基于CFD-DEM耦合方法的轴流泵鱼类损伤机理研究
发布时间：2021-09-23 04:11
大中型泵站在水资源的时空调度以及防洪排涝等方面均扮演着重要角色,其中轴流泵因流量大、扬程低、比转速高等特点成为泵站系统中最常见的工程设备。然而,机组运行难免对流域内水生生物的生存产生威胁,尤其是过机鱼类的高死亡率现象。为了降低鱼类在通过泵站系统与过流部件时的撞击概率与死亡率,本文基于CFDDEM耦合方法,利用球形颗粒捏合鱼体外轮廓三维结构,模拟鱼类在泵站轴流泵中的运动情况,结合叶片撞击数学模型,研究鱼类通过泵站系统与叶轮的撞击概率。通过分析鱼类在流场内运动过程中速度、表面压力以及剪切速度的变化,研究鱼类过机损伤度和死亡率,从而为进一步优化叶片设计提供一定的理论支撑。本文开展的主要研究工作以及取得的主要研究成果如下:（1）通过大量文献阅读,分析国内外专家学者对叶片撞击数学模型以及鱼类损伤机理的理论成果,针对目前研究鱼类在流场中实际运动特性较少的现状,采用CFD-DEM耦合方法模拟鱼类在轴流泵流场中的运动规律以及鱼类表面受力、受压情况。（2）针对鱼类模型占流场总体积分数不足10%且颗粒粒径较大等特点,选取欧拉-拉格朗日法模拟鱼类在流场中的运动特性。在鱼类模型运动计算中除了考虑重力、浮力、曳...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
颗粒
基于CFD-DEM耦合方法的轴流泵鱼类损伤机理研究14第三章轴流泵的水力性能及撞击概率验证目前而言，CFD-DEM方法主要用于研究颗粒的损伤与磨损、固液流分析以及机械部件对颗粒碰撞的力学反应等方向，本文首次利用该方法研究鱼类通过轴流泵的撞击概率以及存活性能。本文基于Fluent预测原型泵的水力性能，结合实验数据对比，验证数值计算的可靠性。此外，将CFD-DEM方法下统计的撞击概率与叶片撞击数学模型计算结果对比，验证模拟方法的可行性，为后文分析鱼类通过鱼类友好型泵优化叶片的通过性能提供可靠依据。3.1轴流泵水力模型本章节所选用原型泵为课题组与荷兰Bosman公司合作项目BVOP125-Ⅲ-140型轴流泵，三维模型及实物图如图3.1所示，具体设计参数见表3.1。图3.1原型泵三维模型及实物图Fig.3.13Dmodelandphysicalmapofprototypepump表3.1原型泵设计参数Tab.3.1Designparametersofprototypepump流量Q(m3/s)扬程H(m)效率η(%)转速n(r/min)叶轮直径D(m)比转速ns3.284.3580.52651.265803.2计算域及网格划分模拟原型泵的水力性能，需要对全流域（进口域、叶轮域、导叶域以及出口域）
江苏大学硕士学位论文15进行数值计算[52]。为了叶轮进出口有足够的距离确保流动充分发展,同时减小边界条件对模拟结果的影响，进口域长度设定为叶轮直径的3倍，出口域长度设定为叶轮直径的5倍。本章节计算网格均由ANSYS-ICEM生成，考虑到原型泵导叶域为空间螺旋式蜗壳，结构复杂且扭曲度较大，采用四面体非结构化网格简化处理，其余计算域均采用结构化网格。其中，叶轮域结构网格如图3.2所示。图3.2叶轮域网格示意图Fig.3.2Impellerdomaingridschematic数值计算的精确性往往受限于体网格的尺寸以及网格数量。一般来说，网格尺寸越小或者网格数越多，数值计算的结果就越精密，误差率也相应降低[53]。然而在实际模拟过程中，一方面要考虑网格数过多带来的巨大计算资源负担；另一方面，EDEM软件对计算域的网格数有一定的限制，超限的网格数会导致计算域网格无法读入，无法有效完成模拟计算。绘制网格过程中，由于近壁区域采用标准壁面函数，叶轮旋转域第一层网格高度y+值控制在60左右，而非旋转域（进口域、导叶域以及出口域）y+值则控制在45以内。本小节在综合考虑各因素对模拟计算的影响后，共采用了5套网格方案用于验证计算用泵的网格无关性。通过在原型泵的进出口设置监测点统计观察泵扬程变化规律，计算结果如图3.3所示。由图表可知，当网格数达到166万后，原型泵扬程模拟结果与设计工况下的扬程相对误差不超过1%，一方面，网格数继续增加对计算结果精确度提高意义不大，且已满足原型泵水力性能设计要求；另一方面，结合EDEM软件对网格数的限制要求，过多的网格数会导致软件无法与Fluent软件进行耦合计算。因此本章节采用166万网格方案用于原型泵的数值模拟计算。
【参考文献】：
期刊论文
[1]水轮机转轮结构与过机幼鱼受压强损伤相关性研究[J]. 王煜,李成,张洋. 水力发电学报. 2017(10)
[2]泵站用轴流泵鱼友好型设计及鱼类存活率预测[J]. 潘强,施卫东,张德胜,赵睿杰. 排灌机械工程学报. 2017(01)
[3]泵站的科学、安全管理探析[J]. 蒲安泰. 企业技术开发. 2016(11)
[4]IB-LB耦合格式模拟贯流式水轮机三维瞬变流[J]. 李师尧,程永光,张春泽. 华中科技大学学报(自然科学版). 2016(01)
[5]鱼友好型轴流泵流场数值分析与汽蚀性能优化[J]. 潘强,施卫东,张德胜. 农业机械学报. 2016(04)
[6]基于叶片撞击模型的鱼友好型轴流泵优化设计[J]. 潘强,张德胜,施卫东. 农业机械学报. 2015(12)
[7]叶片厚度对混流式核主泵叶轮能量性能影响研究[J]. 杨敏官,陆胜,高波,王达,王俊. 流体机械. 2015(05)
[8]离心泵内大颗粒下运动特性数值模拟与磨损分析[J]. 董文龙,李昳. 机电工程. 2015(03)
[9]鱼友型水轮机研究进展及建议[J]. 廖翠林,陆力,李铁友,王万鹏. 中国水利水电科学研究院学报. 2014(04)
[10]离心泵内示踪粒子运动的离散相模型模拟[J]. 李亚林,袁寿其,汤跃,黄萍,李晓俊. 农业机械学报. 2012(11)
博士论文
[1]基于叶片撞击模型的鱼类友好型轴流泵设计理论与应用[D]. 潘强.江苏大学 2019
本文编号：3405012
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
颗粒
基于CFD-DEM耦合方法的轴流泵鱼类损伤机理研究14第三章轴流泵的水力性能及撞击概率验证目前而言，CFD-DEM方法主要用于研究颗粒的损伤与磨损、固液流分析以及机械部件对颗粒碰撞的力学反应等方向，本文首次利用该方法研究鱼类通过轴流泵的撞击概率以及存活性能。本文基于Fluent预测原型泵的水力性能，结合实验数据对比，验证数值计算的可靠性。此外，将CFD-DEM方法下统计的撞击概率与叶片撞击数学模型计算结果对比，验证模拟方法的可行性，为后文分析鱼类通过鱼类友好型泵优化叶片的通过性能提供可靠依据。3.1轴流泵水力模型本章节所选用原型泵为课题组与荷兰Bosman公司合作项目BVOP125-Ⅲ-140型轴流泵，三维模型及实物图如图3.1所示，具体设计参数见表3.1。图3.1原型泵三维模型及实物图Fig.3.13Dmodelandphysicalmapofprototypepump表3.1原型泵设计参数Tab.3.1Designparametersofprototypepump流量Q(m3/s)扬程H(m)效率η(%)转速n(r/min)叶轮直径D(m)比转速ns3.284.3580.52651.265803.2计算域及网格划分模拟原型泵的水力性能，需要对全流域（进口域、叶轮域、导叶域以及出口域）
江苏大学硕士学位论文15进行数值计算[52]。为了叶轮进出口有足够的距离确保流动充分发展,同时减小边界条件对模拟结果的影响，进口域长度设定为叶轮直径的3倍，出口域长度设定为叶轮直径的5倍。本章节计算网格均由ANSYS-ICEM生成，考虑到原型泵导叶域为空间螺旋式蜗壳，结构复杂且扭曲度较大，采用四面体非结构化网格简化处理，其余计算域均采用结构化网格。其中，叶轮域结构网格如图3.2所示。图3.2叶轮域网格示意图Fig.3.2Impellerdomaingridschematic数值计算的精确性往往受限于体网格的尺寸以及网格数量。一般来说，网格尺寸越小或者网格数越多，数值计算的结果就越精密，误差率也相应降低[53]。然而在实际模拟过程中，一方面要考虑网格数过多带来的巨大计算资源负担；另一方面，EDEM软件对计算域的网格数有一定的限制，超限的网格数会导致计算域网格无法读入，无法有效完成模拟计算。绘制网格过程中，由于近壁区域采用标准壁面函数，叶轮旋转域第一层网格高度y+值控制在60左右，而非旋转域（进口域、导叶域以及出口域）y+值则控制在45以内。本小节在综合考虑各因素对模拟计算的影响后，共采用了5套网格方案用于验证计算用泵的网格无关性。通过在原型泵的进出口设置监测点统计观察泵扬程变化规律，计算结果如图3.3所示。由图表可知，当网格数达到166万后，原型泵扬程模拟结果与设计工况下的扬程相对误差不超过1%，一方面，网格数继续增加对计算结果精确度提高意义不大，且已满足原型泵水力性能设计要求；另一方面，结合EDEM软件对网格数的限制要求，过多的网格数会导致软件无法与Fluent软件进行耦合计算。因此本章节采用166万网格方案用于原型泵的数值模拟计算。
【参考文献】：
期刊论文
[1]水轮机转轮结构与过机幼鱼受压强损伤相关性研究[J]. 王煜,李成,张洋. 水力发电学报. 2017(10)
[2]泵站用轴流泵鱼友好型设计及鱼类存活率预测[J]. 潘强,施卫东,张德胜,赵睿杰. 排灌机械工程学报. 2017(01)
[3]泵站的科学、安全管理探析[J]. 蒲安泰. 企业技术开发. 2016(11)
[4]IB-LB耦合格式模拟贯流式水轮机三维瞬变流[J]. 李师尧,程永光,张春泽. 华中科技大学学报(自然科学版). 2016(01)
[5]鱼友好型轴流泵流场数值分析与汽蚀性能优化[J]. 潘强,施卫东,张德胜. 农业机械学报. 2016(04)
[6]基于叶片撞击模型的鱼友好型轴流泵优化设计[J]. 潘强,张德胜,施卫东. 农业机械学报. 2015(12)
[7]叶片厚度对混流式核主泵叶轮能量性能影响研究[J]. 杨敏官,陆胜,高波,王达,王俊. 流体机械. 2015(05)
[8]离心泵内大颗粒下运动特性数值模拟与磨损分析[J]. 董文龙,李昳. 机电工程. 2015(03)
[9]鱼友型水轮机研究进展及建议[J]. 廖翠林,陆力,李铁友,王万鹏. 中国水利水电科学研究院学报. 2014(04)
[10]离心泵内示踪粒子运动的离散相模型模拟[J]. 李亚林,袁寿其,汤跃,黄萍,李晓俊. 农业机械学报. 2012(11)
博士论文
[1]基于叶片撞击模型的鱼类友好型轴流泵设计理论与应用[D]. 潘强.江苏大学 2019
本文编号：3405012
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