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Analysis of the Pump-turbine S Characteristics Using the Detached Eddy Simulation Method

Chinese Journal of Mechanical Engineering 2015年第1期28卷 115-122页

作者： SUN Hui xiao Ruofu WANG Fujun xiao yexiang LIU Weichao College of Water Resources and Civil Engineering China Agricultural University State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering & Department of Thermal Engineering Tsinghua University Dongfang Electric Machinery Co. Ltd

Current research on pump-turbine units is focused on the unstable operation at off-design conditions, with the characteristic curves in generating mode being S-shaped. Unlike in the traditional water turbines, pump-turbine operation along the S-shaped curve can lead to difficulties during load rejection with unusual increases in the water pressure, which leads to machine vibrations. This paper describes both model tests and numerical simulations. A reduced scale model of a low specific speed pump-turbine was used for the performance tests, with comparisons to computational fluid dynamics（CFD） results. Predictions using the detached eddy simulation（DES） turbulence model, which is a combined Reynolds averaged Naviers-Stokes（RANS） and large eddy simulation（LES） model, are compared with the two-equation turbulence mode results. The external characteristics as well as the internal flow are for various guide vane openings to understand the unsteady flow along the so called S characteristics of a pump-turbine. Comparison of the experimental data with the CFD results for various conditions and times shows that DES model gives better agreement with experimental data than the two-equation turbulence model. For low flow conditions, the centrifugal forces and the large incident angle create large vortices between the guide vanes and the runner inlet in the runner passage, which is the main factor leading to the S-shaped characteristics. The turbulence model used here gives more accurate simulations of the internal flow characteristics of the pump-turbine and a more detailed force analysis which shows the mechanisms controlling of the S characteristics.

关键词： pump-turbine S-shaped characteristics detached eddy simulation(DES) numerical analysis

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Flow Through Aerodynamic Torque Converter Installed in New Type Turbofan Engine

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Journal of Thermal Science 2007年第1期16卷 14-18页

作者： Toshiaki Kanemoto Dai Sakihama Seita Seki Ahmed Mohamed Galai FengQin Hant yexiang xiao Kyushu Institute of Technology： Sensui 1-1 Tobata Kitakyushu 804-8550 Japan South China University of Technology 381 WuShan Road Guangzhou China

It is desired to increase the core engine speed of the turbofan, to get the best efficiency for the next leap of the engine technology. The conventional mechanism in which the front fan is directly connected to the output shaft of the core engine has a limit of increasing the spool speed because the fan diameter is very large. The authors have proposed a new driving system in which the front fan is driven through the aerodynamic torque converter. The front fan can work at the conventional speed while the core engine runs more efficiently at higher speed. Continuously, in this paper, the flow through the converter is simulated numerically by CFX-5 with the k-εturbulence model of the commercial CFD code. The secondary flow occurred on the hub wall affects markedly the flow condition on the blade surfaces, and the flow along the suction surface of the driver blade separates near the trailing edge, which is deviated to the blade tip by the centrifugal force due to the wheel rotation.

关键词： turbofan engine torque converter front fan numerical simulation secondary flow separation

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高水头混流式水轮机转轮泥沙磨损特性模拟研究

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水力发电学报 2020年第2期39卷 112-120页

作者：李彦浩郭豹肖业祥上海勘测设计研究院有限公司上海200335 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室&能源与动力工程系北京100084

泥沙磨损是导致混流式水轮机组失效的主要原因之一,特别在水头相对较高时,由于内部流速相对也较高,其磨损问题会更为严重。为研究混流式机组转轮磨损的形成机理,本文根据电站泥沙实测数据统计得到汛期的泥沙平均浓度和粒径,对高水头混... 详细信息

泥沙磨损是导致混流式水轮机组失效的主要原因之一,特别在水头相对较高时,由于内部流速相对也较高,其磨损问题会更为严重。为研究混流式机组转轮磨损的形成机理,本文根据电站泥沙实测数据统计得到汛期的泥沙平均浓度和粒径,对高水头混流式水轮机在最优开度和小开度两种工况下的固液两相流特性进行数值计算,基于拉格朗日方法模拟颗粒的运动轨迹,选取Oka模型对转轮的磨损特性进行了预测。通过分析转轮内的流动特性、颗粒的运动轨迹和壁面冲击特性,对混流式机组转轮磨损形态的形成原因进行了探讨,并将计算结果与文献中的实际磨损情况进行对比分析。预测的结果表明:采用欧拉-拉格朗日方法可较好地对混流式水轮机转轮的主要磨损区域进行定性的预测;在小导叶开度的偏工况时,转轮内部的涡旋流特性会导致颗粒产生局部富集等现象,从而引起对应区域磨损速率的增加。

关键词：混流式水轮机固液两相流磨损预测冲击特性数值计算

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新型双向潮汐发电水轮机组性能优化设计

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排灌机械工程学报 2010年第5期28卷 417-421页

作者：王正伟杨校生肖业祥清华大学热能工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084 龙源电力集团股份有限公司北京100036

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... 详细信息

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.

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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C型叶片转轮水泵水轮机驼峰区流动特性分析

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水力发电学报 2024年第12期43卷 89-97页

作者：肖业祥肖微任绍成桂中华林昊清华大学水圈科学与水利工程全国重点实验室北京100084 清华大学能源与动力工程系北京100084 国网新源控股有限公司抽水蓄能技术经济研究院北京100761 中国水利水电科学研究院北京100048

为探究转轮叶型对水泵水轮机驼峰区流动的改善程度和影响规律,本文对模型水泵水轮机进行了预测和试验分析,然后对转轮采用C型叶片优化后的水泵水轮机性能进行预测分析,基于涡识别法讨论了转轮改型前后各过流部件在驼峰区的流动和涡旋流... 详细信息

为探究转轮叶型对水泵水轮机驼峰区流动的改善程度和影响规律,本文对模型水泵水轮机进行了预测和试验分析,然后对转轮采用C型叶片优化后的水泵水轮机性能进行预测分析,基于涡识别法讨论了转轮改型前后各过流部件在驼峰区的流动和涡旋流分布情况,揭示了优化转轮叶型对驼峰区流动的影响。研究发现,改型后水泵水轮机的驼峰范围和驼峰裕度更小,扬程随流量变化趋势更平缓。在大流量工况下,尾水管、导叶、转轮域内与优化前相比涡旋面积更小。在驼峰区工况下,尾水管出口处有来自转轮的小部分回流,但与优化前相比回流明显减少;导叶及转轮域内与优化前相比发生流动分离的区域也有所减少,在无叶区内的涡旋较优化前明显减少,说明优化转轮叶型有助于改善泵工况的驼峰特性及其内流特性。

关键词：可逆式水泵水轮机转轮优化设计驼峰特性涡识别法流动特性

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旋转流场流态预测模型验证及其速度分量选择的差异性

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化工进展 2021年第5期40卷 2389-2400页

作者：王衍曹志康王英尧胡琼胡鹏肖业祥江苏海洋大学机械工程学院江苏连云港222005 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室&能源与动力工程系北京100084

鉴于目前高速旋流场中的流体流态判定准则不统一、预测模型契合度不高的问题,依据流体力学基本原理及管道、缝隙流场的判定方法,本文对经典一维雷诺数及二维流量因子预测模型进行了理论重构,并尝试提出了适用于旋转流场中流体流态判定... 详细信息

鉴于目前高速旋流场中的流体流态判定准则不统一、预测模型契合度不高的问题,依据流体力学基本原理及管道、缝隙流场的判定方法,本文对经典一维雷诺数及二维流量因子预测模型进行了理论重构,并尝试提出了适用于旋转流场中流体流态判定和预测的椭球模型。文章首先根据经典雷诺数模型和流动因子模型,对仿真计算和椭球模型进行了理论验证;然后对不同介质和工况参数下的速度场进行了分析计算,并与相关文献进行对比研究;最后结合对旋转流场中拐点的理论剖析,对椭球模型的合理性和科学性进行了论证,并对模型中速度分量的选择及差异性进行了讨论。结果表明:椭球模型对管道流动的预测结果与经典雷诺数模型完全一致,新模型对旋转流场中转折点的预测值较传统模型明显偏低,与实际工况更加贴近;根据椭球模型进行旋转流场的流态判定时,应选择平均直径处的线速度为剪切平均速度、进出口径向速度平均值为径向平均速度及最大轴向速度为模型输入因子。椭球模型的提出,为旋转流场在理论计算时如何科学判定流体流态提供了新的思路和判定方法。

关键词：旋转流场流态模型验证速度分量差异性

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分流叶片对混输泵水力性能影响的优化分析

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水力发电学报 2023年第4期42卷 25-31页

作者：肖业祥桂中华张瑾姚鑫史广泰清华大学、水沙科学与水利水电工程国家重点实验室&能源与动力工程系北京100084 国网新源控股有限公司抽水蓄能技术经济研究院北京100761 西华大学、流体及动力机械教育部重点实验室成都610039

混输泵作为输送海洋油气资源的关键设备,其输送性能直接影响油气开采效率和输送成本。因此,为探究分流叶片对混输泵流动特性的优化效果,本文采用ANSYS CFX软件对带分流叶片前后的混输泵在进口含气率为5%、10%和15%工况下进行数值模拟计... 详细信息

混输泵作为输送海洋油气资源的关键设备,其输送性能直接影响油气开采效率和输送成本。因此,为探究分流叶片对混输泵流动特性的优化效果,本文采用ANSYS CFX软件对带分流叶片前后的混输泵在进口含气率为5%、10%和15%工况下进行数值模拟计算。结果表明:在含气率分别为5%、10%、15%时优化后混输泵单级扬程增加了18.9%、23.5%、24.2%,分流叶片的存在显著提升了混输泵的增压性能,改善了含气率对叶轮内液相速度分布规律的影响,抑制了叶轮内气相聚集现象的发生,使得叶轮内气相分布更为均匀。此研究结果为优化混输泵性能提供了参考。

关键词：混输泵分流叶片含气率流动特性

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干气密封旋转流场的宏观特性与介观速度场的逻辑关系研究

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摩擦学学报 2020年第3期40卷 364-377页

作者：王衍葛云路黄国庆胡琼肖业祥胡鹏江苏海洋大学机械与海洋工程学院江苏连云港222005 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室&能源与动力工程系北京100084

旋转流场中的流体流动比较复杂,特别是在高转速、微尺度工况时,流场中的流体流态及其判断方法缺乏完备的理论模型.选择干气密封作为高速旋转流场的研究对象,以开启力和泄漏量作为宏观特性表征指标参数,选择剪切(周向)、径向及轴向速度... 详细信息

旋转流场中的流体流动比较复杂,特别是在高转速、微尺度工况时,流场中的流体流态及其判断方法缺乏完备的理论模型.选择干气密封作为高速旋转流场的研究对象,以开启力和泄漏量作为宏观特性表征指标参数,选择剪切(周向)、径向及轴向速度分量对速度流场进行介观表述,通过Fluent软件仿真计算大跨距转速(低转速至超高转速)时的宏观、介观指标参数,研究密封性能指标参数与速度场间的内在逻辑关系.结果表明:低速旋转流场中的轴向速度分量较小,可忽略不计,转速升高会促使轴向速度分量持续增大,当转速持续增大并超过某一临界值时,轴向速度分量会出现迅速升高的情形;轴向速度分量的变化情形与微尺度流场(开启力和泄漏量)波动密切相关,是影响旋转流场流态的关键性指标参数,也是引起宏观流场特性变化的主要因素;径向速度分量的变化情形与微尺度流场泄漏量的变化规律基本一致,随着转速的增大,泄漏量的宏观性能反馈要早于开启力波动的出现.基于以上研究,同时根据管道雷诺数、流量因子判定模型及流体力学基本理论,尝试提出了基于三维速度分量的针对旋转流场流态的椭球判定模型.

关键词：干气密封旋转流场流态宏观特性介观速度场

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水泵水轮机极小开度反水泵工况压力脉动与内流特性分析

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水利学报 2018年第12期49卷 1541-1549页

作者：乐振春肖业祥桂中华曾崇济朱伟国网新源控股有限公司北京100761 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084 国网新源控股有限公司技术中心北京100161

混流式水泵水轮机普遍存在S特性区,水轮机工况启动时机组常不能由空载直接带负载,容易进入反水泵区,导致机组并网困难。本文以模型水泵水轮机为对象,对极小导叶开度下的多个反水泵工况点进行了整体流道三维流动计算,探讨极小导叶开度下... 详细信息

混流式水泵水轮机普遍存在S特性区,水轮机工况启动时机组常不能由空载直接带负载,容易进入反水泵区,导致机组并网困难。本文以模型水泵水轮机为对象,对极小导叶开度下的多个反水泵工况点进行了整体流道三维流动计算,探讨极小导叶开度下反水泵区机组的非定常流动特性。数值计算采用SAS SST-CC湍流模型,5个定常工况点计算的外特性曲线与模型试验数据吻合较好。对流量较小的工况进行非定常计算,旋转转轮9个叶道各8个测点的压力脉动结果显示,相似位置测点间的压力脉动混频幅值和频率均存在明显差异,峰峰值的差异最大达到4.2%,说明此时转轮内的流态分布很不均匀。测点离导叶越近,低频脉动的主频从0.19 fn逐渐增加到1.07 fn;动静干涉引起的20 fn脉动幅度会逐渐增强,但转轮出口位于出流与入流过渡区的测点趋势则不同。结果显示在反水泵工况区运行,转轮各叶道间的流态分布极不对称,充满了严重的流动分离和漩涡。

关键词：水泵水轮机反水泵非定常流压力脉动动静干涉

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超高速干气密封扰流效应及抑扰机制

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航空学报 2019年第10期40卷 111-120页

作者：王衍胡琼肖业祥黄国庆朱妍慧葛云路江苏海洋大学机械与海洋工程学院连云港222005 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084 清华大学能源与动力工程系北京100084

干气密封在高速时优异的动压性能使其应用范围从传统的压缩机、离心机等中高速设备逐渐扩大到航空发动机、(微型)燃气轮机等超高速设备中。基于实际超高速工况特点,对转速范围为10 000~120 000r/min时的干气密封性能进行了系统性仿真计... 详细信息

干气密封在高速时优异的动压性能使其应用范围从传统的压缩机、离心机等中高速设备逐渐扩大到航空发动机、(微型)燃气轮机等超高速设备中。基于实际超高速工况特点,对转速范围为10 000~120 000r/min时的干气密封性能进行了系统性仿真计算,结果发现:在一定几何参数和工况参数下,类似于气浮轴承的微振动现象,干气密封会出现疑似受气体压力波动流影响的开启力、泄漏量与转速非正相关变化的扰流现象,尤其在高压、大膜厚、小槽深时的扰流效应愈加显著;在转速持续增大过程中,干气密封微尺度流场会出现二次拐点现象,且一次拐点发生转速与设计参数有关,而二次拐点发生转速基本约为90 000r/min。同时结合导流织构的设计思路,进一步研究了超高速下干气密封槽底导流织构的驱动导流效应,结果表明:加设导流织构后,承载效果明显提高,拐点发生工况延后且压力波动区域被压缩。表明导流织构具有良好的抑制扰流、维持开启力与转速持续正相关的作用,在此基础上,进一步阐释了导流织构的抑扰机制,以期为突破干气密封在超高速工况下的应用壁垒提供新思路。

关键词：密封超高速导流织构扰流效应导流效应

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