多级潜水电泵非定常流动数值模拟及性能预测

为了研究多级潜水电泵内部流动特性,选取QD3-60/4-1.1首级叶轮和导叶为研究对象,采用修正的RNGk-ε湍流模型和滑移网格技术数值计算了泵三维非定常流场,给出了流道1中不同半径处相对速度液流角,绝对速度液流角和相对速度与圆周速度比值的分布曲线,分析了定常和非定常流道1出口压力面的速度三角形变化,并对扬程和功率的数值计算结果与试验结果进行了对比分析.结果表明:定常计算中随着流量的增加,叶轮出口绝对速度减小,绝对速度圆周分量减小,绝对速度径向分量增加;非定常计算中在0.90R2和0.95R2处靠近吸力面的相对速度液流角变化较明显,小流量工况下相对速度液流角一直在正负之间剧烈波动,绝对速度液流角随着流量的增大而增大;非定常计算可以较准确预测多级潜水电泵的特性.     

非结构化四面体单元用于搅拌设备流场的计算

采用非结构化四面体单元,利用滑移网格技术模拟了搅拌设备内的非定常流场。通过搅拌桨叶端时均速度、功率准数与实验值的对比,量化考察了不同因素对计算精度的影响,指出了建模过程中网格划分和参数设置应遵循的原则,为非结构化四面体单元进一步用于搅拌设备CFD分析提供了可靠的理论依据,从而为基于CFD技术的具有复杂型面的新型搅拌桨的开发打下基础。     

三维超音速和高超音速无粘非定常流动的数值模拟

对于钝头体的三维高超音速和超音速非定常绕流，给出了Ｅｕｌｅｒ方程在团结于钝头体 的非惯性坐标系中的守恒形式，通过对求解域的有限体积离散，矢通量分裂方法以及Ｗａｒｍｉｎｇ 和Ｂｅａｍ的二阶迎风格式用数值方法计算了Ｅｕｌｅｒ方程的时间精确解。给出了利用本文的非定 常流动数值计算结果及１９９２年任玉新的学位论文“气动稳定性导数的理论与数值方法”计算出 的俯仰阻尼导数的值，它与实验结果较好地符合。表明文中的非定常流动数值计算方法是可靠 的，对准确确定飞行器的动导数具有意义。     

离心式动/静相干叶排内部非定常流动的数值计算

首先采有作者发展的滑移界面技术及非定常流数值方法计算了两同心圆柱间库特（Couette)流动，在此基础上对叶轮及扩压器叶片数不等的二维离心式动，静相干叶排内部的非定常流动进行了数值模拟，详细分析了不同流量工况下动，静叶排内的非定常流动特性，数值分析表明，在一定的转速下，非等栅距离心式动，静相干叶排内部的非定常流动结构与流量工况密切相关，当流量较小或者较大时，在叶片扩压器内都会产生大尺度的分离涡，而在叶轮内的涡尺寸较小或不出现。研究结果可为优化叶轮与叶片扩压器的匹配提供有益参考。     

飞行器地面效应定常/非定常流场数值模拟

采用重叠网格技术,通过求解Navier-Stokes方程,对飞行器起飞状态下增升装置的地面效应进行了数值模拟.选取GAW-1为基本翼型进行增升装置设计,进一步生成重叠网格,分别采用“虚拟运动地面”模式边界条件进行了计及地面效应定常流场数值模拟,以及飞行器运动模式进行了计及地面效应的非定常流场数值模拟.对比分析了不同数值模拟方法之间对气动特性以及流场的影响,为飞行器地面效应数值模拟提供了参考.     

低压铸造充型过程的数值模拟技术

论述了低压铸造充型模拟的数学模型,由于低压铸造充填速度较慢、充型平稳,因此充型计算采用层流模型.采用SOLA-VOF算法对模型进行求解, 其中SOLA 法用于求解流体的速度场和压力场, VOF法用于处理自由表面.采用UG软件进行铸件三维造型,采用ProCAST软件进行网格划分,对叶轮的充型过程进行了模拟,并通过对叶轮的浇注试验,验证了低压铸造充型的数学模型及算法在保证模拟精度、提高计算效率上的有效性.     

建筑结构非定常绕流风场的数值模拟方法

给出了一种适用于计算建筑结构非定常绕流风场的大涡数值模拟算法.该算法基于有限差分法,采用曲线坐标结构网格,能精确描述形状复杂的物面边界,为下一步准确模拟含有因结构受风变形所致运动边界的绕流场奠定了基础.该算法采用投影法解耦纳维-斯托克斯方程中的压力和速度,对非定常流场的时间步进采用二阶Adams-Bashforth方法.采用同位网格以减少计算所需内存,为了平抑同位网格下中心差分格式导致的固有压力波动现象,计算对流速度时采用Rhie-Chow动量插值方法,利用编制的曲线坐标系下大涡模拟数值计算程序,对德州理工大学(TTU)建筑足尺模型绕流风场进行了模拟,所得结果与现场实测和风洞试验结果进行了比较.结果表明,本文算法是建筑结构非定常绕流风场数值模拟的有效方法.     

基于CFD技术的螺旋桨非定常流场数值模拟

针对单独螺旋桨模型,基于动态结构网格搭接技术,采用CFD方法对其非定常流场进行了数值模拟。首先针对全部外形生成多块点搭接和面搭接两套计算网格,通过分析两套网格的计算结果,验证动态网格搭接技术的可行性和正确性,得出螺旋桨性能参数随转速的变化规律;在此基础上分析了雷诺平均NS(RANS)方程和Euler方程的数值模拟结果;最后研究了攻角对单独螺旋桨性能参数的影响。研究结果表明：动态网格搭接技术能够很好地模拟非定常螺旋桨的性能参数;螺旋桨的拉力系数和功率系数都随着转速的增加而增大;对螺旋桨非定常流场进行数值模拟时,采用Euler方程就能够满足工程精度的需求;攻角0度时单片桨叶的拉力系数和转矩系数都是恒值,而在攻角10度时却都呈现出周期性的正弦曲线。     

Common-Refinement方法在三维流固耦合数值计算中误差分析与并行效率

本文成功实现了基于非匹配网格的三维Common-Refinement方法,可将其应用于离散后流体与弹性体的非重叠子区域之间的接触面,用于数值求解三维非定常流固耦合问题.首先,为了满足两者之间液体和弹性耦合界面间牵引力的平衡条件,本文系统研究了Common-Refinement方法的空间插值的准确性和可靠性.本文根据一系列的不同拓扑结构的网格划分方案,通过改流体和结构网格之间的网格匹配系数系统地评估Common-Refinement方法的准确性和精度,证明了Common-Refinement方法沿界面的流体和固体网格的数据传输具有稳定的二阶精度.进而将Common-Refinement方法应用于非定常流固耦合算例,研究了非定常计算中的误差累积以及Common-Refinement方法的并行效率.最后本文将本方法应用于三维标准的圆柱体-弹性板问题,并与文献中标准解进行了对比.求解结果证明了Common-Refinement方法在三维非定常流固耦合数值计算中能够保持全场二阶精度.     

叶片数约化对叶片气动载荷的影响研究

通过求解三维非定常N-S方程模拟叶轮机械内部流场。采用有限体积中心差分和四步龙格库塔时间推进格式,并且使用了双时间方法对计算加速。对一级跨音速风扇静叶选取不同的叶片数方案进行了非定常流场和性能数值模拟。对于不同的叶片数,叶片几何截面按比例缩放以保证各方案叶片稠度不变。通过对特征截面时均载荷的分析研究了静叶约化对下游激波位置的影响。通过对流面参数的快速傅里叶变换,分析了约化对动叶表面静压各阶谐波幅值的影响。研究发现,约化改变了动叶表面主要非定常载荷的幅值以及轴向位置。而轴向位置的改变对非定常气动力的一阶谐波幅值产生了显著的影响。     

基于Fluent的离心泵二维流场数值模拟

使用Fluent软件,结合MRF法模拟了离心泵内流体的二维流动情况,采用标准的湍流模型,得出了离心泵内的速度分布图、速度矢量图、静压力和总压力图,结果表明离心泵叶轮内各通道的流量、流速及压力分布有明显的差异,表现出明显的非对称性,利用数值模拟方法能真实反映泵内部的复杂流动,为泵内流道的设计、改进提供了理论依据.     

叶片包角对离心泵流场及脉动特性的影响

针对离心泵非定常流动压力脉动特性,采用滑移网格的大涡模拟技术对叶片包角分别为95°,100°,105°,108°的4副叶轮进行数值模拟.分析了叶片包角对离心泵水力性能、叶轮出口"射流-尾迹"、测点压力脉动频谱特性和叶轮径向力的影响关系.结果表明:随着包角的增大,离心泵的水力性能下降;包角适当增大,会使叶轮射流-尾迹流动结构变弱.在设计工况下,蜗舌附近测点压力脉动最大;在蜗壳螺旋段压力脉动强度沿流动方向逐渐变弱,而在叶轮流道内压力脉动沿流动方向逐渐增强,在叶轮出口处达到最大;而离心泵叶轮所受径向力随着包角的增大而减小,适当地增大包角可以提高离心泵运行的可靠性.     

离心泵空蚀湍流的非定常数值模拟

为了研究离心泵内部的空蚀流动,结合Fluent软件中的空蚀模型和混合流体两相流模型,对离心泵流道内的三维湍流空蚀流场进行非定常数值模拟.根据模拟计算结果的液相和空泡相流动特征,预测离心泵在设计工况下运行时流道内空蚀发生的位置和程度;通过分析空蚀发生过程中叶片上的压力分布,揭示出离心泵流道内空蚀流场的内在特性,并可对泵的性能进行预估.     

基于CFD的离心泵关死点流动性能分析

 流体动力学数值计算（CFD）被广泛用于研究离心泵内部的流场和外特性预测,在设计工况下计算准确性较高,近年在流体机械领域的研究中占有重要位置。然而针对关死点工况离心泵流场的CFD 模拟,现有研究都是采用极小流量作为边界条件,难以得到水泵关死点的真实流动性能。本文采用完全零流量的边界条件,以常用的IS125 型管道离心水泵为例,借助于瞬态CFD 流场计算技术,进行关死点及其附近工况的非定常流场数值模拟和性能预测,并得到实测结果的验证。研究结果发现,在非设计工况尤其是关死点和小流量工况下,叶轮每个通道内具有不同的流场分布和过流能力,导致水泵性能参数出现较大的脉动现象。在关死点工况下,蜗壳隔舌所承受的流动冲击最为严重,靠近蜗壳上游的叶轮通道是排水状态,而靠近蜗壳下游的叶轮通道则是吸水状态。本文提出的关死点和小流量工况下离心泵流场计算方法能较为有效的预测该工况下泵的扬程和轴功率,得到的叶轮流道过流能力大小的结论,具有一定的学术和工程价值。     

部分流泵非定常流动分析

在设计工况下采用滑移网格技术对部分流泵进行了整机非定常流动数值计算,分析了叶轮、蜗壳内典型的非定常流动规律.计算表明:部分流泵内流的非定常特性明显,蜗壳喉部尤为剧烈;瞬时扬程的变化是由于叶轮与蜗壳喉部强烈的非定常流动特性所决定的,只有采用非定常计算方法才能反映其内流的实质.该计算为进一步研究部分流泵的内流现象、提高效率、减少水力损失提供了一定的理论依据.     

叶片式混输泵气液两相流及性能的数值分析

利用Fluent计算软件在多重参考坐标系下采用欧拉方法的双流体湍流模型计算螺旋轴流式叶片泵内高含气状态下的三维气液两相流场.通过对泵内绝对流速、叶轮相对流速、静态压力、气液两相分布及其相间滑移速度矢量的分析,探讨了气液两相介质在泵内的流动规律.结果显示离心力的作用使叶轮内液相主要在轮缘附近流动,而气相则聚集在轮毂附近;泵导叶内气液两相分离状况有较明显改善.通过与泵性能实验结果对比,验证了文中方法对气液两相叶片式混输泵计算分析的有效性.     

复合式离心泵叶轮短叶片偏置设计分析

建立了一个衡量离心泵叶轮短叶片偏置设计的准则:短叶片的布置位置应使叶轮流道内可能出现的回流区域为最小的原则.依此原则,文中以滑移理论为工具,实例分析计算了短叶片在不同偏置位置时叶轮内部的回流情况,进而得到了离心泵叶轮短叶片应偏置的最佳位置.该例的计算结果和从中所得结论与实测数据和结果完全吻合.     

离心式燃油泵复合叶轮的数字化设计及验证

针对现有加油系统的燃油泵不足,采用复合长短叶轮对原有燃油泵进行改进.首先,采用数值模拟方法进行多次迭代设计,得到水力性能最优的复合叶轮模型.其次,对该模型进行了三维流场的数值模拟,分析其内部流动特性与外特性曲线.最后,根据优化设计结果生产试件,并进行试验验证.通过对比复合叶轮和原有叶轮的仿真及试验结果可知,复合叶轮的效率和扬程都高于普通形式的叶轮,特别是有效改善了小流量工况的稳定性,其有效运行区间由原先的1.3倍变流量工况增大到2倍变流量工况.该研究为其他航空高速宽工作区间燃油泵的优化设计提供了参考.     

旋转叶轮和叶片扩压器耦合的非定常流动计算

应用STAR-CD流动分析软件和PISO算法,采用滑移网格和多重旋转坐标系技术,全流场计算了旋转叶轮和叶片扩压器耦合的非定常流动.获得了不同时间周期的速度和压力分布,预示了叶轮和叶片扩压器相互干涉的重要流动特征.通过计算发现了以往采用单流道计算所不能发现的流动现象:由于蜗壳的存在,使得每一个流道内的速度和压力分布是非对称的,并随时间的变化而变化.因此,在叶轮机械设计中,要全面和整体地考虑叶轮、扩压器和蜗壳之间的相互关联和耦合及相互间的影响与反影响,不能孤立地分别研究.