考虑动态摩阻的管道内水气耦合瞬变流的数值模拟

输水管道系统中经常会发生水气耦合瞬变流,可能会引起异常压力波动,甚至造成爆管事故。目前针对水气耦合瞬变流的研究很少考虑动态摩阻的影响,往往会低估瞬变过程能量衰减。对此,引入一种高效准确的简化加权类动态摩阻模型,建立考虑动态摩阻的水气耦合瞬变流模型。同时,采用虚拟塞法避免了特征线法在水气交界面的动态追踪时数值插值和求解的复杂。对比分析该模型计算结果与不考虑动态摩阻模型计算结果、试验数据,发现考虑动态摩阻的模型能更好地预测气团压力衰减和耗散,与试验压力峰值更为接近;入口压力越大,初始气团越小,动态摩阻对压力波动衰减的影响越大。     

管内水流冲击滞留气团的CFD模拟方法验证

在输/排水管道的快速填充过程中常会出现含滞留气团的复杂气—水两相瞬变流,极有可能引发异常的压力波动,从而导致严重的水力过载甚至爆管事故。目前,对于这种特殊瞬变流现象的研究基本采用一维方法或观测视角,无法准确反映气团的动态特性。为此,基于计算流体力学(CFD)模拟方法,采用5种湍流模型对该瞬变流问题进行了二维(2D)数值模拟,并将其瞬态压力、水气耦合分布模拟与试验结果进行比较。结果表明,CFD模拟方法能有效模拟水气分布及压力动态变化;标准κ-ε和标准κ-ω模型计算的最大压力误差较小,RNG模型的压力波动周期吻合度最好,两种κ-ω模型的气团模拟效果欠佳。     

求解守恒形式的圣维南方程中处理不规则断面的一种改进方法

为改进利用圣维南方程处理不规则断面的方法,采用Godunov格式的有限体积法求解双曲守恒型圣维南方程。模型以水位和流量作为控制变量,利用能有效捕捉激波的HLLC近似黎曼算子计算界面通量;对于不规则的天然河道断面,采用复化Simpson公式计算相应的静水压力项;推导了离散摩阻源项的半隐格式,提高了模型的稳定性;利用TVD-MUSCL方法重构界面变量,采用改进的Euler法实现了模型空间和时间上的二阶精度。算例验证表明该模型具有良好的稳健性和实用性,能够准确模拟具有任意断面形状的天然河道中急缓交替的浅水流动。     

抛物型断面明渠溃坝波的简化分析

利用明渠沿程抛物型断面的概化关系式,对棱柱体明渠非恒定流的控制方程进行简化分析,并应用于忽略底坡和摩阻影响的非单一湿周断面明渠瞬时全溃问题。讨论明渠湿周断面形状对溃坝涌波各水流参数的影响,在不考虑下游河床水流影响的情形下得到了坝址的水深和最大流量与湿周断面形状系数的函数关系式。     

带侧堰压力前池的非恒定流计算

研究水力过渡过程中压力前池的最高、最低涌波水位,对于确定隧洞或渠顶高程及压力钢管进口高程有重要参照意义。考虑引水渠道末端扩散段及压力钢管对涌波水位的影响,建立了无压引水渠道—压力前池—压力管道非恒定流计算的整体计算模型,计算了电站在增、甩负荷工况下,前池水位的波动过程。结果表明,考虑扩散段和侧堰的影响,计算模型更符合工程实际,可为初步设计提供参考。     

碧口电站压力引水系统非恒定流的分析与计算

本文对碧口水电站压力引水系统的非恒定流情况进行了分析计算,同时得出了引水系统指定断面的压力变化过程;水轮发电机组的转速变化过程;调压井的水位波动过程及相应的最大最小值.在整个计算过程中假设较少,并由计算结果与实测结果对比可知,引水系统整个边界条件的处理较合理,尤其是水轮机边界,考虑了混流式水轮机的特性及实际关闭规律,这样所得的计算结果就更符合实际情况.     

降低泄水闸胸墙底缘负压的数值模拟研究

鉴于胸墙底缘线型是带胸墙的泄水闸水力优化设计的重要内容,以珠江流域西江水系大藤峡水利枢纽工程为例,数值模拟采用标准κ-ε紊流模型,水气两相流耦合采用VOF法,网格划分采用胸墙底缘局部加密和其他区域渐变,上下游水力边界采用垂向分布的压力边界条件,模型求解采用非恒定流方法,计算步长采用自适应变步长法,从水流流态、时均流速分布、紊动动能分布、时均压力分布等方面进行泄水闸胸墙底缘线型优化设计。模拟结果表明,与采用椭圆和直线相切的两段线型相比,泄水闸胸墙底缘采用一段椭圆曲线线型泄流能力符合要求的同时,可降低胸墙底缘负压满足设计要求,保证了建筑物安全。     

高负荷多级轴流压气机数值仿真的 转静交界面模型研究

针对总压比20以上的某10级轴流压气机，使用一维无反射和通量守恒两类转静交界面模型进行单 通道定常数值仿真，并与试验结果对比，从交界面的守恒和无反射两方面特性分析对计算结果的影响及其机 理。结果表明:一维无反射交界面可有效消除激波反射，但无法保证交界面守恒性;对于本文研究对象，设计 点流量、峰值效率和最高压比分别偏高5%、2.6%和4% ；转静交界面通量不守恒导致的误差，会随着级数增 加而累加。通量守恒交界面虽然存在激波反射等误差，但仍可求出与试验形状接近的性能曲线，除流量偏高 3%，其余主要指标均与试验吻合。因此，计算中需综合考虑压气机的级数、负荷水平和反动度、叶尖间隙、激 波的形状和强度、超跨音叶片前缘与交界面的距离，以选择合适的交界面模型。     

经济比摩阻与经济供热半径的影响因素分析

研究流速、供热规模及供回水温差对经济比摩阻和经济供热半径的影响。采用二阶多项式模型,通过最小二乘拟合法得到经济比摩阻与经济供热半径关系的近似解析解,并对所有近似解析解进行求导,通过对一阶导函数的分析,得到经济比摩阻与经济供热半径关系的平均变化率,确定了影响经济比摩阻和经济供热半径的主要因素。     

基于浸没边界—格子Boltzmann方法的带自由液面的水力学问题模拟

为了高效、准确地通过数值方法研究涉及自由液面的流固耦合问题,将单相自由液面格子Boltzmann方法与浸没边界法相结合,提出可计算水流的液面波动及其与刚体相互作用的耦合模型,该耦合模型通过对耦合作用力的迭代,可确保浸没边界的无滑移条件的实现,并可提高耦合模型计算的稳定性和准确性。进而通过该耦合模型模拟和分析了宽顶堰溢流和自由拍门过流两种常见的水力学问题,验证了该模型的可行性和正确性。     

1000MW直接空冷机组风机运行研究

针对某1 000MW直接空冷机组,基于η-NTU法,建立了直接空冷机组变工况数学模型。通过考虑排汽管道压降及机组对环境散热量等因素,得到机组凝汽器压力与风机风量间关系曲线,分析了在一定凝汽器压力下风机运行所需风量和风机运行频率对机组的影响,为空冷机组的经济运行提供参考。     

基于LES的压气机叶栅通道非定常流动结构研究

为了进一步理解压气机叶栅通道内的非定常流动结构,采用大涡模拟(LES)方法研究了来流附面层厚度和稠度变化对叶栅通道内涡系结构及总压损失系数的影响。研究表明：来流附面层增厚将导致端壁处流体的轴向动能降低,使得马蹄涡压力面分支更早地流向相邻叶片吸力面;来流附面层越厚,通道涡在叶栅尾缘沿展向抬升的高度越高,角区分离的范围也越大;叶栅的总压损失随附面层增厚而增加,附面层损失增加显著,二次流损失有所增大;稠度较低时叶栅吸力面表面存在分离,会对通道涡及角区分离产生影响;稠度增大,横向压力梯度减小,叶栅流道的速度分布更均匀,通道涡的强度和尺度减小,角区分离的范围减小;稠度增大使叶表不再分离时,总压损失显著降低,但稠度继续增大会使气流与叶片表面的摩擦损失增加。     

Prediction of turbine blade heat transfer and aerodynamics using a new unsteady boundary layer transition model

The effects of periodic unsteady flow on heat transfer and aerodynamic characteristics, particularly on the boundary layer transition along the suction and the pressure surfaces of a typical gas turbine blade, are experimentally and theoretically investigated. Comprehensive aerodynamic and heat transfer experimental data are collected for different unsteady passing frequencies that are typical of gas turbines. To predict the effect of the impinging periodic unsteady flow on the heat transfer and the aerodynamics of turbine blades, a new unsteady boundary layer transition model is developed. The model is based on a universal unsteady intermittency function and utilizes an inductive approach that implements the results of comprehensive experimental and theoretical studies of unsteady wake development and the boundary layer flow. Three distinct quantities are identified as primarily responsible for the transition of an unsteady boundary layer: (1) the universal relative intermittency function, (2) maximum intermittency, and (3) minimum intermittency. The analysis of the experimental results and the comparison with the model prediction confirm the validity of the model and its capability to accurately predict the unsteady boundary layer transition.     

The Thermoflow Characteristics of an Oscillatory Flow in Offset-Strip Fins

In this work, a numerical study was performed to investigate the characteristics of pressure drop and heat transfer in an oscillatory flow through offset-strip fins. In the laminar regime, the flow does not oscillate, and the Colburn j and friction f factors from a steady simulation are very close to those of an unsteady simulation. The flow begins to oscillate in the transition and turbulence regimes. In these regimes, the error between the f and j values obtained from the unsteady and steady simulations becomes significant. Since an unsteady simulation is too computationally expensive, a steady simulation with a turbulence model was tested. It was found that a steady simulation with the SST(shear stress transport) k-ω turbulence model can accurately predict the Colburn j and friction f factors of an unsteady simulation.     

1000MW直接空冷机组变工况特性

以1 000MW直接空冷机组为例,基于η-NTU法,建立了直接空冷机组变工况数学模型。在模型中考虑了排汽管道压降及机组对环境散热量等因素,编程计算做出了凝汽器排汽压力与环境温度、迎面风速、排汽流量间的特性曲线。得出迎面风速为2.2m/s左右时,排汽压力波动范围接近额定值,机组的运行良好。为同类1 000MW空冷机组在变工况下选择合适的运行值和提高经济性提供了参考。     

甲烷泄漏的可压缩流动分析与应用

煤层气生产过程中的甲烷(CH4)泄漏属于非定常流动,其计算过程复杂,往往受压力、温度等多种因素的综合影响。为了定量掌握煤层气井口位置的泄漏情况,推导了可压缩定常流动的N-S方程,结合相关假设得到了用于煤层气泄漏计算的小孔模型,考虑现实情况总结出适用于煤层气泄漏计算的经验系数。对多个煤层气区块的实际案例进行计算,并开展对比分析。结果表明,小孔模型的计算平均误差相对较小,将该模型应用于煤层气井口泄漏的计算中是可行的。     

舰船燃气轮机高压涡轮动叶多维热耦合设计方法

针对舰船燃气轮机复杂高效冷却叶片设计,基于压力修正算法建立冷却叶片一维管网设计方法;通过快速求解可压缩边界层微分方程获得叶片外换热边界,基于参数化的叶片网格生成方法,采用全隐式有限体积的固体导热求解方法,构建了冷却叶片的耦合传热模型,开发了耦合传热计算程序。对某高压涡轮动叶进行多维热耦合设计,确定冷却流路及冷气分布,通过三维气热耦合计算验证了设计方案的可行性,通过对比分析验证了多维热耦合设计方法对主要流通单元的流量、压力误差小于5%,具备较高的工程应用价值。     

A simplified model of gas–liquid two‐phase flow pattern transition

An experiment of upward gas–liquid two‐phase flow was conducted in an air–water isothermal system under atmospheric pressure. The differential pressure was measured at the fully developed section by using a variable reluctance type transducer to classify the flow patterns and their transitions. The flow behavior was observed with a high‐speed video camera. The probability density function (PDF) of the differential pressure signal was employed to identify the flow pattern. A simplified one‐dimensional flow model was proposed to clarify dominant factors affecting the formation and transitions of flow patterns. The model dealt with the gas‐component advection based on the spatiotemporal void fraction behaviors by considering the gas compressibility, the wake, and the liquid phase redistribution mechanism. The simulation results of the model indicated four kinds of the void wave patterns (ripple‐like, rectangular, distorted rectangular, and uniform wave patterns) depending on gas and liquid volumetric fluxes. These void wave patterns corresponded well to the experimentally observed flow patterns. The transitions among void wave patterns agree well with the Mishima–Ishii flow pattern map. The friction loss estimated by the present model coincides fairly well with Chisholm's empirical formula. © 2004 Wiley Periodicals, Inc. Heat Trans Asian Res, 33(7): 445–461, 2004; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/htj.20029