混流式核主泵内流动结构与压力脉动特性关联分析

核主泵内的流动不稳定将会引起严重振动,不利于其安全稳定运行。因此本文基于大涡模拟(LES)数值计算方法对几个典型工况下核主泵内部非稳态流动结构及其压力脉动特性进行全面阐述与关联性分析。研究表明,随着流量的增加,动静干涉作用在导叶出口处逐渐增加;偏工况条件下,导叶出口处压力脉动频谱低频段中均出现复杂激励频率,尤其是靠近出液管附近的导叶出口处。核主泵在偏大流量工况下运行时壳体右侧内部非稳态流动结构相较于壳体左侧更加复杂;在偏小流量工况下运行时壳体底部压力脉动更加剧烈。本文进一步详细描述了核主泵球形壳体内强涡量区的流动结构及其成因,并且发现测点处的压力频谱与涡量频谱有相同的主要激励频率,因此证明核主泵内非定常旋涡流动结构是激励压力脉动的主因之一。     

径向导叶对混流式核主泵水力性能的影响

基于三维不可压缩流体的N-S方程和RNG k-ε湍流模型,采用流体计算软件ANSYS-Fluent对设计工况下,不同导叶数及导叶进口边位置的混流式核主泵水力模型的三维湍流流场进行了数值模拟,研究了导叶进口边位置及导叶数对混流式核主泵模型水力性能的影响。计算结果表明:随着导叶数的增加,当导叶数为奇数时,泵的计算扬程和水力效率值都有所增大,且水力效率值增大的趋势在减小;导叶数为偶数时,泵的计算扬程和水力效率值先减小后增大,在导叶数为16片时,泵的计算扬程和水力效率值最小。随着导叶进口边与叶轮出口边夹角θ的增大,泵的计算扬程和水力效率值先增大后减小,当θ=14°时,模型泵的水力性能最好。研究结果可用来了解混流式核主泵水力模型的内部流场特征,并为其高效水力模型优化设计提供有益参考。     

部分流泵整机非定常流动数值模拟

本文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模拟,分别分析了叶轮、蜗壳内的非定常流动规律。计算表明,部分流泵内流的非定常特性极其强烈,只有采用非定常计算方法才能反映其内流的实质。本文的计算为进一步研究部分流泵的内流现象、提高效率、减少水利损失提供了一定的理论依据。     

离心压气机非定常流动频域特性

以涡轮增压器56 mm离心压气机为研究对象,采用定常流动求解方法,对其三种不同转速下的工作特性进行了预测并与实验进行了对比分析;应用相延迟方法,对高转速近失速点工况下压气机内部的三维非定常流动进行了数值模拟及频谱分析,对叶轮流道、无叶扩压器以及蜗壳内的流动频谱特性进行了初步分析.频域分析表明,对于本文所研究的离心压气机,非定常脉动特性主要表现在叶轮流道中,是诱发压气机气动噪声的主要因素,而在蜗壳内,非定常脉动特性显著减弱.     

采用FFT-POD的非定常流动控制频谱和能谱特性研究

对数值模拟的不同频率下非定常激励的扩压通道流场采用POD方法分析,对取得的各级模态系数进行频谱分析,对不同变量的能谱进行对比分析,研究非定常激励对流场的控制机理。分析表明:非定常信号能够强制与流场发生共振作用,低阶模态共振作用较强,随之会出现衰减现象;同时流场的"固有频率"不会被改变,只会暂时抑制或加强,流场中的"保护"机制同样如此;动能谱显示非定常激励使流场中代表大涡的2、3阶动能份额增大,同时也增大了流场的第一阶模态拟涡能份额,从而使流场小尺度脉动能量和平直流动能减少。     

基于近似模型核主泵模型泵水力模型优化设计

基于多学科优化软件Isight和计算流体力学软件NUMECA的平台,对试验设计、近似模型和优化算法相结合的优化策略进行集成,并通过程序语言Python进行界面开发,搭建了适用于核主泵水力模型的自动优化设计平台。利用该平台,以课题组自主设计的水力性能优良的核主泵模型泵作为研究对象,以CFD计算结果为基础,建立了反映设计变量与目标函数之间关系的近似模型,对核主泵叶轮几何形状及其与导叶入口距离之间的交互效应进行研究;并采用多岛遗传算法进行优化,获得了水力性能更加优良的水力模型。结果证明了初步构建的核主泵集成优化平台的实用性与采用优化策略针对过流部件进行优化的可行性与合理性。     

壁面结构对非定常薄膜流动表面波特性的影响

采用VOF方法,在入口处引入周期扰动,对沿矩形结构底板下落的二维非定常薄膜流动进行直接数值模拟.计算结果表明,不同频率的外加周期扰动在流场中激发出不同波长的自由表面波.当壁面结构的波长与之相比较小时,由于壁面结构引起的静态波骑行在外加扰动形成的行进波上.若这两个波长相近,非线性效应将促进附近的表面波之间的合并.当薄膜无...     

基于DEM-CFD耦合的泵内颗粒流动特性研究

随着我国加快深海、深地资源的开发力度,对此类应用环境下的液体提升泵的可靠性提出了更高的要求。而泵内固体颗粒引起的磨损破坏是其中一个严重问题。本文基于DEM-CFD耦合方法,针对自开发的两级混流泵研究了颗粒在泵内部与流体相互作用下的流动特性和对泵的磨损规律,并基于该泵分析了不同颗粒形状、颗粒浓度下的运动特性和泵磨损分布,发现颗粒主要沿着叶轮工作面以及导叶凹面运动,且随着浓度增加,磨损速率会逐渐达到一个饱和值。本文分析探讨了颗粒在泵内的流动特性、颗粒与叶轮导叶发生碰撞的形式及磨损严重区域,对设计抗磨损多级混流泵提供了理论支撑。     

用于非定常流动的谐波平衡方法研究

在课题组自行开发的结构化有限体积代码上实现了用于非定常流动计算的谐波平衡方法,采用作者发展的Block-Jacobi Rnnge-Kutta/Implicit方法求解谐波平衡方法,将其应用于单级轴流压气机的非定常计算,并将谐波平衡方法的计算结果与时间推进方法进行了对比。结果表明,谐波平衡方法能够较好地预测多排叶轮机械中的非定常流动,计算中取较少的谐波数即可达到较高精度,与时间推进方法相比计算量显著减少。     

非设计工况下叶栅分离流动的非定常特性

本文针对非设计工况下叶栅的分离流动进行研究。基于任意曲线坐标下的N-S方程,对不同攻角下单排叶栅的流动分离情况进行数值分析。计算结果表明,在零攻角和较小的负攻角情况下,流动基本呈现定常流动的特性。在正攻角情况下,特别是随着正攻角的加大,流动呈现明显的非定常流动特性,如大分离和涡的脱落现象等。     

串列式叶栅扩压器非定常流动研究

采用数值模拟方法,对串列式叶栅扩压器中的非定常流动进行了研究。结果表明,带串列式叶栅扩压器的离心压气机内部流动是以强非定常的三维黏性主流和缝隙流动为主要特征,串列式叶栅扩压器内部流动存在明显的非定常性,压力脉动的传播在前排叶栅通道内衰减很快。扩压器前排叶片通道内压力脉动的主频为叶轮叶片通过频率。后排叶片前缘附近压力脉动的主频变为0.5倍叶频。串列式叶栅扩压器进口的压力脉动主要受到叶轮的激励作用;串列叶栅间隙处,随主流输运而来的叶轮尾迹与缝隙流、前排叶片尾迹相互干扰与叠加,成为后排叶片前缘压力脉动新的激励。相比于近叶根、叶尖处,前排叶片前缘中间叶高处的压力脉动受到叶轮主流和分流叶片尾迹的激励作用更强烈。     

旋转离心叶轮内部非定常流动实验研究

利用激光成像速度仪(PIV)测量了旋转离心叶轮内部的非定常流场,获得了旋转离心叶轮内部相对速度的非定常流场分布。详细分析了叶轮内部非定常流动现象和流动规律。通过实验研究发现旋转离心叶轮内部的流动是非定常,在叶轮出口处,叶片的吸力面与轮盖的夹角区存在一个低速区,并观察到了明显的射流/尾迹结构。射流区和尾流区的大小和范围在沿盘盖方向和跨叶片方向上是不同的。射流区和尾流区之间不存在明显的分界线。     

非定常流动的隐式间断Galerkin方法研究

为了增加间断Galerkin(Discontinuous Galerkin,DG)方法在非定常流动中的求解效率,本文开展了非定常流动的隐式DG方法研究。隐式DG方法的构造采用二阶向后差分格式(BDF2)进行时间项离散,非线性代数系统的求解基于Newton迭代法,采用块对称Gauss-Seidel(SGS)迭代法对线性方程组进行了求解。基于所发展的非定常流动的隐式DG方法,分别对等熵圆柱扰流和卡门涡街(Re=100)现象进行了数值模拟。研究结果表明,所发展的隐式DG方法能够达到设计精度,能够在高出显式方法两个数量级的时间步长上保持稳定,具有高的求解效率,且计算结果与显式方法和相关文献均吻合较好。     

非设计工况下动静叶相互干扰的非定常流动特性

本文对非设计工况下动静叶栅相互干扰的非定常流动特性进行数值研究。非设计工况主要考虑大攻角下的分离 流动,动静叶干扰的非定常流动的数值求解在N—S方程的基础上采用分区计算的方法来完成。数值分析结果揭示了在分 离流动本身的非定常特性与动静叶栅相互干扰的非定常特性的双重影响下的流场情况。     

波转子内部非定常流动分析

为进一步了解波转子内部流动机理,本文利用数值方法分析了径流与轴流波转子内部流动,得出以下结论:模拟的流场特征与设计要求相符.计算结果充分显示了波转子内不同能量密度的气体实现能量交换的过程,同时也显示了端口非瞬时开放等非定常过程的影响.     

旋流排气管的一维非定常流动计算

动力机械装置中广泛存在着非定常旋流流动现象．本文根据质量、动量、能量和旋流动量矩守恒方程，建立了管内非定常旋流流动的一维计算模型，并应用特征线方法推导出了其数值计算格式，是管内非定常一维流动计算的扩展．应用于一台四缸涡轮增压柴油机旋流排气管的计算，通过与实测压力波的比较，表明计算模型有较好的计算精度．     

贯流风扇偏心涡非定常特性研究

本文应用大涡模拟计算并描述了贯流风扇内部旋涡流动的非定常变化细节.研究结果表明,贯流风扇叶片绕流流态复杂,吸力面存在分离流动,叶片出口形成明显的尾迹区.在蜗舌一侧存在偏心涡,由核心区域和外围区域组成.其中偏心涡的核心区域由两至二三个叶道内气流在内径处分离产生的旋涡团组成,在流动过程中涡量由上游的脱落涡得到补充.偏心涡的外围区域由蜗舌附近回流的旋涡团组成,引起蜗舌表而压力脉动,产生干涉噪声.干涉噪声频谱在低频带上具有较大声压级,最大声压级处的频率和叶轮出口侧叶道的脱落涡频率相关.     

船舶进气系统进气特性的非定常研究

本文采用三维非定常数值模拟的方法,对某船舶进气系统整体气路进行求解。研究中考虑进气室冷却进气系统、燃烧进气系统、进气蜗壳等结构,以及百叶窗、空气净化装置、消音器等结构的阻力影响,并在定常条件下验证了阻力模拟的准确性。随后,重点研究了外界条件变化对前后进气室压差及蜗壳出口流场的影响,得出了前后压差随测点位置和外界条件的变化规律。     

离心泵停机过程非定常流动的数值模拟

为解决离心泵停机过程数值模拟时施加边界条件的困难,建立了一个包含离心泵在内的封闭循环管路系统从而实现自耦合求解。结果显示:停机过程中流量下降历程滞后于转速下降历程,而扬程下降则较为迅速;液流角或叶片冲角的持续改变是内部流动出现持续变化的直接原因;动静干涉效应使得稳定运行工况下的流量呈现微小波动特征,而非恒定值;停机过程表现出明显的瞬态效应,准稳态假设无法适用于停机过程精确瞬态行为预测。借助于CFD技术初步揭示了离心泵停机过程中的瞬态特性,为其它叶轮机械的瞬态行为研究提供了很好的借鉴与参考。