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水轮机尾水管涡带压力脉动同步及非同步特性研究

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农业机械学报 2019年第9期50卷 122-129页

作者：孙龙刚郭鹏程罗兴锜西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室

尾水管涡带是混流式水轮机在部分负荷工况运行时尾水管内出现的一种螺旋状涡旋运动,其诱发的压力脉动对水轮机运行稳定性有直接影响且易造成疲劳破坏。基于SSTkω湍流模型对运行在42.35%额定功率的某混流式模型水轮机进行了尾水管内部... 详细信息

尾水管涡带是混流式水轮机在部分负荷工况运行时尾水管内出现的一种螺旋状涡旋运动,其诱发的压力脉动对水轮机运行稳定性有直接影响且易造成疲劳破坏。基于SSTkω湍流模型对运行在42.35%额定功率的某混流式模型水轮机进行了尾水管内部流动特性的试验测试与数值研究,数值压力脉动幅值及主频与试验测试吻合度好,误差分别约为2.70%和2.62%。尾水管内出现进动涡带时,测点压力均作0.25倍转频的周期性脉动,涡带扫过测点时,其压力最低。位于涡带运动轨迹附近的压力测点,其压力幅值最高。为了进一步阐明尾水管涡带的复杂流动特征及其动力学特性,将尾水管压力信号分解为同步分量及非同步分量。研究发现,分解后的非同步分量对原始信号有较强的依从性,其幅值较高且保持主频为0.25倍转频,而同步分量主频发生变化且压力脉动幅值较小,表明非同步分量对尾水管涡带的形成贡献大于同步分量。尾水管锥管段不同高程上同步及非同步分量幅值的量化分析表明,非同步分量幅值绝对占优,沿流动方向非同步分量幅值先增大后减小,而同步分量幅值逐渐增加。

关键词：水轮机尾水管涡带压力脉动分解同步分量非同步分量

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混流式水轮机叶道涡流动特性研究

农业工程学报 2019年第20期35卷 43-51页

作者：郭鹏程孙龙刚罗兴锜西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室

叶道涡是混流式水轮机运行在偏工况下出现的一种典型的空化流动现象,其起源于两叶片之间而消失于转轮出口附近,对水轮机内部的压力及速度场有直接的影响。为了阐明叶道涡演化特征及其对水力性能的影响,该文基于SST k-ω湍流模型及Zwart... 详细信息

叶道涡是混流式水轮机运行在偏工况下出现的一种典型的空化流动现象,其起源于两叶片之间而消失于转轮出口附近,对水轮机内部的压力及速度场有直接的影响。为了阐明叶道涡演化特征及其对水力性能的影响,该文基于SST k-ω湍流模型及Zwart空化模型对某一低水头混流式模型水轮机进行瞬态空化两相流动的数值模拟及试验研究。结果表明,叶道涡流动结构的数值模拟与试验观测结果基本一致。在叶道涡工况区,转轮内空泡体积呈周期性脉动,叶道涡频率为转频的90%。叶道涡沿叶片展向发展于轮毂面,主水流在离心力的作用下向下环方向偏移,迫使叶道涡向出水边方向移动,故涡束沿叶片出口边背面靠近轮缘处流出。转轮内有限空间限制及偏工况下负冲角的综合作用,是形成叶道涡的主要原因。压力脉动及其频谱分析表明,活动导叶与转轮之间的无叶区、转轮叶片以及尾水管内均捕捉到了叶道涡频率,表明叶道涡频率同时向上游及下游传播。叶道涡对尾水管内部流场有较大影响,表现为锥管段及肘管段中心处形成较大回流区。该研究为进一步深入理解复杂的叶道涡流动特性提供一定参考。

关键词：混流式水轮机数值模拟空化叶道涡压力脉动

混流式水轮机叶道空化涡诱发高振幅压力脉动特性

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农业工程学报 2021年第21期37卷 62-70页

作者：孙龙刚郭鹏程郑小波吴罗长西安理工大学水利水电学院西安710048 西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室西安710048

混流式水轮机部分负荷叶道空化涡不稳定特性已成为制约水电与其他可再生能源多能互补发展、扩大水轮机稳定运行范围急需研究的技术难题。该研究以HL702低水头混流式模型水轮机为研究对象,通过非稳态数值模拟技术及涡流可视化试验,对部... 详细信息

混流式水轮机部分负荷叶道空化涡不稳定特性已成为制约水电与其他可再生能源多能互补发展、扩大水轮机稳定运行范围急需研究的技术难题。该研究以HL702低水头混流式模型水轮机为研究对象,通过非稳态数值模拟技术及涡流可视化试验,对部分负荷工况下的叶道空化涡不稳定涡流演化及压力脉动特性展开研究。结果表明,叶道空化涡在水轮机转轮内为一个体积周期性变化的动态过程,其涡结构脉动主频为转轮转频的1.1倍。叶道空化涡诱发时,水轮机转轮叶片压力面和吸力面均捕捉到与涡结构频率相同的压力脉动信号。叶道空化涡体积的变化主要发生在转轮叶片背面出水边与下环交界附近,引起压力脉动幅值的局部放大。进一步分析发现,叶道空化涡发生工况下水轮机内部的瞬时压力脉动信号与空泡体积加速度成正比,表明涡流演化是引起压力脉动幅值上升的重要原因。该研究进一步阐明了部分负荷工况叶道空化涡的演化特征,揭示了涡流诱发不稳定高振幅压力脉动的内在机制。

关键词：流量压力数值分析叶道空化涡高振幅压力脉动混流式水轮机演化特征诱发机制

立柱对大型泵站前池和进水池流态影响的数值分析

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排灌机械工程学报 2021年第9期39卷 929-936页

作者：李颜雁郭鹏程孙龙刚张欢西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室陕西西安710048

为了研究泵站工程前池内部流态对水泵机组的效率及水力稳定性的影响,以某大型泵站为研究对象,基于3种不同增设立柱方案对前池进行整流.研究结果表明:增设立柱对前池流态有较好的改善作用,并降低了吸水喇叭管进口及水泵进口处的涡量强度... 详细信息

为了研究泵站工程前池内部流态对水泵机组的效率及水力稳定性的影响,以某大型泵站为研究对象,基于3种不同增设立柱方案对前池进行整流.研究结果表明:增设立柱对前池流态有较好的改善作用,并降低了吸水喇叭管进口及水泵进口处的涡量强度,有利于提高机组水力稳定性.在保证流动损失几乎不变的情况下,等间距单排方案、等间距双排方案与非等间距双排方案的流速分布均匀度分别提高了3.13%,3.91%和4.95%,平均偏流角分别减小了1.45%,2.11%和2.66%.非等间距双排方案计算的叶轮进口压力脉动强度较等间距单排方案显著降低,其脉动系数峰值由0.016减小为0.006.对比结果显示,非等间距双排方案在前池整流中有较大优势.因此在前池中增设非等间距双排立柱可使前池流速分布较为均匀.研究结果可为类似前池设置水力优化措施提供参考.

关键词：泵站前池整流压力脉动数值模拟

基于不同涡识别准则的水轮机尾水管涡带形态识别研究

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水动力学研究与进展（A辑） 2019年第6期34卷 779-787页

作者：孙龙刚郭鹏程罗兴锜西安理工大学水利水电学院

尾水管涡带为混流式水轮机在部分负荷工况运行下,尾水管内水流出现的一种螺旋状涡旋运动现象。尾水管涡带是水轮机流动不稳定的表征,涡带诱发的压力脉动对水轮机运行稳定性有直接严重的影响且易造成疲劳破坏,因此在复杂的三维黏性湍流... 详细信息

尾水管涡带为混流式水轮机在部分负荷工况运行下,尾水管内水流出现的一种螺旋状涡旋运动现象。尾水管涡带是水轮机流动不稳定的表征,涡带诱发的压力脉动对水轮机运行稳定性有直接严重的影响且易造成疲劳破坏,因此在复杂的三维黏性湍流中辨识出涡结构及其演化过程、深入分析涡结构对水轮机水力稳定性研究非常有必要。该文基于k-ωSST湍流模型对运行在42.35%额定出力的某混流式模型水轮机进行了尾水管内部流动特性的实验测试与数值研究,数值压力脉动幅值及主频与实验测试吻合得比较好,误差分别约为2.70%和2.62%。进一步,采用压力等值面法、Q准则、λ2准则及近年新发展的Ω涡准则以及Liutex涡矢量方法进行尾水管涡带形态识别研究。结果显示:等压面法在捕捉涡带形态上能力明显不足,涡带尾部过早断裂消失;尽管Ω准则具有阈值选择范围较小的优点,然而却过高地预估了涡带尾部形态;Liutex方法与Q准则和λ2准则在涡带形态捕捉能力上相当,均能清晰、合理地显示旋转涡带的形态。

关键词：水轮机尾水管涡带涡识别数值模拟 Ω准则 Liutex方法

基于TBR模型的高水头混流式水轮机水力性能预测

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农业工程学报 2019年第7期35卷 62-69页

作者：孙龙刚郭鹏程麻全郑小波罗兴锜西安理工大学水利水电学院西安710048

叶轮机械的瞬态计算对于捕捉转子与定子之间的周期性扰动是十分必要的。为了避免共振,转子与定子数目一般是互质的,使得周期性边界条件失效,瞬态模拟必须对全通道进行计算,以保证转子与定子之间的螺距比为1,从而确保上下游信息的准确传... 详细信息

叶轮机械的瞬态计算对于捕捉转子与定子之间的周期性扰动是十分必要的。为了避免共振,转子与定子数目一般是互质的,使得周期性边界条件失效,瞬态模拟必须对全通道进行计算,以保证转子与定子之间的螺距比为1,从而确保上下游信息的准确传递,因此计算资源消耗较多。该文基于k-ωSST湍流模型,分别采用传统全通道计算方法、TBR(transient blade row)模型中的单通道PT(profile transform)方法以及双通道FT(fourier transform)方法,对Francis99混流式模型水轮机进行了性能及负荷预估,并与试验值作对比。PT方法通过在交界面上按照角度比进行变量的比例缩放而保持上下游通量的守恒,FT方法采用傅里叶级数的相变周期性边界条件来解释转子与定子之间螺距比不为1的问题,对周向边界和转静边界进行求解历史的重构。数值计算采用变量边界条件(profile boundary conditions-PC)进口给定质量流量及速度方向矢量,出口给定静压。与试验值作对比,全通道计算法、PT方法以及FT方法均能较准确地预测水轮机效率、不同测点平均压力,而且3种数值方法获得的流道内压力及叶片负荷分布差别不大。FT方法计算的叶片合力及扭矩随时间变化与全通道比较一致,仅仅在变量脉动上小于全通道,而PT方法在脉动及频率上均存在较大偏差。压力脉动频谱特性方面,FT方法与全通道主频及幅值接近,且与试验结果比较吻合,而PT方法由于交界面上变量的缩放,静止域与旋转域内均捕捉到叶片通过频率,且幅值低于全通道及试验值。此外,相同计算条件下,全通道计算、PT方法以及FT方法计算所需时间比为1:0.375:0.23。综合评估分析,FT计算结果与全通道以及试验结果一致且消耗更少的计算资源,在水轮机的瞬态计算有一定的潜力和优势。

关键词：模型计算机仿真水轮机性能预测瞬态特性计算资源

基于多重分形谱和改进BP神经网络的水电机组振动故障诊断研究

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水力发电学报 2014年第3期33卷 299-305页

作者：郭鹏程孙龙刚李辉罗兴锜西安理工大学水利水电学院西安市710048

本文建立了小波分析、多重分形谱和改进BP神经网络相结合的水电机组振动故障诊断模型。该模型首先利用小波分解对振动信号波形进行去噪提纯,得到各种故障信号的小波近似系数,应用多重分形谱算法提取出振动故障的特征向量,并将该特征向... 详细信息

本文建立了小波分析、多重分形谱和改进BP神经网络相结合的水电机组振动故障诊断模型。该模型首先利用小波分解对振动信号波形进行去噪提纯,得到各种故障信号的小波近似系数,应用多重分形谱算法提取出振动故障的特征向量,并将该特征向量作为BP神经网络的输入向量进行分类识别。该模型直接通过振动波形提取信号特征,避免提取其频谱特性,并结合先进的多重分形谱进行诊断识别,为水电机组故障诊断提供了一种新的方法。应用实例表明,该方法能够提高诊断的智能化和人性化,增强了人机交互性,识别结果令人满意。

关键词：水电机组振动故障多重分形谱小波系数改进BP神经网络

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混流式水轮机叶道涡形成分析及抑制研究

水力发电学报 2020年第12期39卷 113-120页

作者：王钊宁孙龙刚郭鹏程王秀玲西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室西安710048 东方电气集团东方电机有限公司四川德阳618000 清洁能源与生态水利工程研究中心西安710048

可再生能源的大力发展要求水电机组更加频繁地运行在部分负荷,以平衡电网参数,导致部分负荷下的叶道涡特性成为水轮机水力设计及优化的一个重要考核指标。本文基于理论分析和水轮机模型试验,分析了混流式水轮机叶道涡的形成原因,并提出... 详细信息

可再生能源的大力发展要求水电机组更加频繁地运行在部分负荷,以平衡电网参数,导致部分负荷下的叶道涡特性成为水轮机水力设计及优化的一个重要考核指标。本文基于理论分析和水轮机模型试验,分析了混流式水轮机叶道涡的形成原因,并提出抑制叶道涡初生和发展的有效措施。研究表明,水轮机转轮不能适应流量较大范围的变化而导致转轮内稳定连续的压力梯度被打破可能是影响叶道涡形成的因素之一。通过压缩转轮流道,采用仿生流线型设计及控制叶片扭曲程度对转轮进行改型,能够有效抑制和推迟叶道涡的初生及发展,为进一步扩大水轮机的稳定运行范围提供参考。

关键词：混流式水轮机叶道涡形成分析改型抑制

一起调频广播杂散信号对民航DVOR的干扰排查及分析

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中国无线电 2020年第12期 62-63页

作者：孙龙刚山西省临汾市无线电监测站

由于调频广播发射机发射功率大、天线架设高,且与民航频段相邻,在设备老化后会导致发射机指标降低,发射参数产生变化,极易对民航正常使用的频率产生干扰。本文通过一个民航全向信标受干扰案例,对民航全向信标导航台(DVOR)频点受到无线... 详细信息

由于调频广播发射机发射功率大、天线架设高,且与民航频段相邻,在设备老化后会导致发射机指标降低,发射参数产生变化,极易对民航正常使用的频率产生干扰。本文通过一个民航全向信标受干扰案例,对民航全向信标导航台(DVOR)频点受到无线电干扰后如何排查进行了分析。

关键词：民航全向信标台调频广播分析排查