可逆式水泵水轮机转轮的三维反问题优化设计 被引量：16

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作者 王旭鹤 祝宝山 +1 位作者 曹树良 谭磊 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第13期78-85,共8页

与常规的水泵或水轮机转轮相比,可逆式水泵水轮机转轮要兼顾水泵和水轮机2种工况下的性能,设计要求高、难度大,且影响转轮性能的设计参数较多,很难通过设计-修正-试验的方法获得2种运行工况下性能均优的可逆式水泵水轮机转轮。针对这些... 与常规的水泵或水轮机转轮相比,可逆式水泵水轮机转轮要兼顾水泵和水轮机2种工况下的性能,设计要求高、难度大,且影响转轮性能的设计参数较多,很难通过设计-修正-试验的方法获得2种运行工况下性能均优的可逆式水泵水轮机转轮。针对这些困难,该文将三维反问题设计、CFD计算与多目标优化策略相结合,构建了可逆式水泵水轮机转轮的优化设计系统。该设计系统不仅可缩短转轮设计周期,且能对多个运行工况下的多个目标同时进行优化。利用该优化设计系统,以叶片载荷和叶片倾角为优化变量,以水泵设计工况点的转轮效率和水轮机额定工况点的转轮效率为优化目标,以水泵设计工况的扬程为约束,对某一抽水蓄能电站的水泵水轮机转轮进行了优化设计。结果表明利用该优化设计系统能够设计出在水泵和水轮机2种运行工况下转轮水力效率均高于95%的可逆式水泵水轮机转轮,其中水泵设计工况下转轮效率提高了0.15%,水轮机额定工况下转轮效率提高了2%,表明了该优化设计系统在提高可逆式水泵水轮机转轮性能方面的可行性和有效性。该研究可为水力机械,包括水泵水轮机、常规水轮机、水泵的设计开发提供参考。 展开更多

关键词 水泵 水轮机 多目标优化 三维反问题设计 转轮效率

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钟形进水流道吸水室后壁的优化设计 被引量：9

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作者 陶海坤 祝宝山 +1 位作者 曹树良 陆力 《江苏大学学报（自然科学版）》 EI CAS 北大核心 2007年第3期228-231,共4页

基于标准的k-ε双方程紊流模型,采用SIMPLEC算法,在贴体坐标系下,通过求解三维雷诺平均的Navier-Stokes方程,对不同后壁型线的钟形进水流道内部流动进行了大量数值模拟,并在流场数值模拟的基础上对钟形进水流道吸水室后壁进行优化水力设... 基于标准的k-ε双方程紊流模型,采用SIMPLEC算法,在贴体坐标系下,通过求解三维雷诺平均的Navier-Stokes方程,对不同后壁型线的钟形进水流道内部流动进行了大量数值模拟,并在流场数值模拟的基础上对钟形进水流道吸水室后壁进行优化水力设计,给出了圆弧形设计的一般准则:当钟形进水流道吸水室后壁圆弧型线的切线与进口水流方向的角度大约为90°时,流道速度场与出口断面流速均匀度最好,此时XT-XC≈0.5B(XT为后壁距,XC为确定后壁型线的参数,B为流道宽度).B给定时,若XT在许可范围内改变,则只要参数XC满足XT-XC≈0.5B,即可获得较好的后壁型线. 展开更多

关键词 进水流道 后壁 数值模拟 优化

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基于滤波器湍流模型的水翼空化数值模拟 被引量：10

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作者 谭磊 曹树良 《江苏大学学报（自然科学版）》 EI CAS 北大核心 2010年第6期683-686,共4页

采用界面捕获法,在均相流模型假设下,引入滤波函数修正了RNGk-ε湍流模型,基于正压流体假设的状态方程空化模型.采用SMPLEC算法,数值求解雷诺平均的Navier-Stokes方程,模拟了二维NACA66(Mod)翼型的定常、非定常空化流动.计算得到的翼型... 采用界面捕获法,在均相流模型假设下,引入滤波函数修正了RNGk-ε湍流模型,基于正压流体假设的状态方程空化模型.采用SMPLEC算法,数值求解雷诺平均的Navier-Stokes方程,模拟了二维NACA66(Mod)翼型的定常、非定常空化流动.计算得到的翼型表面压力分布与试验结果基本一致,较好地模拟了非定常空化云的初生、发展、断裂和脱落的周期性过程,非定常流动的斯特劳哈数与试验结果相吻合.给出了2个时刻的翼型表面速度矢量场,分析了空泡内部流动结构,结果发现翼型空泡尾部的反向射流是引起翼型表面局部压力升高,进而导致空泡发生断裂及空化云脱落的重要原因. 展开更多

关键词 空化模型 滤波器湍流模型 状态方程 反向射流 数值模拟

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中比转速离心泵叶轮的优化设计及数值模拟 被引量：17

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作者 谭磊 曹树良 《排灌机械工程学报》 EI 2010年第4期282-285,290,共5页

基于流体流动的连续方程和运动方程,通过两类相对流面的迭代计算,实现中比转速离心泵叶轮内准三维正问题的数值计算,得到了轴面速度分布.应用逐点积分法进行叶片骨线绘型,在轴面上加厚叶片,在保角变换平面上修圆叶片头部,实现了离心泵... 基于流体流动的连续方程和运动方程,通过两类相对流面的迭代计算,实现中比转速离心泵叶轮内准三维正问题的数值计算,得到了轴面速度分布.应用逐点积分法进行叶片骨线绘型,在轴面上加厚叶片,在保角变换平面上修圆叶片头部,实现了离心泵叶轮的反问题设计.正反问题进行迭代计算求解直至收敛,得到最终设计的叶轮.采用RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对离心泵叶轮内三维流场进行数值模拟,得到了叶轮内压力和速度分布.模拟结果表明设计得到的叶轮内部压力分布非常均匀,流动稳定无分离,叶轮出口能量分布合理,所设计的叶轮具有优越的水力性能. 展开更多

关键词 离心泵 叶轮 优化设计 数值模拟

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新型双向潮汐发电水轮机组性能优化设计 被引量：14

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作者 王正伟 杨校生 肖业祥 《排灌机械工程学报》 EI 2010年第5期417-421,共5页

根据江厦潮汐试验电站多年运行数据,分析了潮位与运行参数的关系及其变化规律.通过数值模拟分析了双向灯泡贯流式水轮机多工况运行的水力特性,并对原始设计水轮机的灯泡比、导叶安放角、导叶及转轮叶片翼型等进行了优化设计,综合多个设... 根据江厦潮汐试验电站多年运行数据,分析了潮位与运行参数的关系及其变化规律.通过数值模拟分析了双向灯泡贯流式水轮机多工况运行的水力特性,并对原始设计水轮机的灯泡比、导叶安放角、导叶及转轮叶片翼型等进行了优化设计,综合多个设计方案确定了优化后的水轮机整体流道尺寸.对优化设计的机组还进行了模型机组模型验收试验.研究成果直接应用于江厦潮汐试验电站6号机组中,真机的实际运行表明新型水轮机组可实现正反向发电、抽水和泄水等6种工况下的安全稳定运行,正、反向发电效率较潮汐电站中运行的其他机组均提高了6%以上,综合性能得到了提高. 展开更多

关键词 潮汐电站 正反向运行 发电与抽水 优化设计 水力特性

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遗传算法的改进及其在流体机械领域的应用 被引量：6

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作者 陶海坤 谭磊 曹树良 《排灌机械工程学报》 EI 2010年第5期428-433,共6页

对遗传算法流程进行了多方面的改进,形成了可以称为'基于排序的轮盘赌、选优策略、启发式交叉、自适应非均匀性变异、跨世代精英选择、小生境策略'的遗传算法.该算法弥补了基本遗传算法容易产生早熟现象而得到局部最优解的局限... 对遗传算法流程进行了多方面的改进,形成了可以称为'基于排序的轮盘赌、选优策略、启发式交叉、自适应非均匀性变异、跨世代精英选择、小生境策略'的遗传算法.该算法弥补了基本遗传算法容易产生早熟现象而得到局部最优解的局限性,加快收敛速度,计算选取的种群较小,降低了计算工作量.应用改进遗传算法,以大型泵站钟形进水流道为研究对象,结合CFD分析了设计参数与出口流速分布均匀度的关系.研究结果表明,改进遗传算法能成功地应用于钟形进水流道的多参数优化设计,改善其水力性能,2参数和5参数的目标函数值分别达到了96.817%和97.285%,具有很好的工程实际应用价值. 展开更多

关键词 流体机械 遗传算法 优化 泵站 进水流道

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基于SMAC方法的90°弯管内部流场数值模拟 被引量：6

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作者 桂绍波 曹树良 《江苏大学学报（自然科学版）》 EI CAS 北大核心 2008年第6期507-511,共5页

基于SMAC(simplified marker and cell)方法和交错网格技术,发展了一套在贴体坐标系下求解三维不可压缩流动的数值算法,并应用该方法求解以逆变速度和压力为未知变量的Navier-Stokes方程,对弯曲度为2.3的三维90°方形截面弯管内部... 基于SMAC(simplified marker and cell)方法和交错网格技术,发展了一套在贴体坐标系下求解三维不可压缩流动的数值算法,并应用该方法求解以逆变速度和压力为未知变量的Navier-Stokes方程,对弯曲度为2.3的三维90°方形截面弯管内部不可压缩流场进行了数值模拟.结果表明:文中提出的SMAC方法对强曲率弯管内流有较强的预测能力,能够较准确地模拟其主流和两次流的运动规律,从而证明了本算法的可靠性和有效性. 展开更多

关键词 SMAC方法 TVD格式 弯曲管道 两次流

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一种湍流计算的非线性PANS模型 被引量：1

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作者 刘锦涛 左志钢 +2 位作者 刘树红 吴玉林 王乐勤 《排灌机械工程学报》 EI CSCD 北大核心 2015年第7期572-576,共5页

大多数雷诺平均湍流模型(RANS)基于线性和各向同性假设求解雷诺应力(Reynolds stress),因此对高压力梯度区、大曲率回流以及复杂的分离流动的预测误差较大.在近壁区较少网格的条件下,部分时均(PANS)方法被认为比大涡模拟(LES)获得结果更... 大多数雷诺平均湍流模型(RANS)基于线性和各向同性假设求解雷诺应力(Reynolds stress),因此对高压力梯度区、大曲率回流以及复杂的分离流动的预测误差较大.在近壁区较少网格的条件下,部分时均(PANS)方法被认为比大涡模拟(LES)获得结果更好.通过RNG k-ε湍流模型构造部分时均化模型,引入雷诺应力的非线性求解方法,提出了一种新的非线性PANS模型,并应用该非线性PANS模型分别对绕NACA0015水翼翼型流场和90°长方形截面弯管内流场进行了流动的数值模拟.结果表明:非线性PANS模型的数值结果与试验数据吻合较好,其在高压力梯度区的预测准确性高,并能准确预测流动分离诱发的三维非线性流动,证明了该方法捕捉高压力梯度、大曲率流动的有效性.该计算方法可以用来预测透平机械内部复杂的涡结构. 展开更多

关键词 部分时均化模型 非线性 NACA0015水翼 长方形截面弯管

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基于特征线方程N-S方程非增量型分离算法 被引量：1

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作者 陈炎 曹树良 +1 位作者 梁开洪 祝宝山 《排灌机械》 EI 2009年第5期327-331,共5页

为克服传统有限元方法求解流场时由于对流项占优而引起的求解振荡和基函数选择困难的问题,推导了基于特征线方程的粘性不可压N-S方程的增量型和非增量型分离算法的公式及求解步骤,并讨论了两者的Babuska-Brezzi条件.沿着特征线方向,N-S... 为克服传统有限元方法求解流场时由于对流项占优而引起的求解振荡和基函数选择困难的问题,推导了基于特征线方程的粘性不可压N-S方程的增量型和非增量型分离算法的公式及求解步骤,并讨论了两者的Babuska-Brezzi条件.沿着特征线方向,N-S方程的对流项消失,方程矩阵是自伴随矩阵,可以自动满足有限单元法中能量泛函最小的要求,并可以给出合理的粘性耗散项.动量方程的求解采用非增量型分离算法,压力和速度可以采用任意阶次的插值函数,离散后的方程自动满足Babuska-Brezzi条件.为验证算法的可靠性,采用T3P3空间等阶次U-p单元计算了方柱绕流.结果表明:基于特征线方程的非增量型分离算法可以很好地应用于粘性不可压流场的计算,与目前流行的其它方法相比,该算法有明显的优势. 展开更多

关键词 分离算法 计算流体力学 有限元方法 特征线方程 Babuska—Brezzi条件 方柱绕流

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鼻腔计算机流体力学模拟及与鼻声反射和鼻阻力计相关研究 被引量：9

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作者 郭字峰 张宇宁 +4 位作者 刘树红 卢晓峰 朱敏 陈学明 陈广 《上海交通大学学报（医学版）》 CAS CSCD 北大核心 2009年第7期845-849,共5页

目的建立计算机流体力学(CFD)模型模拟平静呼吸状态下正常鼻腔形态和鼻腔内部流动,与鼻声反射和鼻阻力计测量进行对照分析。方法对志愿者鼻腔行CT扫描,通过Simplant10.0建立完整的鼻气道三维模型,利用Gambit2.3.16网格划分后,用Fluent6.... 目的建立计算机流体力学(CFD)模型模拟平静呼吸状态下正常鼻腔形态和鼻腔内部流动,与鼻声反射和鼻阻力计测量进行对照分析。方法对志愿者鼻腔行CT扫描,通过Simplant10.0建立完整的鼻气道三维模型,利用Gambit2.3.16网格划分后,用Fluent6.3.2模拟不同流量下的鼻腔内部流体力学。将经CFD模型提取和计算的鼻腔冠状位截面积和鼻腔压降数据与鼻声反射和鼻阻力计的测量结果进行比较。结果CFD模型鼻腔冠状位面积与鼻声反射测量数据,在距前鼻孔30mm内两者的拟合度高,在距前鼻孔50mm外则后者大于前者。CFD模型计算各流量下鼻腔压降变化与鼻阻力计测量得到的压力-流量分布曲线的变化趋势一致,但压降值前者小于后者。结论CFD模型能精确反映鼻腔形态,准确计算鼻腔内部的流场数据。与以往测量手段相比较,CFD模型能更加直观且详细地表现鼻腔内部流体力学。 展开更多

关键词 计算机流体力学 三维重建 鼻腔 鼻声反射 鼻阻力

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冲击式水轮机喷射机构的磨损特性数值分析 被引量：11

11

作者 曾崇济 肖业祥 +2 位作者 张瑾 安守皇 王正伟 《排灌机械工程学报》 EI CSCD 北大核心 2015年第5期407-411,共5页

冲击式水轮机广泛应用于高水头地区,应用水头一般高于500 m,因此喷嘴出口流速将大于100 m/s.高速的自由射流中,水中携带的细小沙粒不仅会对冲击式水轮机的水斗表面结构造成磨损,而且会破坏喷射机构.喷射机构的主要作用在于形成高质量圆... 冲击式水轮机广泛应用于高水头地区,应用水头一般高于500 m,因此喷嘴出口流速将大于100 m/s.高速的自由射流中,水中携带的细小沙粒不仅会对冲击式水轮机的水斗表面结构造成磨损,而且会破坏喷射机构.喷射机构的主要作用在于形成高质量圆柱射流,提高转轮中的能量转换效率.沙粒磨损喷射机构将影响射流质量,造成效率损失.对喷射机构以及自由射流的水固气三相流动进行了三维非定常的数值模拟.水中携带的细小沙粒简化为圆形固体颗粒,并采用离散颗粒模型模拟其运动特性以及喷射机构的磨损特性.研究发现不同颗粒直径的沙粒其运动轨迹区别很大,造成的喷射机构磨损特性也不相同.喷针表面磨损预测结果显示,直径小的颗粒随流性较强,会对喷针头部造成磨损;直径大的颗粒惯性大,容易撞击喷针颈部上游区域,造成磨损. 展开更多

关键词 冲击式水轮机 三相流动 喷射机构 磨损 数值模拟

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梯级电站联合运行水位无差状态反馈调节器 被引量：3

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作者 杨海霞 樊红刚 +1 位作者 朱渊岳 陈乃祥 《排灌机械工程学报》 EI CSCD 北大核心 2015年第11期945-952,共8页

为了实现梯级串联电站系统的稳定运行,基于最优控制原理,将站间调节池的水位偏差值引入上一级电站的反馈调节器中,提出了在进行功率(或转速)调节的同时能够平衡电站间流量,并使站间调节池的水位得到调节与控制的状态反馈调节器.通过数... 为了实现梯级串联电站系统的稳定运行,基于最优控制原理,将站间调节池的水位偏差值引入上一级电站的反馈调节器中,提出了在进行功率(或转速)调节的同时能够平衡电站间流量,并使站间调节池的水位得到调节与控制的状态反馈调节器.通过数值仿真试验,比较了转速、调节池水位和导叶开度的不同权重因子对系统动态特性的影响.由仿真结果可以看出,转速和调节池水位的权重因子对调节品质影响小,改变转速和调节池水位的权重因子,转速的最大变化相对值均为3%左右,调节时间大约为45 s;调节池水位的最大变化相对值均为0.011%,调节时间约为4 000 s.而当导叶开度权重因子从130减小为1时,其转速的最大变化相对值减小约46%;调节池水位最大变化相对值减小41%,调节时间减少为原来的33%左右,所以采用较小的导叶开度权重因子设计出的最优控制调节器,机组转速的调节时间缩短,峰值降低,调节池水位的峰值也降低.为了便于实际应用,选择合理的权矩阵设计了能实现梯级电站联合运行时站间水位无差调节的状态降维反馈调节器.由仿真结果可以看出,状态降维前后,转速、调节池水位等状态量的调节品质相差不大. 展开更多

关键词 梯级电站 权矩阵 降维反馈调节器 流量平衡

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水力机械非定常流动的三维涡方法计算 被引量：1

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作者 王龙步 祝宝山 +1 位作者 王宏 曹树良 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2012年第3期520-527,共8页

利用拉格朗日型涡方法计算了混流式水轮机转轮内部的非定常流动.采用高精度的边界元法计算域内势流速度以满足固体边界不可穿透条件,通过在固体边界上导入新生涡满足边界的无滑移条件.利用拉格朗日法计算涡元的运动,而离散涡元之间的诱... 利用拉格朗日型涡方法计算了混流式水轮机转轮内部的非定常流动.采用高精度的边界元法计算域内势流速度以满足固体边界不可穿透条件,通过在固体边界上导入新生涡满足边界的无滑移条件.利用拉格朗日法计算涡元的运动,而离散涡元之间的诱导速度则通过毕奥一萨伐尔公式结合快速多级子算法和自适应树结构算法获得.通过对某混流式转轮水轮机在设计工况及非设计工况下的数值模拟,以及模拟结果与实验测量的对比,验证了该拉格朗日涡方法在计算转轮内部高雷诺数非定常流动中的有效性. 展开更多

关键词 三维涡方法 边界元法 非定常涡流 水轮机转轮

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