带分流叶片水泵水轮机特殊工况内部流场特性

基于国内某抽水蓄能电站建立的水力模型并结合该模型试验报告,采用SSTk-ω模型计算带分流叶片水泵水轮机7.5°导叶开度下零流量工况附近的制动工况和反水泵工况,进行定常和非定常数值模拟,研究其内部流场压力分布、速度流线分布及径向力分布规律.结果表明:计算流体动力学数值计算可以很好地模拟分析带分流叶片水泵水轮机的内部流场特性;制动工况下的流态很差,涡结构充满整个流道引起水流拥堵且成不对称分布;反水泵工况导叶和转轮出现了严重的流动分离,水流在叶片中上游发生冲击;分流叶片的存在减小了负压区域,降低了汽蚀现象发生的可能性,有助于水轮机内部水流流动更加平稳;带分流叶片水泵水轮机的径向力在一个周期内的变化规律与转轮叶片数强关联,峰谷值个数与叶片数相对应.     

三维湍流流动计算在混流式转轮水力设计中的应用

根据实际工程的需要,对需在某具体水力参数下工作的水轮机转轮通过CFD的手段进行了转轮水力模型的设计与开发.设计过程中,基于RANS方程,采用标准k-ε湍流模型和有限体积法,对转轮内部的流动状态在某具体水力参数(含特征工况点)下,进行了全三维粘性流动的数值模拟;依据各工况下的模拟结果和分析其流态与流场分布情况的基础上,对初始设计出的模型转轮的翼型和叶片几何形状、尺寸做了进一步修正、改进;经性能预估验证,得到了水力性能良好的新的混流式转轮水力模型.文中采用结构和非结构化网格相结合的划分方法,不仅可行,而且还提高了网格质量和计算精度;用叶片正背面压力差表示叶片上压力分布的变化规律,可以更清晰地反映出叶片的作功情况.     

分流叶片离心泵叶轮内变工况三维数值分析

对带分流叶片的离心泵叶轮不同工况下的内部流动进行数值模拟分析．计算采用雷诺时均方程和修正了的κ-ε湍流模型,在压强连接的隐式修正法建立的压力速度校正方程基础上,利用贴体坐标系和交错网格技术进行计算．计算结果揭示了带分流叶片的离心泵叶轮内部湍流流动不同工况下的速度分布及压力分布规律,对叶轮内部流动状况进行了分析和研究．结果表明：随着流量的增加,叶轮内相对速度增大明显;叶轮内整体动压随流量增加而下降,动压在叶轮内的分布场为大流量比小流量更加均匀．     

考虑水压力的混流式转轮振动特性分析

采用CFD技术对混流式水轮机进行全流道流动计算,将流动计算得到的水压力分布以离散点的形式作用于转轮过流表面;考虑离心力的作用并基于有限元技术,对混流式水轮机的整体转轮和单个叶片的振动特性进行了分析,对水压力和旋转离心力联合作用下混流式转轮振动特性的变化进行了研究.结果表明,在不同工况下运行时,水压力和旋转离心力对转轮和叶片的振动特性有不同程度的影响.在工程实际中应对此影响进行分析,为水力机组的稳定运行提供依据.     

叶轮型式对超低比转速高速离心泵性能的影响

为了分析不同叶轮型式对超低比转速高速离心泵性能的影响,对采用普通叶轮与复合叶轮离心泵内部流动进行数值模拟.计算基于连续方程和雷诺时均N-S方程,采用标准的k-ε湍流模型和SIMPLEC算法.模拟采用不同长短叶片的复合叶轮的超低比转速高速离心泵在设计工况下的全三维流场,得到短叶片径向和周向偏置位置的最佳组合.着重分析比较采用普通叶轮和复合叶轮两种离心泵模型方案在不同流量下叶轮内部的速度场和压力场,得到其内部流动的主要特征.研究结果表明,在其他过流部件相同的条件下,采用长短叶片的复合式叶轮离心泵其性能比普通常规叶轮更佳.     

基于长短叶片混流式水轮机压力脉动分析

为了探讨长短叶片混流式水轮机的压力脉动规律,采用SST模型,探讨多种工况下水轮机的速度分布、压力变化以及多监测点的压力脉动情况。研究结果表明:转轮出口处流动过程极为复杂,蜗壳与转轮存在动静干涉,且随着流量的增加,蜗壳与转轮的动静干涉效应越明显。转轮区域压力脉动的产生是因为导叶出口水流流动不均匀,造成导叶及转轮间动静干扰。     

基于滤波器湍流模型的水翼空化数值模拟

采用界面捕获法,在均相流模型假设下,引入滤波函数修正了RNG k-ε湍流模型,基于正压流体假设的状态方程空化模型.采用SMPLEC算法,数值求解雷诺平均的Navier-Stokes方程,模拟了二维NACA66(Mod)翼型的定常、非定常空化流动.计算得到的翼型表面压力分布与试验结果基本一致,较好地模拟了非定常空化云的初生、发展、断裂和脱落的周期性过程,非定常流动的斯特劳哈数与试验结果相吻合.给出了2个时刻的翼型表面速度矢量场,分析了空泡内部流动结构,结果发现翼型空泡尾部的反向射流是引起翼型表面局部压力升高,进而导致空泡发生断裂及空化云脱落的重要原因.     

混流式水轮机部分负荷下的叶片动载荷模拟

通过求解三维不稳定Reynolds平均Navier-Stokes方程,并采用RNGk-ε模型实现方程的封闭,对3个不同转轮在部分负荷下进行了包括导叶、转轮、尾水管在内的三维不稳定流动计算。结果表明:由于水轮机转轮的旋转,在部分负荷工况下,由尾水管内涡带引起的转轮内的压力脉动主要频率fr是转频fn与涡带压力脉动频率fd之差;同时转轮内压力脉动还有导叶通过频率和转频及其倍频等成分;在66%左右开度下叶片上压力脉动幅值一般大于80%左右开度下的值;在同一工况下,叶片背面的压力脉动幅值一般大于叶片正面的值。     

含轮缘间隙的轴流转桨式水轮机不同工况下的数值分析

通过采用CFD计算软件,求解基于k-ε紊流模型的Navier-Stokes方程,建立轴流转桨式水轮机转轮部分的数值计算模型。对在不同的桨叶角度和各导叶开度下含轮缘间隙的轴流转桨式水轮机内部流动特性进行全面系统的数值计算,阐述了不同工况下流域内的流场分布和轮缘间隙处的流线分布,并分析了轮缘间隙对水轮机内部流动特性的影响。为进一步提高轴流转桨式水轮机性能和电站的稳定运行提供依据。     

冷却塔水轮机转轮结构优化及模态分析

于Ansys Workbench平台,考虑不同工况及不同水轮机材料,对某冷却塔水轮机转轮进行流固耦合分析.通过对转轮过流面及叶片的水压力分布计算,将得到的水压力载荷加载到转轮叶片上,进行转轮体结构分析,得出不同工况和材料下转轮的应力分布及变形情况.对转轮进行干湿模态分析,得到转轮在两种情况下的固有频率和振型,并用试验验证.研究结果表明:各种工况下,转轮的最大静应力和最大位移随流量的增加而增加,均出现在转轮叶片进水边处;材料为ZG₀Cr₁₃Ni₄CuMo时结构的变形量更小,且质量更轻,更适用于冷却塔水轮机;将转轮的固有频率与各水力激振力频率比较,两者频率值相差较大,发生共振的可能性较小.数值分析结果为冷却塔水轮机强度及振动的校核与预测提供依据,并为转轮结构优化和材料设计提供参考.     

具有分流叶片的离心式压缩机叶轮跨叶片流动计算

本文提出了计算具有分流叶片的离心式压缩机叶轮跨叶片方向的计算方法,这一方法运用统一的控制方程处理不同区域的问题,在每一个区域之间的数据结构联结均有程序自动完成。分流比的确定参照现有的方法,以分流叶片前缘点坐标插值获得,并考虑出口条件的影响。根据叶轮进口轴向分速和叶片对上游的影响确定上游过界条件,下游边界条件根据绝对速度等环量变化确定。算例结果表明,分流叶片长度、圆周位置均对流场有很大影响,当分流叶片前缘处于相邻两长叶片中间,而后部偏向长叶片压力面一侧时,流动状况有较大改善,并且叶片载荷减小,出口库塔条件满足。     

大型车辆刹车盘叶型的设计

为了解决大型车辆刹车盘的散热问题,对刹车盘的S型长短叶片、S型叶片、直长短叶片、直叶片进行实体建模,运用CFD计算得到各种叶型的通风量,对其中的S型长短叶片和直长短叶片的流道内速度矢量和压力分布进行分析.结果表明,在有正反转要求且工作时间相同的条件下,直长短叶片的总通风量最大,流场中回流较小,压力分布较均匀,最有利于刹车盘的散热.     

轴流式水轮机叶片建模与优化

在枯水期,由于转轮叶片效率低,一些地区轴流式转轮不能发电。为了解决这一问题,改善转轮叶片非圆曲线的设计尤为重要。当前,CAD软件不能够对非圆曲线进行延伸,在分析其原因的基础上引入了趋势外推法。研究了各段翼型截面的分布规律,建立了多项式曲线延伸数学模型,利用MATLAB软件的编程找到叶片已知点的内外侧延伸点以及运用MATLAB软件的曲线拟合功能来改善叶片的形状,以使叶片表面趋于光滑,从而减小功率损耗和提高运行效率。为了完善非圆曲线智能延伸功能,基于C++编程,对NX软件进行二次开发,进一步优化了轴流式转轮叶片。     

混流式转轮的性能预估和增容优化

通过对原型混流式转轮的三维定常湍流计算,找出导致水轮机出力达不到设计要求的原因,根据计算结果对原型转轮提出增容优化改造建议,对改造后的转轮性能进行预估,以验证增容优化改造方案的可行性.流场计算以连续方程和雷诺时均N-S方程为基础,选用标准k-ε两方程湍流模型使方程组封闭,通过贴体坐标下的有限体积法对控制方程进行离散,数值求解采用SIMPLIC算法.计算结果表明,增容优化改造后的水轮机转轮流场分布较为合理,满足电站水力参数的要求,改造方案可行.此方法也可推广到转轮水力设计中.     

混流式水轮机转轮内流固耦合的有限元模型

通过分析转轮在发电机组运行时的运转特点,推导出了转轮内部流体域以及叶片固体域的运动微分方程和边界条件,并根据变分原理,运用加权余量的迦辽金法,建立了转轮内部流固耦合有限元模型,模型反映了流体参数,机械振动状态以及叶片结构参数的相互关系.     

多分流喷咀叶栅气动变分有限元分析

在蒸汽透平的高压级中,喷咀叶栅的高宽比相当小,一般l/B<1,端损比较严重。为了减少这种损失,本文提出一种新的由主、分流叶片组成的多分流喷咀叶栅结构,以改善高压级喷咀叶栅的气动性能。为了对这种多分流喷咀叶栅进行全流场计算,本文采用了较先进的气动变分有限元方法。以国产30万千瓦机组高压第一压力级为例,对实际运行的带矩形加强筋的窜喷咀结构,带锥形加强筋的窄喷咀结构以及由主、分流叶片组成的多分流喷咀叶栅结构进行了全流场的气动有限元计算。从计算所得的速度分布曲线可知,带矩形加强筋的窄喷咀结构的气动性能最差,而由主、分流叶片组成的多分流喷咀叶栅的气动性能最好,它是改善蒸汽透平高压级热经济性的有效途径。     

基于CFD的转轮叶片对虹吸式水轮机水力性能的影响分析

为了更加高效地利用超低水头水力资源,设计了一种采用虹吸式出水流道的轴流式水轮机。针对这一形式的水轮机,在设计水头和额定转速下采用CFD进行三维数值模拟,计算各过流部件的水力损失,研究水轮机的水力性能。通过改变转轮叶片出水边翼形,对比分析转轮出口水流流态与虹吸式出水流道水头损失的关系,研究不同叶片对虹吸式水轮机水力性能的影响。结果表明,在水头、转速和导叶开度相同的情况下,各修改方案中叶片3使得出水流道水头损失较小,其对应的平均涡角为13.26°,出水流道水头损失为0.135 m,水轮机的效率也较高(为89.33%)。此外,选取效率较高的叶片,改变叶片数量,分析其对虹吸式水轮机水力性能的影响。     

裂纹源的支持向量机与神经网络定位对比研究

利用声发射技术检测水轮机叶片裂纹的产生位置.针对水轮机结构复杂及裂纹位置比较集中等特点,提出利用支持向量机的分类与回归功能对水轮机转轮叶片的裂纹进行定位.结果表明,与BP(误差反向传播)神经网络相比,支持向量机在叶片区域的识别率为100%,高于BP网络;裂纹源到焊缝的距离的预测精度也稍高于BP网络,因而支持向量机是一种适合复杂结构的定位方法,特别是在样本量不大的场所.     

贯流式水轮机桨叶涡动力学优化设计

为了优化贯流式水轮机桨叶的叶型,引入边界涡量动力学理论。对初始设计的导叶和桨叶叶型进行全流道三维湍流模拟,分析了桨叶表面上边界涡量流分布状态,找到了局部流动不良的部位。通过调整设计中给定的速度矩分布规律,对桨叶叶型进行优化。叶型改进后,桨叶轮毂附近和进口边附近边界涡量流分布明显改善,转轮效率提高。计算表明:桨叶表面上边界涡量流分布状态更有效地反映了转轮的流动性能,能够为叶型优化提供可靠的依据。     

汽轮机分流叶栅粘性损失的计算方法及试验

为解决多分流叶栅的粘性损失问题,研究了多分流叶栅叶片表面边界层发展情况,分析了分流叶片对主流叶片上边界层发展和分离的影响以及对整个流场的影响,在此基础上,建立了分流叶栅的损失模型和损失系数计算公式,并计算了３种类型的损失系数。通过对３种叶栅吹风试验表明,所建立的粘性损失模型和失系数计算公式与实际情况相符,提供了多分流叶栅通用的损失模型和损失系数的计算方法及程序,使叶栅设计更接近实际。