基于梯形转叶螺旋流消能装置消能过程的数值模拟研究

发布时间：2017-06-12 06:07

  本文关键词：基于梯形转叶螺旋流消能装置消能过程的数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在长距离高水头有压输水过程中，能量过剩会带来一系列工程建设问题。因此如何能经济、有效地消能成为一个亟待解决的问题。随着水利科研工作者对有压输水过剩水头消能方式的深入研究，在管道内安装螺旋消能装置已成为一种被广泛采纳的消能方式，并且被实际应用到工业，农业以及生活用水方面。但由于液体的螺旋流流动属于非典型的线性瞬态流动，，流动过程中的螺旋流结构特性非常复杂，在条件具备的情况下还会产生涡流。螺旋流消能的本质就是将机械能尽可能多的转换为热能而消散，最终达到减少过剩能量的目的。在一般的试验装置研究过程中，测量仪器精度的不足、实验方法的限制、试验器材的相关物理参数的不确定都会导致试验结果的差异性，甚至出现相互矛盾的结果。为了使螺旋流消能的相关理论更具有普遍性和实用性。本文将在梯形转叶螺旋流消能装置的试验研究基础上对其进行数值计算模拟的，通过数值模拟有助于了解消能装置具体的消能过程的研究。 梯形转叶螺旋流消能装置的物理模型是在FLUENT软件前处理器GAMBIT中三维笛卡尔坐标系下建立的。在求解计算时应选取SIMPLE流场数值计算法、应用有限体积法来实现控制方程离散化，紊流计算模型选取k-ε模型，边界条件选择有压进口、有压出口，近壁面采用壁面函数法来处理，为了验证对梯形转叶螺旋流消能装置的数值模拟计算是可行的，所以在模拟模型设置的测压点的位置与实验研究装置设置一样，即分别设置7个测压点。通过FLUENT软件的模拟计算后，可得到：所设测压点压力数据；不同分段的流线图、速度矢量图以及温度变化示意图；不同过水断面的压力、湍流强度和轴向、径向以及切向速度分布数据等等,之后再使用TecPlot、Excel等软件对数值模拟计算所得各项参数的数据进行更进一步的处理。 通过对梯形转叶螺旋流消能装置的数值模拟计算结果的分析与深入研究，其研究结果表明：（1）梯形转叶螺旋流消能装置的结构设计是科学合理的；（2）装置消能的主力区在梯形转叶孔板组合后；（3）数值模拟显示的的消能机理与试验研究是吻合的；（4）装置内产生的螺旋流是具有衰减性的三维螺旋型旋转流动的特点，切向速度变化规律遵循指数方程；（5）过剩的能量转换为内能，内能导致流体的温度升高，最后以热能的方式消散，符合理论解释；（6）过水断面面积变化时，流体产生的漩涡可以消耗大量的能量；（7）在相同的流量、扭转角度一定时，在孔板前管壁所受的压力会随开口角度的增大而减小；(8)在相同的流量、扭转角度一定时，在孔板前管壁所受的压力会随开口角度的增大而减小；（9）管道面积增大后，流体出现二次漩涡。
【关键词】：螺旋流 消能系数 矢量图 数值模拟 消能机理
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV653
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 问题的提出及研究的意义10-15
• 1.1.1 问题的提出10-14
• 1.1.2 研究的目的和意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-19
• 1.2.1 理论研究现状16-17
• 1.2.2 试验研究现状17-18
• 1.2.3 螺旋流数值模拟下的发展18-19
• 1.3 本文研究的主要内容19-20
• 1.4 技术路线图20-22
• 第二章 管道螺旋流消能装置22-34
• 2.1 螺旋流消能的基本理论与形式22-26
• 2.1.1 平板孔口消能装置22-23
• 2.1.2 圆管孔口消能装置23
• 2.1.3 圆管螺旋流消能装置23-25
• 2.1.4 螺旋形导流叶片消能装置25-26
• 2.1.5 孔板螺旋流消能装置26
• 2.2 转叶式螺旋流消能装置试验研究26-34
• 2.2.1 试验原理27-28
• 2.2.2 试验方案28-29
• 2.2.3 消能降压装置29-30
• 2.2.4 消能装置测点断面测量数据整理30-34
• 第三章 梯形转叶螺旋流消能装置的数值模拟34-46
• 3.1 FLUENT 软件的介绍34-35
• 3.2 梯形转叶螺旋流消能装置的数值模拟计算35-43
• 3.2.1 数值模拟的原理35-37
• 3.2.2 几何模型的建立及网格生成37-39
• 3.2.3 数值模拟计算求解过程39-43
• 3.3 数据收集与处理43-44
• 3.4 模型的后处理44
• 3.5 本章小结44-46
• 第四章 消能装置机理探究46-52
• 4.1 局部水头损失47-48
• 4.1.1 管道面积增大段消能机理分析47-48
• 4.1.2 管道面积缩小段消能机理分析48
• 4.2 转叶孔板组合段消能机理48-50
• 4.3 沿程水头损失50-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第五章 数值模拟结果的分析52-66
• 5.1 数值模拟数据分析52-55
• 5.2 误差分析55-56
• 5.3 螺旋流与非螺旋流消能对比分析56-59
• 5.4 速度数值模拟结果分析59-62
• 5.5 压力数值模拟结果分析62-65
• 5.6 本章小结65-66
• 第六章 结论与建议66-68
• 6.1 模拟的结果66-67
• 6.2 试验与模拟的对比67
• 6.3 问题与建议67-68
• 参考文献68-70
• 致谢70-72
• 攻读硕士期间发表的学术论文目录及参加的主要科研项目72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 皇甫润金;管道急流输水及多种消能形式的应用效果[J];科技情报开发与经济;2004年11期

2 延耀兴;张杰;毛惠惠;;螺旋流消能装置消能效果试验研究[J];科技情报开发与经济;2005年23期

3 李树慧;蔡怀森;;浅析水击理论的发展及现状[J];科技信息;2010年03期

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  本文关键词：基于梯形转叶螺旋流消能装置消能过程的数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：443401