排灌机械工程学报

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泵理论与技术

NTB型陶瓷多级泵内部流动的三维数值模拟

袁寿其, 陶艺, 曹卫东, 汤跃, 陶建平

2013, 31(10): 829-834. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.10.001

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根据CAD水力设计对NTB型陶瓷多级泵进行三维造型及网格划分,应用CFX软件,基于雷诺时均N-S方程,采用标准k-ε湍流模型和多重参考坐标系,对该泵包括额定工况点在内的9个工况点下的内部流动进行了数值模拟,得到了静压分布图、速度矢量图、流线图等,定性分析了大、小流量和额定工况点下的内部流动规律,并预测了泵的性能曲线,模拟结果表明:设计工况下绝对速度分布较合理,蜗壳出口未发现回流,反导叶出口流速相差不大且方向基本相同,但其内部发现较大的轴向旋涡;由于叶轮与径向导叶、蜗壳隔舌的相互作用,两级叶轮中间截面流线均呈现局部非对称性,3种工况下首级叶轮均存在不同程度的射流-尾迹现象,且在小流量工况下叶片工作面处发现轴向旋涡.在此基础上于某厂试制了NTB型陶瓷多级模型泵,进行外特性试验,并将试验结果与模拟结果对比,发现试验结果与数值计算结果基本吻合,模型泵满足设计要求,NTB型陶瓷多级泵研制成功,同时,模拟结果可为今后的优化设计提供依据.

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泵理论与技术

轴流泵内部压力脉动数值预测及分析

汤方平, 张丽萍, 付建国, 谢荣盛, 杨宁, 齐立龙

2013, 31(10): 835-840. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.10.002

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基于RANS方程和RNG k-ε模型,采用Ansys-CFX软件对轴流泵泵段进行了多工况三维非定常数值模拟,得到了不同工况下轴流泵内部不同监测点的水流压力脉动值,分析了轴流泵内部不同监测点水流压力脉动的变化趋势,并预测了叶轮进口前由于叶轮转动引起的压力脉动影响范围.通过与实测扬程和效率比较,表明了数值模拟方法的可行性及可靠性.研究结果表明:轴流泵内部压力脉动频率主要受叶轮转动频率控制,较大压力脉动发生在叶轮进口前;叶轮进口处压力脉动从轮毂到轮缘逐渐增大,叶轮出口处压力脉动从轮毂到轮缘先减小后增大,导叶后压力脉动从轮毂到轮缘先增大后减小;小流量工况及大流量工况下压力脉动幅值较最优工况大;受叶轮转动影响,叶轮进口前压力脉动影响至叶轮中心前0.7D左右.

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泵理论与技术

基于热固耦合的高温热水泵口环形变分析

曹卫东, 王秀兰, 胡啟祥

2013, 31(10): 841-845. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.10.003

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为避免高温热水泵在运行过程中出现转子部件咬合现象,对TEG 200-400型高温热水泵的口环间隙进行分析.利用ANSYS Workbench软件,对TEG 200-400型高温热水泵在不同温度下的热固耦合进行有限元分析,得到泵盖冷却水腔有无冷却冲洗以及不同温度条件下的泵口环的形变量.结果表明:冷却腔的冲洗对叶轮口环的位置形变影响较大,高温热水泵的使用过程中,尽量降低泵盖与托架连接处的温度,有利于减小叶轮口环的变形;泵体口环和叶轮口环形变量随介质温度的升高而增大,依据运行介质的温度、泵的自身结构、材料特征等,对热变形进行合理预估并选择设计口环间隙,可避免泵启动及运行时泵体口环与叶轮口环之间的动静摩擦;在250 ℃设计温度条件下,叶轮口环与泵体口环的半径间隙取为0.6 mm的方案是合理的.研究结果为合理选择叶轮口环和泵体口环之间的间隙提供了一定的依据.

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泵理论与技术

基于Particle模型固液两相流离心泵流场数值模拟

汪家琼, 蒋万明, 孔繁余, 屈晓云, 宿向辉

2013, 31(10): 846-850. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.10.004

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基于Particle模型和非均相模型,运用流场分析软件ANSYS-CFX对固液两相流离心泵的内部流场进行数值模拟.液相采用标准k-ε湍流模型,壁面设置为无滑移壁面条件;固体颗粒相采用离散相零方程模型,壁面设置为自由滑移壁面条件.重点分析了过流部件壁面处固体颗粒的滑移速度、颗粒体积分数分布、滑移速度及体积分数分布与过流部件磨损的关系,将数值模拟结果与相关文献中的试验结果进行对比.结果表明:在蜗壳大包角壁面处,固体颗粒相的体积分数较大;在叶片头部靠近前盖板处、叶片压力面和吸力面的尾部处、蜗壳起始段靠近隔舌处和靠近叶片压力面尾部的前后盖板处等壁面,固体颗粒相的滑移速度较大,磨损较为严重.采用Particle模型和非均相模型能准确地模拟固液两相流泵内的流动规律.

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泵理论与技术

蜗壳式混流泵空化工况扬程下降机理

施伟^,, 张大庆, 潘中永, 李彦军, 袁寿其

2013, 31(10): 851-855. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.10.005

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基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型和剪切应力输运湍流模型(SST),应用计算流体动力学技术,对比转数n_s为449的蜗壳式混流泵设计工况下的流场进行空化数值模拟分析.根据模拟结果获取了该泵的空化特性曲线,对开始发生空化、临界空化和空化严重3种工况下叶轮内的空化现象进行分析,并找到混流泵空化断裂和扬程下降的原因.数值模拟结果和试验结果一致,误差在5%以内.模拟分析结果表明:流道内的空泡增多到一定程度后会使液体发生边界层分离,产生旋涡,通过叶轮流道内空泡体积分数和叶片背面流线分布图可以看出,旋涡是导致该混流泵空化断裂工况下扬程下降的最主要原因,初步揭示了混流泵内空化流场的分布规律.

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水利水电工程

低水头贯流式水轮机运行特性数值仿真

周大庆, 陈世凡, 李超

2013, 31(10): 856-861. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.10.006

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通过建立非稳态过程的三维湍流数值模拟方法,设定进口压力呈周期性变化,且在转轮转速处于变化和不变的情况下,对某种新型无调速机构的低水头贯流式水轮机的运行特性进行了数值模拟.数值计算结果表明:在转轮转速随进口压力变化,且进口压力呈振幅为14%的正弦变化时,转速增大和减小的幅度分别为0.76%,0.21%,且其变化趋势滞后进口压力变化1/4周期;而流量的变化在极值处分别增大8%和2.5%;受进口压力变化的影响,转速变化时水轮机效率的下降幅度10.76%大于上升幅度4%.结果同时揭示了在2种情况下,水轮机力矩、流量、功率以及效率随时间的变化规律,并分析了在进口压力变化过程中,机组转轮区子午截面、转轮叶片压力场的瞬变过程,可为电站后期电气控制设备的选型提供参考依据.

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水利水电工程

基于双向流固耦合水轮机转轮应力特性分析

肖若富, 朱文若, 杨魏, 刘洁, 王福军

2013, 31(10): 862-866. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.10.007

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为了开展基于双向流固耦合的水轮机转轮叶片应力特性分析,通过坐标变换将直角坐标系下的连续方程和动量方程变换到任意拉格朗日坐标系下,建立流场控制方程,采用FCBI-C方法得到离散方程.在旋转坐标系下建立结构静力学方程,采用有限元法进行离散,得到转轮的有限元方程.使用迭代法双向流固耦合,对流体方程和结构方程进行迭代,直到流固耦合系统收敛.通过基于双向流固耦合的混流式水轮转轮应力场计算可得:单、双向耦合条件下转轮应力和位移分布趋势基本一致,最大点位置相同;转轮的有效应力相对差值随着变形的增大而增大,均在位移变形值最大点最大;变形量大小是单、双向耦合计算结果差别的重要因素,在小变形情况下,精度要求不高时可用单向耦合代替双向耦合进行计算.

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水利水电工程

非稳定渗流下非饱和土体水力梯度的时变分析

徐存东, 张硕, 史国坤, 常周梅

2013, 31(10): 867-873. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.10.008

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为了研究非稳定渗流对坝体非饱和土体水力梯度的动态变化影响,考虑土体基质吸力与体积含水量的变化关系,建立了非饱和土体的渗流运动微分方程.采用SEEP/W软件对均质土坝在水位降落和上升等工况下的瞬时渗流场进行数值模拟,分析坝体上游侧、下游侧等不同深度的水力梯度变化值,以探寻坝体不同部位水力梯度在整个渗流历时内的动态变化规律及其可能发生渗透破坏的主要时间段.数值模拟结果表明:上游侧坝体底部水力梯度会在骤降历时的60%~70%时间段内出现高出稳定渗流期36.4倍的峰值,是最易引发渗流破坏的时间段;坝体上游侧水位变动区土体的水力梯度在上升历时的25%~50%时间段内增加较慢,在50%时间段后迅速增加,增加幅度达30~50倍,水位上升历时的50%时间段之后是其发生水力渗透破坏的主要时间段;水位升降对坝体下游侧土体水力梯度的影响甚微.计算结果可为大坝的调洪运行管理提供可参考的决策依据.

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流体工程

基于弱可压缩计算的水泵水轮机超出力分析

刘锦涛, 李晓鹏, 郭雷, 王乐勤

2013, 31(10): 874-878. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.10.009

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为防止超出力工况下转轮内流体流速过高,出现脱流现象,进而导致无叶区压力脉动的升高,研究了水泵水轮机在超出力工况下运行时的水力稳定性.基于非定常、不可压缩流体,建立了三维水泵水轮机水力模型,采用SST k-ω模型对在110%额定功率下运行的模型机组进行数值模拟,预测超出力工况下的水泵水轮机内流场以及压力脉动,对导叶流域的压力脉动演化规律进行分析,并将其与试验结果进行对比.结果表明:在超出力工况下运行时,导叶附近流域压力脉动幅值沿流动方向逐渐增大;在固定导叶与活动导叶之间,压力脉动的主频大小由叶片通过频率的2倍变为1倍;2倍叶片通过频率分量幅值与混频幅值之比在活动导叶流域明显降低.超出力工况下,转轮叶片压力面出现脱流,并且在尾水管中存在1个粗大的涡带,导致机组性能降低.

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流体工程

长短叶片混流式水轮机内部流动数值预测

马越, 张海库, 刘德民, 刘小兵

2013, 31(10): 879-883. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.10.010

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为研究长短叶片混流式水轮机的内部流动特性,基于CFX软件平台,运用N-S方程和SST湍流模型,对HLA542-LJ-130长短叶片水轮机全流道典型小流量工况进行三维湍流计算,得到了水轮机各过流部件内流场的流动信息.计算结果表明,从固定导叶到活动导叶出口,速度矢量随压力降低而均匀增大,而且压力和速度分布在圆周方向的周向性较好,从叶片进水边到出水边,长短叶片压力变化为均匀减小,压力分布比较合理,叶片工作面表面没有明显的回流和二次流,流线分布较为流畅,尾水管进口压力、速度分布基本对称,压力沿径向分布比较均匀,尾水管肘管之前有与转轮旋转方向相同的涡带,涡带在尾水管中发展至尾端,但没有明显的偏心,在扩散段内逐渐减弱.研究结果对高水头水电站的水轮机选择和设计具有重要的指导意义.

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流体工程

柔性翼型主动控制与气动特性分析

叶舟, 赵海洋, 高伟, 李春

2013, 31(10): 884-887. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.10.011

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为了降低风力机大型化带来的叶片长度与重量增加导致的疲劳载荷,改善叶片气动性能,以尾缘摆角为控制变量,借助Fluent中的UDF接口,采用C语言编制控制程序,实现了翼型柔性变形;分析了原始翼型与尾缘柔性变形后翼型的静态升力特性和静态阻力特性;对比了攻角变化与摆角变化对翼型气动特性的影响;研究了摆动周期内的柔性翼型表面静压分布及其动态升阻特性变化规律.结果表明:与原始翼型相比,适当的尾缘变形可增大升力系数,减小阻力系数,从而更加高效地实现流场主动控制;翼型尾部柔性变化使得翼型压力面和吸力面功能交替变化,可实现对整个翼型升阻特性的控制.

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流体工程

仿鸟翼型双流通槽干气密封静压特性模拟

彭旭东, 张风云, 白少先, 李纪云

2013, 31(10): 888-893. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.10.012

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针对螺旋槽干气密封在低速下端面开启力不足、稳定性差的问题,借鉴飞鸟翼翅形状中翼尖和翼翅后缘的翅槽结构与小翼羽结构,从仿生学角度提出一种双流通螺旋槽端面干气密封(S-DGS)端面结构,其特征是在螺旋槽的基础上开设一个密封堰.基于气体润滑理论,建立了数值分析模型并定义了双流通S-DGS的主要几何参数.采用有限差分方法求解雷诺方程,研究了静压条件下几何参数对双流通S-DGS端面开启力、泄漏率、气膜刚度和刚漏比等密封性能参数的影响规律,并开展了双流通S-DGS的几何参数优化分析.结果表明:当密封堰周向宽度比0.4≤λ≤0.6,密封堰径向长度比0.6≤γ≤0.8,槽坝比2≤δ≤3, 槽深5 μm≤h_g≤8 μm,螺旋角15°≤α≤20°,槽堰比0.7≤η≤1.3时,双流通S-DGS具有最佳工作性能.研究结果为低速下干气密封的型槽设计提供了理论依据.

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农业水土工程

土壤紧实度估算G-A模型参数的空间变异分析

刘姗姗^,, 许迪^,, 白美健^,, 李益农^,, 温新民

2013, 31(10): 894-900. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.10.013

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为了分析土壤入渗空间变异特征并为灌溉系统设计和管理提供依据,基于土壤初始重量含水率、土壤紧实度、土壤黏粒含量和入渗过程数据,利用多元线性回归方法,分析选用土壤紧实度对简化的G-A入渗模型参数进行估算的合理性;通过半方差函数分析,进一步探讨了不同畦田规格下土壤入渗空间变异特征.结果表明:土壤紧实度与土壤质地、结构和含水率关系密切,在与土壤入渗参数的回归关系中达到了系统的显著性要求,采用其对简化的G-A入渗模型参数进行估算是可行的;畦田规格由0.5 hm²扩展到3.0 hm²时,简化的G-A入渗模型参数的变异系数均在0.1~1.0,空间变异程度呈中等,空间结构具有中等相关性,且都可用球状模型进行描述,畦田规格差异对G-A入渗模型参数空间变异程度和空间结构影响不具有统计学意义.

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农业水土工程

灌水下限对甜瓜生长及水分利用效率的影响

牛勇^,, 刘洪禄^,, 吴文勇^,, 张宝龙, 王克武

2013, 31(10): 901-906. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.10.014

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为指导华北地区设施甜瓜节水高效生产,以日光温室甜瓜为试材,控制灌水下限分别为田间持水量的90%(T1),75%(T2)和60%(T3),研究了膜下滴灌条件下不同灌水下限对甜瓜生长指标、水分利用效率的影响.结果表明:相对较低的土壤含水量促进根系发育、分生,有利于甜瓜叶面积、茎粗的增加,但株高对灌水下限的响应不明显(P=0.1).75%田间持水量灌水下限有利于提高甜瓜产量和品质.甜瓜根系主要水平分布在以植株为中心20 cm的范围内,垂向主要分布于0~40 cm土层内.各处理的水分利用效率从大到小依次为T3,T1,T2.制订了甜瓜高效灌溉制度,各主要生育期作物系数分别为1.81,1.61,2.21,2.19.

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农业水土工程

粉碎秸秆对冬小麦棵间蒸发的影响

郝志鹏^,,, 董勤各^,, 冯浩^,, 王自奎^,

2013, 31(10): 907-913. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.10.015

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利用秸秆粉碎还田配施化肥(S)和常规施肥(R)2种措施下的大田试验数据,对比分析了2种措施下冬小麦全生育期内棵间蒸发量的变化,棵间蒸发量占蒸发蒸腾量的比例与叶面积指数的关系以及土壤含水量与叶片含水量的关系.结果表明:S,R 2种措施下冬小麦全生育内的棵间蒸发量变化均呈现为“大—小—大—小—大”的“W”型变化规律,相比较R措施,S措施可有效抑制冬小麦棵间蒸发,全生育期内平均抑制蒸发率为9.96%,抑制蒸发率随着生育期变化,呈现出“高—低—高—低”的趋势.同时冬小麦全生育期内S措施下的叶面积指数均高于R措施下的,棵间蒸发量占蒸发蒸腾量的比例均小于R措施下的,可见,S措施有利于叶片生长,并可减小棵间蒸发量占蒸发蒸腾量的比例.冬小麦封行后,通过监测40~60 cm和60~80 cm土层的土壤含水量可反映S,R 2种措施下冬小麦的水分状况.

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农业水土工程

蓄水坑灌条件下复水对水氮运移规律的影响

尹燕喆, 马娟娟, 孙西欢, 郭向红

2013, 31(10): 914-920. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.10.016

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为了明确灌后复水(降水)对土壤中水氮分布的影响以及选择合理的灌施方式,通过室内模型试验,研究了在蓄水多坑肥灌条件下不同降水量(30.624,37.334,43.56 mm)所对应单坑不同复水量(140.1,228.7,400.5 mm)和不同复水时间(灌后1,5,10 d)对土壤水氮运移的影响.研究结果表明: 复水后土壤含水率增大,复水量为228.7 mm及以上时,30~80 cm深度范围内土壤含水率均达到田间持水率的80%以上,且复水量越大或复水时间间隔越短,复水后水分分布越均匀;硝态氮在湿润锋处积累明显,复水后坑壁附近土壤硝态氮质量浓度降低,硝态氮质量浓度峰值向远处推进,复水量越大或复水时间间隔越短,硝态氮推进越远且向深处迁移越明显;复水后铵态氮质量分数在近坑处降低,在距坑较远处增加,但变化幅度均不大,复水量越大,或复水时间间隔越短,对铵态氮质量浓度影响越大,复水后土壤铵态氮分布越均匀.

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