核電站三級(jí)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和壓力速度耦合的simplec算法,轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域應(yīng)用多重參考系模型,對(duì)某混流式水輪機(jī)全流道進(jìn)行了三維定?？栈牧鲾?shù)值模擬。利用ansysfluent,獲得了該水輪機(jī)在偏工況下轉(zhuǎn)輪葉道和尾水管內(nèi)空泡相的主要流動(dòng)特征,分析了水輪機(jī)流道內(nèi)空化發(fā)生的部位與程度。計(jì)算結(jié)果表明與單相流體模型相比該方法能有效地預(yù)測(cè)水輪機(jī)內(nèi)的三維空化湍流場(chǎng),可以較好地模擬水輪機(jī)內(nèi)真實(shí)的有空化發(fā)生的多相流動(dòng)情況。

運(yùn)用cfx流動(dòng)軟件的滑移網(wǎng)格和標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型對(duì)工業(yè)中常用的dl型多級(jí)沖壓離心泵整級(jí)進(jìn)行了全三維瞬態(tài)流場(chǎng)的數(shù)值模擬,分析泵內(nèi)葉輪與導(dǎo)葉間的動(dòng)靜干擾問題?；凭W(wǎng)格分別設(shè)置在多級(jí)離心泵葉輪出口、固定導(dǎo)葉入口與泵內(nèi)流體之間的交互界面,對(duì)每個(gè)時(shí)間步求解流動(dòng)方程。在任一個(gè)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(dòng)信號(hào)頻率與葉輪葉片數(shù)的關(guān)系。分析了葉輪入口和出口處總壓波動(dòng)的幅度。該三維非穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果為多級(jí)沖壓離心泵的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)規(guī)律,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程紊流模型和壓強(qiáng)連接的隱式修正simplec算法,對(duì)潛水軸流泵全流道進(jìn)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(yīng)的改進(jìn)建議.

為了提升潛水軸流泵的性能,研究其內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律,采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε雙方程湍流模型和壓強(qiáng)連接的隱式修正simplec算法對(duì)國產(chǎn)zq2870c-4潛水軸流泵全流道進(jìn)行了cfd分析,得出流道內(nèi)葉片、導(dǎo)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(shè)計(jì)存在的不足,應(yīng)對(duì)葉片、導(dǎo)葉型線以及導(dǎo)葉部分軸面流道形狀進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整.根據(jù)泵進(jìn)出口速度、壓力分布規(guī)律,預(yù)測(cè)了泵的能量特性曲線,實(shí)驗(yàn)表明:預(yù)測(cè)的結(jié)果較為理想,但在偏離設(shè)計(jì)工況下的湍流模型還需要做進(jìn)一步的研究.

利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型,采用vof法追蹤自由水面,應(yīng)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(jìn)行網(wǎng)格加密,模擬計(jì)算了七孔溢洪道流場(chǎng)的三維水力特性,得到了設(shè)計(jì)工況的泄流能力、水面曲線、速度場(chǎng)。通過物理模型試驗(yàn)驗(yàn)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(chǎng),了解前置導(dǎo)葉調(diào)節(jié)工況的基本規(guī)律,以改善混流泵在非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)的水力性能。在葉輪葉片進(jìn)口部位讀取液流流入葉輪時(shí)絕對(duì)液流角、相對(duì)液流角、和絕對(duì)速度圓周分量的值,分析其隨前置導(dǎo)葉安放角改變而變化的規(guī)律。結(jié)果表明,葉輪進(jìn)口絕對(duì)液流角小于前置導(dǎo)葉安放角,流量越小相差的幅度越大;大流量工況下進(jìn)口預(yù)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(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)使得葉輪進(jìn)口液流滿足無沖擊進(jìn)口或者較小沖角進(jìn)口條件,可有效地改善混流泵在非設(shè)計(jì)工況的水力性能。

使用fluent軟件模擬計(jì)算具有長(zhǎng)短葉片葉輪的離心泵的全三維流場(chǎng)。選用多重參考坐標(biāo)系及標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,計(jì)算對(duì)包括導(dǎo)入管、葉輪、泵殼及出水管在內(nèi)的整個(gè)離心泵系統(tǒng)。計(jì)算結(jié)果表明,在大部分長(zhǎng)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(dòng)參數(shù)的分布表現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱性,流動(dòng)參數(shù)的大小與葉輪、泵殼的相對(duì)位置密切相關(guān)。將泵性能的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值作了對(duì)比,以驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文使用fluent軟件選用多重參考坐標(biāo)系及標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型,模擬計(jì)算具有長(zhǎng)短葉片葉輪的離心泵的全三維流場(chǎng),計(jì)算包括吸入管、葉輪、泵殼及出水管在內(nèi)的整個(gè)離心泵系統(tǒng)。計(jì)算結(jié)果顯示,在葉輪的大部分長(zhǎng)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(dòng)參數(shù)的分布表現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱性,流動(dòng)參數(shù)的數(shù)值大小與葉輪、泵殼的相對(duì)位置密切相關(guān)。本文還將泵性能的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值作了對(duì)比以驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。

選取工業(yè)中常用的df型多級(jí)離心泵作為研究對(duì)象,數(shù)值計(jì)算使用了fluent軟件及其rngk-ε湍流模型和多重參考坐標(biāo)系,實(shí)現(xiàn)了節(jié)段式多級(jí)離心泵任意一整級(jí)(包括葉輪導(dǎo)葉在內(nèi))的全三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示在葉輪出口與導(dǎo)葉入口銜接處,葉輪出流因受到導(dǎo)葉葉片頭部的阻擋干擾,導(dǎo)致局部流體逆葉輪旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)。液流的靜壓值在正導(dǎo)葉出口附近達(dá)到泵級(jí)內(nèi)最大值,進(jìn)入反導(dǎo)葉后因沿程出現(xiàn)的水力損失靜壓值略有降低。計(jì)算結(jié)果得到了泵外特性實(shí)測(cè)值的驗(yàn)證。

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

潛水?dāng)嚢铏C(jī)是污水處理的專用設(shè)備,目前對(duì)該攪拌器的檢驗(yàn)、性能比較、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的研究,采用的是試驗(yàn)的方法,而應(yīng)用數(shù)值模擬軟件優(yōu)化潛水?dāng)嚢璧难芯亢苌?。?yīng)用cfd軟件,利用多重參考系法(mrf),對(duì)潛水?dāng)嚢铏C(jī)的三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,分析并研究了潛水?dāng)嚢铏C(jī)的流態(tài)特性,計(jì)算了湍流狀態(tài)下潛水?dāng)嚢铏C(jī)的功率準(zhǔn)數(shù),并得到了功率曲線,為潛水?dāng)嚢铏C(jī)的實(shí)際工程應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

利用cfd軟件fluent對(duì)多級(jí)導(dǎo)葉式清水離心泵的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出了葉輪及導(dǎo)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(jìn)口回流,出口的二次流動(dòng)特征等葉輪內(nèi)部流動(dòng)的細(xì)節(jié),導(dǎo)葉出口區(qū)產(chǎn)生了一個(gè)低壓區(qū)等流動(dòng)特征。然后根據(jù)自編計(jì)算軟件利用計(jì)算得到的速度場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算出泵的揚(yáng)程、功率、效率和流量之間的關(guān)系曲線,并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明:在設(shè)計(jì)工況附近,預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值吻合較好,在其它工況點(diǎn),特別是小流量工況點(diǎn),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(duì)緬甸dapein水電站表孔溢流壩的水流流動(dòng)進(jìn)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(yàn)實(shí)測(cè)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(shè)計(jì)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(jì)算流體力學(xué)方法(cfd)對(duì)其內(nèi)部復(fù)雜的三維流場(chǎng)進(jìn)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(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分.通過求解rans方程對(duì)主冷卻劑泵內(nèi)部三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值求解,湍流流動(dòng)采用sst模型進(jìn)行模擬.計(jì)算得到該泵在高、低設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)的揚(yáng)程、功率和效率等性能參數(shù).計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)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(fù)雜的主冷卻劑泵內(nèi)部流動(dòng)是可行的.

為揭示高比轉(zhuǎn)速混流泵的內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律,應(yīng)用商用軟件fluent對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬中以雷諾平均n-s方程為流動(dòng)控制方程,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε二方程模型作為修正方程,對(duì)于壓力和速度耦合關(guān)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(jìn)口距離輪緣較近處存在明顯的負(fù)壓區(qū),葉輪與導(dǎo)葉體之間存在明顯的動(dòng)靜干擾,葉輪進(jìn)口處存在輕微的流動(dòng)沖擊,但是并沒有影響流體的整體流動(dòng)。通過分析,揭示了高比轉(zhuǎn)速混流泵內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律,為其性能改進(jìn)提供了依據(jù)。

針對(duì)典型的簸箕型進(jìn)水流道,應(yīng)用紊流模型對(duì)流道內(nèi)部流態(tài)及水泵吸水管各斷面流速分布進(jìn)行了數(shù)值模擬,計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況。數(shù)值計(jì)算揭示了簸箕型進(jìn)水流道內(nèi)流動(dòng)規(guī)律,進(jìn)水流道吸水管下方存在奇點(diǎn),如相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)不當(dāng)易產(chǎn)生漩渦。根據(jù)計(jì)算分析,提出大型泵道簸箕型控制參數(shù),對(duì)于工程設(shè)計(jì)有重要參考價(jià)值

通過建立基于rng湍流模型的三維數(shù)值模型,對(duì)某循環(huán)水泵房前池和流道進(jìn)行了數(shù)值模擬,重點(diǎn)對(duì)穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)的水力特性進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明:正常運(yùn)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(yùn)行。但在最低運(yùn)行水位下,吸水池內(nèi)渦量較大,為此提出了設(shè)置消渦胸墻的優(yōu)化方案。兩臺(tái)水泵同時(shí)事故停泵時(shí),會(huì)造成循環(huán)水泵房的暫時(shí)性溢流,可將泵房?jī)?nèi)人孔移至泵房外且運(yùn)行水位降低0.30m;兩臺(tái)水泵同時(shí)啟動(dòng)時(shí),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(yùn)行要求。

為了研究動(dòng)靜干涉對(duì)混流泵內(nèi)部流動(dòng)非定常壓力脈動(dòng)特性的影響,在混流泵進(jìn)口截面、動(dòng)靜耦合面以及出口截面取若干壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn),采用rngk-ε湍流模型和滑移網(wǎng)格技術(shù),對(duì)混流泵全流場(chǎng)進(jìn)行三維非定常湍流計(jì)算.計(jì)算了葉輪進(jìn)口截面、動(dòng)靜耦合面以及出口截面的壓力脈動(dòng),利用快速傅里葉變換進(jìn)行分析,得到了不同特征截面的壓力脈動(dòng)的頻率和幅值,并進(jìn)行外特性試驗(yàn)驗(yàn)證.結(jié)果表明:從輪轂到輪緣,壓力脈動(dòng)最大幅值發(fā)生在葉輪出口輪緣側(cè),而壓力脈動(dòng)最小幅值出現(xiàn)在葉片進(jìn)口輪轂側(cè),葉輪進(jìn)口和葉輪導(dǎo)葉間輪緣處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的幅值約為輪轂處監(jiān)測(cè)點(diǎn)幅值的2倍;從葉輪進(jìn)口到導(dǎo)葉出口位置,壓力脈動(dòng)呈現(xiàn)出逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì).壓力脈動(dòng)最大值發(fā)生在導(dǎo)葉出口監(jiān)測(cè)點(diǎn),且存在一個(gè)低頻壓力脈動(dòng);在60%～85%設(shè)計(jì)流量工況范圍內(nèi),揚(yáng)程-流量特性曲線出現(xiàn)正斜率不穩(wěn)定特性,數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果存在一定差異.

基于reynolds時(shí)均化的n-s方程和標(biāo)準(zhǔn)的k-ε兩方程湍流模型,運(yùn)用流場(chǎng)計(jì)算軟件fluent,在不同工況下對(duì)qw950-15-55型雙流道污水泵葉輪蝸殼耦合流場(chǎng)進(jìn)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(jì)算結(jié)果,主要分析了設(shè)計(jì)工況時(shí)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(shè)計(jì)的大流量工況,葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性;葉輪內(nèi)部流動(dòng)為混合螺旋流,由軸向旋渦作用引發(fā)的相對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的;靜壓周向分布的軸向不對(duì)稱性較小,而速度周向分布的不對(duì)稱性則較大。對(duì)比試驗(yàn)與數(shù)值模擬的揚(yáng)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(diǎn)結(jié)合通航水流條件研究特性,建立三維河道數(shù)學(xué)模型,對(duì)某水電站支流改道工程對(duì)下游通航水流條件影響進(jìn)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(duì)下游航道的影響范圍有限,僅對(duì)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(duì)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(shè)計(jì)在支流出口處加設(shè)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(dòng)規(guī)律,采用rngk-ε方程湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)simple算法對(duì)某一扭曲葉片雙吸離心泵全流道進(jìn)行了cfd分析,并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較。結(jié)果表明,該方法能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出雙吸離心泵葉輪與蝸殼間及內(nèi)部的流動(dòng)特性,所得結(jié)果對(duì)進(jìn)行雙吸離心泵的水力設(shè)計(jì)或改型優(yōu)化設(shè)計(jì)等研究具有重要的指導(dǎo)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(biāo)系中對(duì)離心式污水泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出了污水泵內(nèi)固體顆粒的流動(dòng)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(shè)計(jì)提供理論參考。