核電站三級循環(huán)混流泵的三維湍流數(shù)值模擬

基于歐拉–歐拉方法中均勻多相流假設的混合兩相流體無滑移模型,加入考慮氣穴影響的schnerrandsauer空化模型,采用標準k-ε湍流模型和壓力速度耦合的simplec算法,轉(zhuǎn)動區(qū)域應用多重參考系模型,對某混流式水輪機全流道進行了三維定?？栈牧鲾?shù)值模擬。利用ansysfluent,獲得了該水輪機在偏工況下轉(zhuǎn)輪葉道和尾水管內(nèi)空泡相的主要流動特征,分析了水輪機流道內(nèi)空化發(fā)生的部位與程度。計算結(jié)果表明與單相流體模型相比該方法能有效地預測水輪機內(nèi)的三維空化湍流場,可以較好地模擬水輪機內(nèi)真實的有空化發(fā)生的多相流動情況。

運用cfx流動軟件的滑移網(wǎng)格和標準的k-ε湍流模型對工業(yè)中常用的dl型多級沖壓離心泵整級進行了全三維瞬態(tài)流場的數(shù)值模擬,分析泵內(nèi)葉輪與導葉間的動靜干擾問題。滑移網(wǎng)格分別設置在多級離心泵葉輪出口、固定導葉入口與泵內(nèi)流體之間的交互界面,對每個時間步求解流動方程。在任一個葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),分析葉輪入口和出口的總壓值出現(xiàn)脈動信號頻率與葉輪葉片數(shù)的關系。分析了葉輪入口和出口處總壓波動的幅度。該三維非穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果為多級沖壓離心泵的水力優(yōu)化設計提供了依據(jù)。

為了提升潛水軸流泵的性能,了解其內(nèi)部流動規(guī)律,采用標準k-ε雙方程紊流模型和壓強連接的隱式修正simplec算法,對潛水軸流泵全流道進行了cfd分析.得出了流道內(nèi)各速度矢量、壓力分布規(guī)律,并提出相應的改進建議.

為了提升潛水軸流泵的性能,研究其內(nèi)部流動規(guī)律,采用標準κ-ε雙方程湍流模型和壓強連接的隱式修正simplec算法對國產(chǎn)zq2870c-4潛水軸流泵全流道進行了cfd分析,得出流道內(nèi)葉片、導葉表面速度、壓力分布規(guī)律,依此分布規(guī)律指出了該泵軸面流道及葉片設計存在的不足,應對葉片、導葉型線以及導葉部分軸面流道形狀進行適當?shù)恼{(diào)整.根據(jù)泵進出口速度、壓力分布規(guī)律,預測了泵的能量特性曲線,實驗表明:預測的結(jié)果較為理想,但在偏離設計工況下的湍流模型還需要做進一步的研究.

利用標準k-ε雙方程湍流模型,采用vof法追蹤自由水面,應用瞬態(tài)piso算法求解壓力速度耦合的方法,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并在溢流壩頂進行網(wǎng)格加密,模擬計算了七孔溢洪道流場的三維水力特性,得到了設計工況的泄流能力、水面曲線、速度場。通過物理模型試驗驗證,兩者結(jié)果吻合較好。

利用有限元分析軟件數(shù)值求解不同工況下混流泵的內(nèi)部流場,了解前置導葉調(diào)節(jié)工況的基本規(guī)律,以改善混流泵在非設計工況運行時的水力性能。在葉輪葉片進口部位讀取液流流入葉輪時絕對液流角、相對液流角、和絕對速度圓周分量的值,分析其隨前置導葉安放角改變而變化的規(guī)律。結(jié)果表明,葉輪進口絕對液流角小于前置導葉安放角,流量越小相差的幅度越大;大流量工況下進口預旋調(diào)節(jié)的效果比小流量工況更為明顯;在一定流量范圍內(nèi),通過進口導葉調(diào)節(jié)使得葉輪進口液流滿足無沖擊進口或者較小沖角進口條件,可有效地改善混流泵在非設計工況的水力性能。

使用fluent軟件模擬計算具有長短葉片葉輪的離心泵的全三維流場。選用多重參考坐標系及標準k-ε湍流模型,計算對包括導入管、葉輪、泵殼及出水管在內(nèi)的整個離心泵系統(tǒng)。計算結(jié)果表明,在大部分長短葉片的通道內(nèi),射流區(qū)偏向于葉片背面,尾跡區(qū)則位于葉片工作面出口附近。泵葉輪各通道的流量、流速及壓力等流動參數(shù)的分布表現(xiàn)出明顯的非對稱性,流動參數(shù)的大小與葉輪、泵殼的相對位置密切相關。將泵性能的預測值與實測值作了對比,以驗證計算結(jié)果的準確性。

本文使用fluent軟件選用多重參考坐標系及標準κ-ε湍流模型,模擬計算具有長短葉片葉輪的離心泵的全三維流場,計算包括吸入管、葉輪、泵殼及出水管在內(nèi)的整個離心泵系統(tǒng)。計算結(jié)果顯示,在葉輪的大部分長短葉片的通道內(nèi),射流區(qū)偏向于葉片背面,尾跡區(qū)則位于葉片工作面出口附近。泵葉輪各通道的流量、流速及壓力等流動參數(shù)的分布表現(xiàn)出明顯的非對稱性,流動參數(shù)的數(shù)值大小與葉輪、泵殼的相對位置密切相關。本文還將泵性能的預測值與實測值作了對比以驗證計算結(jié)果。

選取工業(yè)中常用的df型多級離心泵作為研究對象,數(shù)值計算使用了fluent軟件及其rngk-ε湍流模型和多重參考坐標系,實現(xiàn)了節(jié)段式多級離心泵任意一整級(包括葉輪導葉在內(nèi))的全三維流場的數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示在葉輪出口與導葉入口銜接處,葉輪出流因受到導葉葉片頭部的阻擋干擾,導致局部流體逆葉輪旋轉(zhuǎn)方向運動。液流的靜壓值在正導葉出口附近達到泵級內(nèi)最大值,進入反導葉后因沿程出現(xiàn)的水力損失靜壓值略有降低。計算結(jié)果得到了泵外特性實測值的驗證。

為了防止和消除雙向流道泵裝置進水流道內(nèi)的漩渦和渦帶,確保水泵機組的安全運行,在雙向進水流道底部泵進口下方加設曲線導流墩。通過cfd軟件對設導流墩的雙向流道泵裝置內(nèi)部流動進行數(shù)值模擬,獲得泵裝置內(nèi)部的三維流動速度場,并預測了泵裝置的性能。結(jié)合模型泵裝置試驗的內(nèi)外特性,著重研究了雙向進水流道的出口流速分布及其對泵裝置性能的影響。計算結(jié)果表明加設導流墩的雙向進水流道出口斷面流速分布較為均勻,流速均勻度達到93%,滿足水泵運行的需要;裝置性能良好,最優(yōu)工況點的裝置效率為68.89%。模型試驗觀測顯示導流墩的設置有效地防止水泵進口下方渦帶的產(chǎn)生,在各種試驗工況下進水流道內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)渦帶,水泵運轉(zhuǎn)平穩(wěn)無振動,可保證機組安全可靠運行。比較進水流道出口流速分布的計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果,二者在總體結(jié)構(gòu)上相近,數(shù)值模擬對泵裝置性能預測結(jié)果在最優(yōu)工況點與試驗結(jié)果基本吻合。

潛水攪拌機是污水處理的專用設備,目前對該攪拌器的檢驗、性能比較、優(yōu)化設計等方面的研究,采用的是試驗的方法,而應用數(shù)值模擬軟件優(yōu)化潛水攪拌的研究很少。應用cfd軟件,利用多重參考系法(mrf),對潛水攪拌機的三維流場進行了數(shù)值模擬計算,分析并研究了潛水攪拌機的流態(tài)特性,計算了湍流狀態(tài)下潛水攪拌機的功率準數(shù),并得到了功率曲線,為潛水攪拌機的實際工程應用提供了參考依據(jù)。

利用cfd軟件fluent對多級導葉式清水離心泵的內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬,得出了葉輪及導葉內(nèi)部流道的速度和壓力分布規(guī)律,并發(fā)現(xiàn)了葉輪進口回流,出口的二次流動特征等葉輪內(nèi)部流動的細節(jié),導葉出口區(qū)產(chǎn)生了一個低壓區(qū)等流動特征。然后根據(jù)自編計算軟件利用計算得到的速度場數(shù)據(jù)計算出泵的揚程、功率、效率和流量之間的關系曲線,并與試驗數(shù)據(jù)進行了比較。結(jié)果表明:在設計工況附近,預測值與試驗值吻合較好,在其它工況點,特別是小流量工況點,誤差較大。

以k-ε湍流模型封閉reynods方程,采用vof法追蹤自由水面,對緬甸dapein水電站表孔溢流壩的水流流動進行了三維數(shù)值模擬。結(jié)果表明,溢流壩的泄流能力、水面線、壓力分布與流速分布等數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗實測結(jié)果吻合,數(shù)值模擬結(jié)果可信,選擇的紊流模型合理,求解方法可靠,可為工程設計提供全面、合理的參考。

為深入理解和分析高溫高壓工況條件下某主冷卻劑泵性能,采用計算流體力學方法(cfd)對其內(nèi)部復雜的三維流場進行了數(shù)值模擬與分析.建立了某主冷卻劑泵各部件幾何模型,并對其進行網(wǎng)格劃分.通過求解rans方程對主冷卻劑泵內(nèi)部三維流場進行數(shù)值求解,湍流流動采用sst模型進行模擬.計算得到該泵在高、低設計轉(zhuǎn)速時的揚程、功率和效率等性能參數(shù).計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相比較,誤差在4%以內(nèi).分析表明采用cfd方法模擬結(jié)構(gòu)復雜的主冷卻劑泵內(nèi)部流動是可行的.

為揭示高比轉(zhuǎn)速混流泵的內(nèi)部流動規(guī)律,應用商用軟件fluent對其進行數(shù)值模擬。模擬中以雷諾平均n-s方程為流動控制方程,采用標準k-ε二方程模型作為修正方程,對于壓力和速度耦合關系采用simple算法處理。分析了等環(huán)量流型高比轉(zhuǎn)速混流泵內(nèi)部的靜壓分布和速度分布,得出結(jié)論為:葉片進口距離輪緣較近處存在明顯的負壓區(qū),葉輪與導葉體之間存在明顯的動靜干擾,葉輪進口處存在輕微的流動沖擊,但是并沒有影響流體的整體流動。通過分析,揭示了高比轉(zhuǎn)速混流泵內(nèi)部流動規(guī)律,為其性能改進提供了依據(jù)。

針對典型的簸箕型進水流道,應用紊流模型對流道內(nèi)部流態(tài)及水泵吸水管各斷面流速分布進行了數(shù)值模擬,計算結(jié)果符合實際情況。數(shù)值計算揭示了簸箕型進水流道內(nèi)流動規(guī)律,進水流道吸水管下方存在奇點,如相關設計參數(shù)不當易產(chǎn)生漩渦。根據(jù)計算分析,提出大型泵道簸箕型控制參數(shù),對于工程設計有重要參考價值

通過建立基于rng湍流模型的三維數(shù)值模型,對某循環(huán)水泵房前池和流道進行了數(shù)值模擬,重點對穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)的水力特性進行了分析研究。結(jié)果表明:正常運行水位下,各工況的水泵喉部流速偏差均小于10%,能保證水泵安全穩(wěn)定地運行。但在最低運行水位下,吸水池內(nèi)渦量較大,為此提出了設置消渦胸墻的優(yōu)化方案。兩臺水泵同時事故停泵時,會造成循環(huán)水泵房的暫時性溢流,可將泵房內(nèi)人孔移至泵房外且運行水位降低0.30m;兩臺水泵同時啟動時,前池水位降低最大,但最小淹沒深度仍能滿足水泵的安全運行要求。

為了研究動靜干涉對混流泵內(nèi)部流動非定常壓力脈動特性的影響,在混流泵進口截面、動靜耦合面以及出口截面取若干壓力脈動監(jiān)測點,采用rngk-ε湍流模型和滑移網(wǎng)格技術(shù),對混流泵全流場進行三維非定常湍流計算.計算了葉輪進口截面、動靜耦合面以及出口截面的壓力脈動,利用快速傅里葉變換進行分析,得到了不同特征截面的壓力脈動的頻率和幅值,并進行外特性試驗驗證.結(jié)果表明:從輪轂到輪緣,壓力脈動最大幅值發(fā)生在葉輪出口輪緣側(cè),而壓力脈動最小幅值出現(xiàn)在葉片進口輪轂側(cè),葉輪進口和葉輪導葉間輪緣處監(jiān)測點的幅值約為輪轂處監(jiān)測點幅值的2倍;從葉輪進口到導葉出口位置,壓力脈動呈現(xiàn)出逐漸增強的趨勢.壓力脈動最大值發(fā)生在導葉出口監(jiān)測點,且存在一個低頻壓力脈動;在60%～85%設計流量工況范圍內(nèi),揚程-流量特性曲線出現(xiàn)正斜率不穩(wěn)定特性,數(shù)值計算與試驗結(jié)果存在一定差異.

基于reynolds時均化的n-s方程和標準的k-ε兩方程湍流模型,運用流場計算軟件fluent,在不同工況下對qw950-15-55型雙流道污水泵葉輪蝸殼耦合流場進行了數(shù)值模擬研究,捕捉到了雙流道葉輪內(nèi)流的重要特征。依據(jù)計算結(jié)果,主要分析了設計工況時雙流道葉輪內(nèi)部的速度和壓力分布情況。葉輪內(nèi)壓力分布與葉片式離心泵的數(shù)值模擬是類似的;在偏離設計的大流量工況,葉輪流道內(nèi)的流動呈現(xiàn)明顯的不對稱性;葉輪內(nèi)部流動為混合螺旋流,由軸向旋渦作用引發(fā)的相對速度旋渦的渦核位置靠近后蓋板和壓力側(cè);葉輪出口的壓力和絕對速度分布呈現(xiàn)明顯的周期性,其周期性與葉輪流道的周期性是對應的;靜壓周向分布的軸向不對稱性較小,而速度周向分布的不對稱性則較大。對比試驗與數(shù)值模擬的揚程和水力效率值,數(shù)據(jù)基本吻合。

本文根據(jù)支流改道工程河道水流的特點結(jié)合通航水流條件研究特性,建立三維河道數(shù)學模型,對某水電站支流改道工程對下游通航水流條件影響進行了數(shù)值模擬研究,研究成果表明:支流改道后,隧洞出口水流對下游航道的影響范圍有限,僅對出口附近局部區(qū)域內(nèi)水流存在一定影響,且其水位、流速、流向變化值較小,支流改道工程對下游引航道及其連接段的水流條件無明顯影響,由于數(shù)模中支流出口水流采用斷面流速不均勻系數(shù)來概化模擬隧洞出口水流,所以建議設計在支流出口處加設消力墩等措施使隧洞出流與主河道水流平順銜接,增加工程安全裕度。

為了提升雙吸離心泵的性能,研究其內(nèi)部流動規(guī)律,采用rngk-ε方程湍流模型和標準simple算法對某一扭曲葉片雙吸離心泵全流道進行了cfd分析,并與實驗值進行比較。結(jié)果表明,該方法能夠較為準確地預測出雙吸離心泵葉輪與蝸殼間及內(nèi)部的流動特性,所得結(jié)果對進行雙吸離心泵的水力設計或改型優(yōu)化設計等研究具有重要的指導意義。

采用simple算法、kε-ap模型和混合四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在笛卡爾坐標系中對離心式污水泵內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬,得出了污水泵內(nèi)固體顆粒的流動規(guī)律以及固體顆粒的分布特征,為離心式污水泵的優(yōu)化設計提供理論參考。