箱的数值模拟奠定了基础.     

基于CFD技术的泵站进水池水力性能研究

为了改进泵站进水池设计,应用CFD技术对进水池内部流态和水力性能进行分析.首先基于重整化群湍流模型和SIMPLEC算法,数值模拟了泵站典型矩形进水池内的定常流动;然后基于流速均匀度优化目标函数,分析了进水池进水管内各个断面的轴向流速分布规律,并提出了叶轮名义高度的取值范围,即喇叭口直径的1.3～1.7倍.计算结果表明:矩形进水池内流态紊乱,水力性能差;增加导流墩和采用W形后壁后,进水池流态和水力性能能得到明显改善.     

泵站进水池进口边界条件处理方法的研究

进水池的流态不仅与进水池结构有关,而且与进水条件有关.传统的数值模拟对泵站进水池进口边界条件垂直入流假设并不符合多机组泵站进水池的情况.整体数值模拟方法的计算区域为整体进水设施,避免了对进水池进口流态直接描述的问题,能够更加准确预测进水池内的流态.     

黄河沙坡头连续弯道水流运动三维数值模拟

用可实现k-ε数学模型对黄河沙坡头建立水利枢纽后库区连续弯道的水流运动进行了三维数值模拟.得到了不同断面处垂线平均流速分布、断面流速分布、主流流速和二次流的数值模拟结果,对部分断面弯道环流及水面处离心环流进行了模拟和分析.数值模拟结果与实测结果吻合较好,表明该模型可以用于对具有连续弯道的天然河道河流数值模拟中.     

基于RNG紊流模型的城市排水泵站前池数值模拟研究

本文基于雷诺平均N-S方程和RNGk-ε模型,在压力和速度耦合采用SIMPLEC算法上,对城市排水泵站前池流态在设计工况下进行了数值模拟。计算结果和实验值吻合一致,同时计算结果表明在设计开机工况下,城市排水泵站进水池内部存在复杂水流流态,研究结果可以用来对城市排水泵站前池的优化设计和调度运行创造了条件,具有一定的工程使用价值。     

泵站进水弯道三维流动分析及流态改善研究

采用雷诺时均方程结合k-ε紊流模型首次对典型泵站进水弯道水流及其流态改善进行三维数值模拟，计算结果与试验值吻合。计算优选出的组合底坎有效地改善了进水流态。对实际工程郑集泵站前池复杂流场的三维数值求解进一步证明该模型是正确的，求解方法是可行的。采用数学模型结合物理模型的研究方法可缩短研究周期，降低研究成本。     

高拱坝水舌作用下水垫塘流场的二维数值模拟

应用RNGk-ε紊流数值模型,采用二维VOF方法,对溪洛渡拱坝表孔泄洪和表深孔空中碰撞泄洪两种工况下的水垫塘流场进行了数值模拟,给出了水舌从空中抛射或碰撞,下泄至水垫塘并发展到塘内流动稳定的全过程以及流动稳定后的水垫塘流速矢量和底板压强分布图、水垫塘底板最大压强和近壁最大流速的脉动过程.计算结果与溪洛渡相应的实测值以及其他文献计算的最大底板压强和近壁流速吻合较好,说明数值计算方法合理且结果可靠.     

多机组泵站进水池优化水力设计

采用三维紊流数值模拟方法对多机组泵站进水池的流态进行分析研究,并在此基础上进行优化水力设计．数值模拟结果表明多机组泵站位于进水设施两翼的进水池大多为偏流进水,在多机组泵站进水设计中采用蜗形进水池,前池采取一定整流措施,可以改善进水池内的流态．     

双向贯流泵装置特性数值模拟

采用数值仿真技术,对青龙桥河双向贯流泵各工况的装置性能曲线、汽蚀特性、流道水力损失分布、轴功率等参数进行了分析与计算．结果表明：用基于有限体积法的双方程紊流模型对泵装置流场进行数值仿真研究,是可行、有效的;利用数值仿真技术优化泵站型线,可显著地提高装置效率．     

长距离多级泵站引水工程全系统流量调节

为了保证大型长距离多级泵站引水工程运行中全系统的流量平衡,建立了全系统的仿真模型。根据泵站所处位置不同提出两种新的系统流量调节方法。通过调节转桨泵转轮桨叶角度改变泵的流量特性,使取水泵站流量达到系统调度要求,使中间泵站保持其前池水位不变,以此来实现系统的流量自动调节平衡。仿真结果表明:采用这种调节方法可以实现全系统的流量自动平衡,但是在流量调节中需要考虑明渠的大时滞性的影响,以达到全系统流量调节的优化。     

基于输水隧洞泵送混凝土管道的冲蚀机理

采用数值模拟方法对龙开口水电站1号输水隧洞混凝土泵送过程中管道冲蚀磨损问题进行研究。利用DPM离散相模型分析泵送管道的冲蚀磨损机理,结合1号隧洞实际泵送混凝土的情况来验证数值模型是否正确。通过模拟结果从整个管道固相体积分数分布与弯管出口处的压强变化等特征理解其内在的多相流动规律。模拟得到的弯管最大冲蚀磨损部位,与实际泵送过程中的磨损部位吻合较好。说明DPM冲蚀模型能准确预测泵送管道的磨损特性,可为类似的泵送混凝土施工提供有益参考。     

抽水蓄能电站在发电工况下旋转备用效益的测算

以抽水蓄能电站各项辅助服务中最为重要一项———旋转备用辅助服务为对象,利用蒙特卡罗随机生产模拟技术,研究抽水蓄能电站最优抽水策略下发电工况下旋转备用容量的定价理论,给出了以边际成本确定旋转备用容量电价的模型方法,以及抽水蓄能电站在发电工况下旋转备用的效益模型。并结合算例说明了模型的正确性和合理性。目的在于使各厂家在发电工况下机组提供备用时能够在提供电能和提供备用之间作出合理的选择,充分体现出其容量的市场价值,使旋转备用的效益达到最优。     

调水工程中梯级泵站的优化调度研究

针对大型调水工程整个系统进入稳态运行后,在各站的抽水流量或首级站进水位发生变化的情况下如何及时做出运行决策,调整各梯级站间的水位,达到整个系统总能耗最小之目的这一问题,建立了大型调水工程各梯级站水位优化调度的数学模型,并对其解法进行了探讨.     

梯级泵站优化调度研究

梯级泵站能耗大,对其进行优化调度,节能效果显著。结合一梯级泵站的实际,建立了级间无分水任务的梯级泵站优化调度的动态规划数学模型,给出了优化调度图。阐明了改善级间流量配合是提高梯级泵站效率、降低供水能耗的主要途径。     

贯流泵站液压快速闸门断流停泵过渡过程分析

基于刚性水锤理论,分析了贯流泵站泵装置水力特性、泵机组动力学特性,并运用最小二乘曲面拟合方法仿真模拟了水泵全特性曲线;建立了贯流泵站液压快速闸门断流停泵过渡过程计算的有限差分非线形方程组,并采用牛顿莱福森(Newton-Raphson)迭代法对方程组进行求解.利用该数学模型数值模拟了南水北调淮安第三抽水站贯流泵机组停泵过渡过程,结果表明,该数学模型能较好地模拟贯流泵站停泵过渡过程.     

基于仿真技术的水利工程项目进度与费用的风险评价

讨论水利工程建设项目进度和费用的风险,建立了基于三角分布的网络计划进度和费用风险评价的随机模拟模型．通过统计分析得到进度和费用的模拟概率分布,进而得到进度和费用风险曲线,为评价工程项目的风险提供了依据．最后,对东深供水改造工程某抽水泵站施工网络计划进行模拟,给出其进度和费用的风险分布．