灯泡贯流泵局部熵产与能量损失特性研究

为了研究大型灯泡贯流泵的能量损失特性，采用基于有限体积法的数值模拟，结合局部熵产率和网格尺度，通过熵产理论定位贯流泵内能量损失较高的局部区域，分析了不同工况下各部件内局部熵产、能量损失和不稳定流动之间的关联。结果表明：贯流泵系统熵产与试验功率损失保持较高的一致性，相比于大流量工况，小流量液流正冲角更容易诱导能量损失；叶轮轮缘局部熵产最高，体积占比14%的轮缘子域耗散熵产占比超过40%,由叶顶区泄漏流和泄漏涡导致；导叶轮毂和轮缘侧耗散熵产较高，且呈现轮毂侧分散、区域大极值小，轮缘侧集中、区域小极值大的分布特性；灯泡体能量损失在小流量工况下集中在尾部渐缩段，在大流量工况下集中在灯泡尾部的尾迹区。该研究成果对大型泵站群水力性能优化设计及高效、稳定运行具有参考价值。     

单方柱绕流的直接数值模拟研究

为了揭示柱体绕流的湍流流动机理,采用直接数值模拟方法对雷诺数为1200的单方柱绕流工况进行研究。首先通过与文献中斯特劳哈尔数、平均流速和表面压强系数等统计量进行对比,验证了数值方法的可靠性。其次采用本征正交分解方法系统地提取流场中的相干结构,结果表明：对于速度场的模态分解,第一阶模态代表平均速度场的特征,第二、三阶模态提取的是流场中的低频大尺度旋涡特征,第四、第五阶模态提取的是流场中的高频小尺度旋涡特征。最后基于联合概率密度函数分析速度梯度张量第二、第三不变量,发现方柱下游大致可分为两个流动阶段：发展阶段,流场以涡流层结构和耗散作用为主,涡流管结构逐渐生成;成熟阶段,流场中湍流结构伴随着高涡量拟能和高能量耗散率。     

空化过程对核主泵外特性变化的影响与分析

为研究空化发展对核主泵外特性及内部流场的影响,基于连续性方程、雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对核主泵模型泵在设计工况下进行全流场空化模拟.研究中选择四种空化工况,通过对比模拟结果,得出核主泵在发生空化时,其性能变化规律及内部流场变化规律.模拟结果表明:核主泵发生空化时,泵的外特性对有效空化余量降低的敏感程度不同.随着空化程度的加剧,扬程下降最快,功率下降最慢.空化状态下,由于空化产生的气泡对叶轮流道产生排挤作用,使得过流断面面积减小,流体相对速度增大.此外,由于空化产生的气泡改变了空化区域流体状态,使流体动力黏度减小,导致空化区域湍流耗散率减小,湍流耗散损失降低.     

剪切层区域旋涡空化的发生机理

为研究高速水流中旋涡空化的形成机理 ,用高速摄影和录像的方法观察了发生在中空射流阀内部流场的空化现象 ,采用数值模拟的方法计算了阀内部非定常粘性流场。发现流场中空化的产生与流动分离以及所伴随的剪切层区域的非定常旋涡运动有关。旋涡空化水流中有两种空穴 ,即空化泡与空化旋涡。在剪切层非定常旋涡从流动分离点产生的过程中 ,旋涡形成区域的压力进一步降低 ,在空化条件下产生大量的空泡 ,部分空泡被旋涡所包容 ,从而形成空化旋涡     

半开式离心压气机叶轮三维湍流场数值分析

采用时均Ｎ－Ｓ方程、能量方程、连续性方程、理想气体状态方程及考虑压缩性修正的ｋ－ε双方程湍流模式，计算分析了高速离心式压气机半开式叶轮内部流场．在网格构造中将叶顶间隙及叶道作为独立的网格块处理，克服了以往此类研究中关于叶顶间隙流模拟方面的近似处理．计算是在考虑叶顶实际间隙及零间隙近似两种情况下进行，以研究叶顶间隙流对叶轮内部流动的影响．研究结果表明，当精确地模化叶顶间隙流动后，不仅可很好地预示叶轮内部的重要流动特征，而且计算的子午平均速度及相对气流角亦与测量值符合良好．相反，在零间隙的近似处理下，计算结果与实测值相差甚远，特别是在叶轮的后半部分．     

单方柱绕流的直接数值模拟

为了揭示柱体绕流的湍流流动机理,采用直接数值模拟方法对雷诺数为1 200的单方柱绕流工况进行研究。首先通过对斯特劳哈尔数、平均流速和表面压强系数等统计量进行对比分析,验证数值方法的可靠性;其次采用本征正交分解方法系统地提取流场中的相干结构,结果表明:对于速度场的模态分解,第一阶模态代表平均速度场的特征;第二、三阶模态提取的是流场中的低频大尺度旋涡特征,第四、第五阶模态提取的是流场中的高频小尺度旋涡特征。最后基于联合概率密度函数分析速度梯度张量第二、第三不变量,发现方柱下游大致可分为两个流动阶段:发展阶段,流场以涡流层结构和耗散作用为主,涡流管结构逐渐生成;成熟阶段,流场中湍流结构伴随着高涡量拟能和高能量耗散率。     

基于熵产理论的叶栅型线优化设计

将熵产理论引入二维叶栅的优化设计中,提出了一种能够准确量化在任何位置的流场不可逆损失的分析方法.基于热力学第二定律,理论推导了湍流下的流场熵产计算公式,采用涡黏性模型对叶栅流场熵产进行计算,详细讨论了安装角、叶栅稠度、叶型厚度对叶栅性能及流动损失的影响规律.通过B样条曲线完成叶栅参数化建模,并将改进的带精英策略的非支配排序的遗传算法(NSGA2)与计算流体力学(CFD)相耦合,建立一种以最大总压升和最小熵产率为目标的叶栅自动优化方法,进而得到优化叶栅的Pareto解.与初始种群相比,优化叶栅具有更优的气动性能,在总压提高的条件下,流场熵产率减少.     

车身非光滑表面边界层流场特性分析

为了研究非光滑车身表面边界层流场特性,采用大涡模拟与Realizable k-ε湍流模型对车身外部瞬态和稳态流场进行数值模拟计算,对比分析了非光滑模型与光滑模型边界层内速度、粘性底层厚度、壁面剪切力、表面摩擦阻力因数、湍流强度和湍流耗散率等流场参数,解析了非光滑表面对车身流场流动特性的影响.研究结果表明,非光滑模型边界层内速度明显高于光滑模型,边界层厚度、壁面剪切力、表面摩擦阻力因数、湍流强度、湍流耗散率都比光滑模型有所减小.非光滑表面的引入加剧了车身尾迹气流的参混效应,防止外界的高速流对内部低速流的引射作用,从而减少了车身流场能量的损失.     

叶轮口环结构对离心泵性能及流场的影响

为了揭示叶轮口环间隙及结构型式对离心泵性能的影响,以IS80-65-160离心泵为模型载体,采用RNG k-ε湍流模型,对不同叶轮口环间隙及口环结构型式下的离心泵内部流场进行数值模拟,分析叶轮口环间隙对离心泵的效率、压力场和速度场的影响规律;研究3种环状结构型式的叶轮口环对离心泵性能的影响机制。研究结果表明:叶轮口环间隙的变化改变了离心泵内部流场的流动状态,影响其前、后泵腔处的压力分布,间隙内部的速度发生明显变化;锯齿形口环泄漏量最多可减少16.2%,容积效率提高,轴向力降低,锯齿形叶轮口环结构可提升离心泵2%的水力效率;流经两环状结构空腔的流体,过流面积增加,产生剧烈旋涡,并进行能量耗散,阻止了流体压力能的恢复,分散了经密封齿隙高速射出的流体的动能,间隙内部流体的速度梯度和压力梯度增大,湍动状态加剧,流动阻力增加。     

基于实验观测的分域湍流模型在通气超空化中的评价

为建立一种可以准确高效预测通气超空化流动的湍流模型,结合数值计算和实验结果,对绕锥头回转体通气超空化流动特性进行研究.实验采用高速录像观察了通气空化随时间的流场变化;数值计算中,分别应用标准k-ε湍流模型和密度分域的湍流模型计算了绕锥头回转体通气空化流动.其中,密度分域的湍流模型是在实验观测的基础上建立,即在空泡的前端含气量较大的区域应用DCM模型,以体现附着型空穴的可压缩性;在空泡尾部含气量较大的雾状空泡区域应用FBM湍流模型,以捕捉多尺度的空泡涡团结构.研究结果表明:与标准k-ε湍流模型相比,基于密度分域的湍流模型计算的结果与实验观测的现象基本吻合,有效减小了通气空化空泡区域内的湍流黏性,可以捕捉空泡区域内多尺度旋涡结构的演化过程,进而可以准确地预测通气超空化空泡断裂脱落的非定常流动细节.      

轴流泵叶片外缘修圆对泵性能的影响

为了改善轴流泵叶顶间隙的流动,减少其空化空蚀的发生,通过3种方案对轴流泵叶片外缘进行修圆角.利用计算流体动力学软件FLUENT对不同方案下的间隙流场进行数值摸拟研究,重点分析叶片修圆前后叶顶间隙流场的压力分布和速度分布规律.结果表明,修圆叶片压力面外缘有利于改善间隙流场的流动,可降低间隙空化空蚀的发生,而对泵的总体性能影响不大.     

高Reynolds数流动的时均能量方程及熵增表达式

本文对湍流耗散过程作了详细的热力学分析,明确提出不仅在时均动量方程中,而且在时均能量方程及热力学第二定律的表达式中,湍流影响项与粘性影响项也具有相拟的张量表达式,而且与用何种湍流模型计算Reynolds 应力张量Ⅱ_r 无关.本文还引进名义滞止焓和平均流动熵的概念,推导出适合数值求解的封闭的克罗柯形式的时均流动方程组.     

螺旋桨空化流场调控研究

为改善水力机械的空化现象，基于流动控制结构布置原则和波茨坦水池测试(PPTC)螺旋桨空化流场特性，在保障整体性能的前提下，分别在叶尖与叶根位置设计控制结构进行局部调控。对比分析4种改进螺旋桨与原始螺旋桨的空化流场特性，研究控制结构对螺旋桨空化流场调控的作用机理。结果表明：添加控制结构牺牲了较小的效率，显著减小了空泡区域体积，改善了螺旋桨综合性能；重载工况下，PPTC-t2螺旋桨的综合性能最好，效率损失了0.134%,空泡区域体积减小了24.6%;设计工况下，PPTC-t1螺旋桨的综合性能最好，效率损失了0.284%,空泡区域体积减小了19.5%;控制结构附近流速降低，诱发了局部高压，延缓了空化发生，实现了空化流场的局部调控。研究为改善水力机械的空化问题提供了有效途径。     

带哨嘴喷嘴射流流场的离散涡模拟

采用离散涡方法模拟了两种不同形状哨嘴的喷嘴出口流场旋涡结构的压力分布。模拟结果表明，射流在喷嘴出口和哨嘴出口形成的旋涡结构在流场及其他涡元的作用下，几下游运动，在流场中某个地方形成低压区，这有助于诱发空化现象，对两种不同喷嘴的出口流场进行比较发现。哨嘴形状对形成的射流流场的旋涡结构有很大影响，因此，研究和应用空化射流必须考虑喷嘴出口哨嘴形状的影响。     

非牛顿流体中气液两相流流场结构的小波分析

为了揭示流体流动中的隐含结构及湍流运动规律,利用三维激光多普勒测速仪对非牛顿流体中气泡上升过程液相速度场进行了测量,并借助小波方法对瞬时速度时间序列进行分析．局部间歇测度（LIM）峰分布的相似性说明湍流中存在大旋涡和小旋涡的串级结构,而LIM峰分布的不完全一致性说明湍流中存在相干结构．对不同小波尺度下能量分布的比较发现,在中尺度区,由于气泡的连续通过,该尺度范围内的能量占据了总能量的绝大部分,说明气泡的通过对液相的能量传递有很大贡献．另外,黏度增大使得小涡占据的能量减小,由小涡传递和耗散的能量减少,因此含能尺度的能量分布变宽．     

向心涡轮无叶蜗壳内三维湍流场的数值模拟

用ｋ－ε湍流模型对无叶蜗壳内的三维湍流场进行了数值模拟，给出了模拟计算结果，并与实测流场作了比较，两者的分布规律吻合．分析了三维湍流场的流动特性，指出了流场的不均匀特征对涡轮效率的影响．     

来流特性对高速扩压叶栅端壁射流旋涡的影响

在进口马赫数Ma=0.67的高速平面扩压叶栅上,开展了不同来流附面层厚度和湍流强度对端壁射流旋涡发生器控制效果的影响研究。结果表明,与来流湍流强度相比,进口附面层厚度对栅内流动的影响更大,随着其厚度的增加,栅内二次流动增强,损失增大;来流湍流强度对叶栅气动性能的影响减弱。射流旋涡在较小附面层厚度条件下减小栅内损失的效果随着湍流强度的增加而减弱,甚至会恶化其气动性能;而当附面厚度较大时,射流穿透能力减弱,湍流强度的增大将减小射流旋涡上洗区掺混损失并减缓其下洗侧与吸力面间端壁附面层的发展,叶栅气动性能的提高更加显著。当δ=15%H、T_u=10%时,射流旋涡使得栅内损失减小达8.4%。     

叶顶间隙对喷水推进轴流泵空化性能影响

采用标准k-ε湍流模型和Mixture多相流模型对喷水推进轴流泵五种不同叶顶间隙下的流场进行数值模拟;并对其不同叶顶间隙下的空化性能进行分析。结果表明,随着装置空化余量的降低,空化最先在叶轮进口轮缘附近发生;然后逐渐向叶轮出口边、轮毂及压力面方向扩展开去。随叶顶间隙的增大,临界空化余量逐渐增大;且叶片吸力面空化面积增大,抗空化性能下降;叶顶间隙的存在导致叶轮出口轴向速度在靠近间隙的20%叶高区域降低;在相同装置空化余量下,叶轮出口轴向速度下降的速度随叶顶间隙值的增大而加快。     

牛顿流体在圆管内湍流流动剪切率的近似计算

根据剪切率的定义导出了描述湍流流动剪切率与时均流剪切率和脉动流剪切率关系的基本方程,该关系式与流体的流变性类型无关,适用于牛顿流体和非牛顿流体.根据不可压缩牛顿流体湍流剪切率与能量耗散率的关系和湍流能量耗散率的近似算法,得出了不可压缩牛顿流体在圆管内湍流流动剪切率及脉动流剪切率的实用算式,计算所得湍流剪切率及脉动流剪切率的分布特征与已知实验规律相符.     

修正的PANS模型在云状空化流动计算中的应用评价

将考虑空化流动密度变化的密度函数引入PANS模型,基于实验结果评价了这种修正的PANS模型在云状空化流动计算中的应用.分别采用不同的模型控制参数f_k值,计算了绕Clark-Y型水翼云状空化流动,获得了空穴形态的发展历程、升力系数曲线波动情况,并与实验结果进行了对比.结果表明,修正PANS模型继承了标准PANS模型的特点,即随着f_k值的减小,可以获得流场中越来越丰富的多相湍流流动细节,很好地预测绕翼型云状空化流动的非定常特性;修正PANS模型考虑了空化区域气液混合介质对湍流黏性的影响,可以更全面地描述反向射流作用下空穴的断裂及多尺度空泡团的脱落细节,所得翼型升力系数曲线的波动情况更接近于实验值.