减压孔板水力特性的数值模拟

减压孔板是消防系统中不可缺少的减压设施,对其正确的设置与计算是消防系统设计中重要的环节。借鉴前人基于设计手册中水头损失公式进行改进的做法,采用数值模拟方法,对减压孔板的水力特性进行了较为系统的研究。结果表明,随着出流流量的增加,减压孔板作用增强,压降幅度增大,孔径d与管径D比(d/D)越小降压效果越明显。     

张峰水库溢洪道水力特性三维数值模拟

以张峰水库为例建立了溢洪道三维结构模型,采用结构网格及混合网格技术对模型进行了离散,并利用标准k-ε湍流模型、SIMPLE算法及VOF法对溢洪道流场进行了三维数值模拟。结果表明,溢洪道过流能力、水面线及流速分布与实测值吻合良好;溢洪道底板压强分布合理,水流空化数满足设计要求,溢洪道体型设计合理可靠。以物理试验验证数值模拟,使得计算结果真实、可信,进而详细地分析了溢洪道的压强特性及水流空化数,对同类工程的优化设计有一定的参考作用。     

山地对流云的数值模拟

采用地形追随坐标，首先建立了一个包含复杂地形的完全弹性三维中尺度暖云模式。利用该模式，主要模拟了地形抬升对云的触发作用，并进一步研究不同地形对已发展的对流云的动力影响。分析结果表明：在适宜的温湿条件下，一定高度的地形抬升能够生成较强的对流云；对于较弱的对流云，上坡地形能够使其发展增强，而下坡地形则会使其减弱。以上结论与观测事实和文献[4，5]结论相符，同时也证明了此模式引入地形后的动力学框架的合理性。     

柔性压力管道甩击特性数值模拟

柔性压力管道作为一种重要的流体输送工具,以适用性强、安装快捷等特点广泛应用于临时或机动工程中,但随其耐压等级与额定流量不断提高,管道的振甩现象愈发突出,甩击事故时有发生,存在重大安全隐患。利用ANSYS Workbench平台对柔性压力管道脱扣断裂甩击行为进行数值模拟,研究了管道流速、流体物性参数、管道弯曲长度和弯曲半径、约束位置对甩击运动的影响。结果表明：管道的甩击运动具有很强的非线性特征,脱扣端的变形位移和甩击速度最大,固定端的等效应力最大;随管内流速增加,管道甩击的变形位移、甩击速度、等效应力增加,应变能呈高次方变化;随流体密度增加,管道甩击运动的主要参数都线性增加,流体黏度增加,管道甩击更加剧烈;管道长度越长,其运动周期越长;弯曲半径增大,管道甩击运动的主要参数都减小;而管道安全扣的约束位置主要影响了管道运行的长度和弯曲半径,从而对甩击运动产生影响,管道甩击振动由二阶模态主导。     

浓相气力输送分支管道分流特性的数值模拟

基于Fluent软件,采用Euler-Euler两相流研究方法和RNG k-ε湍流模型及SIMPLE压力速度耦合计算方法,充分考虑颗粒间碰撞和气固两相相互作用,对3种不同几何结构的分支管内,颗粒体积分数为10%的浓相气力输送过程进行数值模拟。模拟结果显示:气固两相的速度和动压在流经分支处后都减小,且在分支处都呈现出分支内侧比外侧大的现象;分支处固相在分支内侧聚集较多;管道初始部分和分支外侧气固两相出现较大的湍流;同时随着其中一分支管与主管夹角的增大,该分支内侧两相速度、动压值和固相含量都逐渐增大,外侧湍流逐渐增强、范围逐渐变广。     

单孔孔板水力空化特性的可视化与数值模拟

在自行搭建的单孔孔板空化反应试验台上,采用高速数码摄影和长工作距离显微成像技术,对单孔孔板中心孔内和孔板下游进行空化特性试验研究,分析了背压、空化数等参数对孔板水力空化的影响.试验结果显示:当背压一定,逐渐改变喷射压力时,会出现"空化初生迟滞"现象,在空化两相流区,较高的背压对应着较小的流动损失;孔板内和孔板下游都有空化区存在,且孔内空化对下游空化区影响较大.数值模拟结果显示,孔内空化与试验相符合,且下游空化区的产生是由孔内空化云脱落至下游漩涡区引起的.     

大单宽流量岸边溢洪道水力特性三维数值模拟

采用κ~ε双方程紊流模型模拟了带掺气槽岸边溢洪道具有大曲率水气交界面的水流流场,给出了溢洪道溢流堰、泄槽及挑流鼻坎的压力分布、流速分布等水力特性并对掺气槽掺气特性进行了定性分析.其中部分结果与模型试验结果吻合良好.对连续式和差动式两种不同坎型挑流鼻坎消能效果进行对比,给出各自预挖坑底板紊动能分布,结果表明多股水舌消能效果优于单股水舌,可为挑流坎型优化设计提供参考.     

峡江枢纽围堰施工河道水力特性2维数值模拟

为阐明峡江枢纽围堰施工期河道水力特征,指导工程施工,采用峡江站水文资料及枢纽实测水位,在率定好1维数学模型的基础上,建立了赣江峡江段平面2维水流数学模型,定量计算枢纽重要水域水流流态,分析流场形态的变化特征和局部流态对枢纽尤其是围堰的影响,并将研究结果与物理模型试验结果做了对比分析.结果表明2维数学模型能较准确地计算围堰工程局部水位及流场变化情况,峡江枢纽围堰施工方案可行.     

油井水力压裂的三维数值模拟

为了研究油层岩石在水力载荷作用下的裂纹扩展及渗流行为,采用渗流应力耦合模型对水力压裂过程进行了三维有限元方法数值模拟研究.预设裂纹用粘结单元来模拟,裂纹的起裂和张开用单元的损伤因子表征.为了使得在裂纹扩展过程中,流体压力能随裂纹扩展动态地跟踪加载到裂纹面上,给出了流体压力在裂纹内传递的模型,并编写用户子程序予以实现.模拟结果得到了水力压裂过程中岩石中的应力分布、孔隙压力分布、压裂液的滤失以及裂缝的几何形态.分析了压力和隔层等因素对裂纹几何形态的影响.该研究结果对石油工程中压裂方案设计及故障诊断有一定的理论参考价值.     

跌扩型底流消能水力特性的数值模拟研究

多股跌扩型底流消能是一种新型消能方式,消力池内紊流特性复杂。本文对多股跌扩型底流消能工建立了三维紊流数学模型,采用非均匀结构网格技术对模型进行网格划分,利用RNGk-ε紊流模型和VOF自由表面追踪法对其进行高精度数值计算,得到了消力池内水流的水力特性:当表孔和中孔联合泄流时,消力池后段的临底流速较低,流速梯度改变较大,消力池底板及跌坎附近形成了强度和尺度各异的游离性和间歇性漩涡,紊动能消逝迅速。由此可见,此种消能工的消能效果显著,能有效解决高水头、大单宽流量消力池水力学指标过高的水力问题。     

基于CFD的自动计量弧形闸门水力特性三维数值模拟

建立了自动计量弧形闸门不同开度时,闸门安装段流体计算域的三维模型,采用VOF模型及标准k-ε模型对过闸水流进行三维数值模拟.获得过闸水流的流动特性和渠底所受压力曲线,分析其流速、流场、压力分布的变化规律,提出了闸门安装段渠道结构的改进方案并进行仿真.结果表明:与现有弧形闸门安装渠道相比,修建消力池、加长闸后矩形明渠的长度,不仅可以削弱水流对渠道的冲刷与破坏作用,减少闸门底部泥沙堆积,而且闸门前后渠底所受压力平稳区的水压波动范围减小,有利于提高水位测量精度.     

船舶反弯扭螺旋桨水力特性的数值模拟与分析

运用计算流体力学方法(CFD)对船舶反弯扭螺旋桨的水力特性进行数值模拟计算,获得了螺旋桨的推力系数、扭矩系数及敞水效率等水力特性参数,与试验结果进行了比较,两者吻合良好.模拟计算提供了详细的三维流场分布,可对反弯扭桨叶的工作特性和叶梢涡、尾涡及气蚀的分布状态进行深入的分析.在叶面邻近区域采用层叠式的半结构网格以适应边界层的计算要求,在边界层外的流动区域采用非结构网格,取得了较高的计算精度.     

泵站调节池水力优化的数值模拟

基于定常不可压流体的控制方程和重整化群(RNG)湍流模型,采用CFD技术,通过SIMPLEC算法,计算了6种导流墙布置方案的泵站调节池定常流动,并且通过物理模型验证,定量分析了导流墙布置方案对调节池水流流动的影响.研究表明:导流墙间隔为10L时,过小的间隔导致调节池内边壁脱流现象严重;导流墙间隔为16L时,过大的间隔又使得调节池内水流流速过低;增加1m调节池挖深时,调节池流态改善不明显并且增加工程造价;利用21L和10L宽窄相间的导流墙布置形式,底部流速达到不淤流速的同时可以有效降低调节池水头损失近1.2m,为泵站前池的流态提供一定的保障,其中L为导流墙宽度.基于数值模拟结果提出的调节池布置方案可应用于工程实际.     

变截面管道对瓦斯爆炸特性影响的数值模拟

以气体爆炸理论为基础,利用高精度的加权本质无振荡(WENO)格式对变截面管道中的瓦斯爆炸进行了数值模拟,探讨了变截面管道对瓦斯爆炸火焰传播的影响规律,得到了变截面管道造成瓦斯爆炸强度增大的结论. 在此基础上,分析了障碍物、壁面和三波结构对瓦斯二次爆炸的影响. 结果表明,经壁面反射后的激波和三波点的碰撞都能够诱导二次爆炸的产生. 这些结论为瓦斯爆炸的预防、安全评估和防火防爆提供了重要的理论依据.     

台阶式溢洪道水力特性数值研究

为研究台阶式溢洪道的水力特性,结合某水库实际工程,采用标准k-ε紊流模型模拟溢洪道水流流场,并利用流体体积分数法(VOF)来追踪自由水面,复杂边界形状采用非结构网格进行处理的方法对台阶式溢洪道流场和光滑溢洪道流场进行了模拟。结果表明:数值模拟能够得到较为合理的自由水面和速度场,台阶式溢洪道自由水面高于光滑溢洪道,水流流速则低于光滑溢洪道,且台阶内部存在漩涡。台阶式溢洪道消能率远远大于光滑溢洪道,可见台阶式溢洪道消能效果十分显著。     

90°弯道T型丁坝水力特性和数值模拟研究

利用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和k-ω涡粘紊流模型,研究在无丁坝、直线型丁坝、T型丁坝三种工况下90°弯道水流中的水力特性.研究结果表明:与直线型丁坝相比,T型丁坝下游形成的回流区长度约缩短15%,宽度约缩窄25%;对水面壅高、横纵比降的影响程度较小,且将横向环流移向河道中心,更加合理的减轻环流对岸边的水毁破坏;河床切应力突增率低于直线型丁坝,强度顺河道向下游衰退更快.综合比较,T型丁坝是一种优于直线型丁坝的坝型.     

泵站簸箕型进水流道水力特性试验及数值模拟

对一经优化设计的泵站簸箕型进水流道制作了水力模型,测试其水力损失;采用雷诺平均纳维斯托克斯方程(RAN S)和标准k-ε湍流模型,运用S IM PLEC算法,对流道内部流场进行了三维湍流数值模拟,揭示了流道内水流的流态和特征断面的速度分布规律.试验和数值分析结果表明,所设计的簸箕型进水流道内无漩涡,流态良好,水力损失小,水泵进口速度分布均匀,加权平均入流角接近90.°     

轴流泵水力模型内部流场数值模拟

基于Reynolds时均N-S方程,采用标准k-ε湍流模型,压力、速度耦合使用SIMPLEC算法,离散采用具有二阶精度的隐式格式差分,对轴流泵过流部件内部流场进行三维定常湍流数值模拟,得到泵内流动的速度和压力矢量分布图,以及其他一些流动的信息.数值模拟结果表明,设计工况下的流场分布和流态总体较好,但叶轮叶片背面进口靠近轮缘处出现局部低压,导叶外壁区域负荷大,说明该轴流泵水力模型还有进一步改进和对其性能进一步提高的必要.     

水力旋流器数值模拟参数的基础研究

水力旋流器广泛应用于固液、固气、固固等分离领域,因水力旋流器具有结构小、效率高和操作方便等特点使之广泛应用于各个分离领域。为不断开发水力旋流器的分离能力,单纯的实验方法优化旋流器已满足不了工业需求。随着计算机的发展,数值模拟与实验结合利用是未来水力旋流器的发展方向。数值模拟的准确性很大程度上取决于模拟模型的选择,针对旋流器模拟参数中湍流模型、多相流模型和曳力模型进行模拟研究,模拟结果与前人实验对比验证,结果表明,雷诺应力模拟(RSM)、欧拉模型(Eulerian)和Schiller-naumann曳力模型组合更加适合水力旋流器模拟。模拟结果可为旋流器深度模拟研究提供指导,对于旋流器实际工业化应用提供理论参考。     

排气三通管道分散流流动特性的数值模拟及分析

为减小排气T型三通管道中的局部压力损失,利用FLUENT软件对其分散流动特性进行数值模拟,分析支管与总管流通截面积比、夹角、质量流量比及流体温度对管道总压损失系数的影响规律。结果表明:总管流速和气体温度对总压损失系数影响不大,支管与总管质量流量比却对总压损失系数影响显著;分支管与总管夹角、分支管与总管流通截面比对总管-通支管总压损失系数的影响不明显,但对总管-分支管总压损失系数的影响显著。通过数值模拟和分析建议T型三通管推荐结构为分支管与总管夹角α=45°,分支管与总管流通截面比A3/A1的适宜范围为0.8~1。数值模拟结果与前人研究及试验结果比对,趋势一致,计算精度较高,可为类似汽车排气分流技术开发提供依据。