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Exploration of the mechanism of cavitation vortex rope and vortex development in the draft tube of tubular turbine units

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International Journal of Agricultural and Biological Engineering 2024年第1期17卷 163-171,F0002页

作者： Chuang Cheng zhenggui li Changrong Shen Shenglong Gu Chuchu Zeng Chuanzheng Bai Meng liu Junfeng Hu Qinghai University of Science and Technology Xining 810000China Key Laboratory of Fluid and Power Machinery Ministry of Education(Xihua University)Chengdu 610039China South-to-North Water Diversion East Jiangsu Water Source Co. Ltd.Nanjing 210029China School of civil engineering and water resources Qinghai UniversityXining 810016China Dongyuan Branch of Shenzhen Water Planning and Design Institute Co. Ltd.Changsha 410000China

Draft tube vortex rope is considered a special cavitation flow phenomenon in tubular turbine *** vortex rope is one of the most detrimental factors affecting the safety of hydraulic *** this study,ANSYS CFX software was utilized to numerically simulate the internal cavitation flow of a hydraulic turbine draft *** evolution of the cavitation vortex core was characterized by vortex line distribution and vorticity transport *** shape and number of blades influenced the revolving direction and distribution characteristics of the vortex close to the runner cone,which formed a counterclockwise-clockwise-counterclockwise distribution ***,there were many secondary flows in the draft *** cancellation and dissipation between the flows was one of the reasons for reduction in *** the cross-sectional shape of the draft tube was changed,the vorticity was distributed from the center of the vortex rope to all parts of the cross-sectional draft tube,with extreme values at the center and at the *** vortex stretching and dilatation terms played a major role in the change in vorticity,with the baroclinic torque having an effect at the center of the vortex rope,this study is helpful to understand the flow of water in the draft tube and guide the design and optimization of the draft tube in engineering application.

关键词： cavitation vortex rope vorticity transport equation vortex line draft tube

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改变导叶翼型对水泵水轮机“S”特性的影响

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排灌机械工程学报 2024年第1期42卷 1-7页

作者：李琪飞谢耕达韩天丁李正贵兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 甘肃省流体机械及系统重点实验室甘肃兰州730050 西华大学流体及动力机械教育部重点实验室四川成都610039

针对水泵水轮机“S”特性区域的不稳定性问题,提出使用改型活动导叶翼型进行性能提升.以某水泵水轮机模型为研究对象,采用SST k-ω湍流模型对水泵水轮机全流道进行三维数值计算,通过对活动导叶翼型的改型设计,得出流量-转速模拟曲线,分... 详细信息

针对水泵水轮机“S”特性区域的不稳定性问题,提出使用改型活动导叶翼型进行性能提升.以某水泵水轮机模型为研究对象,采用SST k-ω湍流模型对水泵水轮机全流道进行三维数值计算,通过对活动导叶翼型的改型设计,得出流量-转速模拟曲线,分析水泵水轮机组“S”特性改善情况.将计算与试验结果进行对比,并对改型活动导叶翼型前后机组的无叶区进行压力脉动分析.结果表明:在保证整体效率依然保持在92%附近的前提下,新的活动导叶翼型对机组的“S”特性依旧具有改善效果;无叶区压力脉动主要是受到活动导叶叶栅区域的分流在此重新聚集影响,并且与转轮叶片的动静相互扰动引起的;改型后的活动导叶降低了无叶区的压力脉动幅值,提升了水泵水轮机运行中的并网稳定性.

关键词：水泵水轮机 “S”特性曲线活动导叶翼型设计数值计算

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离心式铁磁流体微泵的设计及流动特性分析

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哈尔滨工业大学学报 2024年第4期56卷 137-147页

作者：李望旭李正贵韩伟行怡帆谭善文司国雷陈君辉兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050 流体及动力机械教育部重点实验室(西华大学) 成都610039 四川航天烽火伺服控制技术有限公司成都611130

铁磁流体微泵由于其自润滑性和自密封性,使其更加符合微流控技术应用在生物医学、生命科学、化学分析、航空航天等领域的需求,而在目前的结构设计中无法同时满足加工简单、可靠性高、流动稳定等优势,因此限制其应用及发展。为提高铁磁... 详细信息

铁磁流体微泵由于其自润滑性和自密封性,使其更加符合微流控技术应用在生物医学、生命科学、化学分析、航空航天等领域的需求,而在目前的结构设计中无法同时满足加工简单、可靠性高、流动稳定等优势,因此限制其应用及发展。为提高铁磁流体微泵的可靠性和稳定性,促进其发展和应用,本研究基于铁磁流体的外场控制原理、磁流变效应及介质流体的流体力学行为设计了一种离心式的新型铁磁流体微泵,并应用数值计算分析了介质流体流动特性。结果表明:该微泵可以有效实现泵送过程,当转速为10 r/min时,一个周期内的泵送净流量可达0.07 kg/T,且在两股铁磁流体的交替作用下可以阻断泵腔进口与出口的介质流体质量交换;由于铁磁流体与泵腔结构的动静干涉作用,导致出口流量存在轻微脉动(数量级为10^(-5)),但仍处于层流状态(Re<1),并且由于惯性力与特征尺寸相关而黏滞力与特征尺寸无关等力学因素,导致泵送动力对出口尺寸长度非常敏感,在转速4 r/min、出口段长度9 mm时无法实现有效泵送。同时对铁磁流体与泵送介质流体之间的相界面压力波动和自密封性能进行分析,得到相界面上的压力波动峰值远小于铁磁流体自密封性能,相差3个数量级,从铁磁流体的密封稳定性和界面稳定性角度验证了离心式铁磁流体微泵的可行性。

关键词：铁磁流体微泵惯性驱动泵送过程重叠网格

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双磁源磁性液体密封装置的压力特性实验研究

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武汉大学学报（工学版） 2024年第2期57卷 254-260页

作者：程杰李正贵李望旭李新锐龚佳成西华大学流体及动力机械教育部重点实验室四川成都610039

密封结构优化设计一直是磁性液体密封的研究热点。首先设计了一种新型双磁源磁性液体密封装置,然后利用电磁学原理构建了该密封装置的磁路模型,得到了该结构的间隙、极齿宽度、极齿高度、极齿槽宽度和永磁体轴向宽度的磁路和耐压方程,... 详细信息

密封结构优化设计一直是磁性液体密封的研究热点。首先设计了一种新型双磁源磁性液体密封装置,然后利用电磁学原理构建了该密封装置的磁路模型,得到了该结构的间隙、极齿宽度、极齿高度、极齿槽宽度和永磁体轴向宽度的磁路和耐压方程,接着进行试验验证。研究结果表明:随着间隙的增加,密封压力呈递减的指数变化;随着极齿宽度和极齿槽宽度的增加,密封压力都呈开口向下的抛物线变化,分别在1.5、4.5 mm处取得极大值;随着极齿高度的增加,密封压力呈线性递减变化,但是极齿高度较小时,理论密封压力较大,极齿处存在漏磁,实际密封效果可能不佳,所以建议极齿高度不能取值太小。本装置的总压力相对于仅有轴向极齿的装置增大了约50%,密封能力显著提高。

关键词：磁性液体密封双磁源结构压力特性优化设计

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磁性液体性能及运行工况对密封耐压值的影响

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润滑与密封 2024年第5期49卷 129-135页

作者：陈芳张杰李正贵李望旭邓波闫盛楠颜招强西华大学能源与动力工程学院四川成都610039 西华大学流体及动力机械教育部重点实验室四川成都610039 自贡兆强密封制品实业有限公司四川自贡643020

为研究不同种类磁性液体及密封工况对密封效果的影响,以Fe_(3)O_(4)为磁性颗粒,以链状氟醚油为基液,制备一系列不同颗粒含量、基液分子量的磁性液体,对磁性颗粒及磁性液体的结构、性能进行表征,在搭建的密封试验台上测试磁性液体种类及... 详细信息

为研究不同种类磁性液体及密封工况对密封效果的影响,以Fe_(3)O_(4)为磁性颗粒,以链状氟醚油为基液,制备一系列不同颗粒含量、基液分子量的磁性液体,对磁性颗粒及磁性液体的结构、性能进行表征,在搭建的密封试验台上测试磁性液体种类及运行工况对密封耐压效果的影响。结果表明:制备的磁性颗粒粒径为纳米级,呈近球形形貌,具有较高的饱和磁化强度,磁性液体具有较好的分散稳定性;随颗粒含量增加、基液分子量增大,密封耐压值先增大后减小;在颗粒质量分数为30%、基液分子量为4600 g/mol时,密封耐压值最高;随主轴转速增大,密封耐压值逐渐减小;随密封时间延长,密封耐压值先减小后趋于稳定。

关键词：磁性液体密封耐压值饱和磁化强度密封寿命分散稳定性

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地震波斜入射下水平成层覆盖层地基波动输入研究

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振动与冲击 2024年第8期43卷 248-256页

作者：王飞宋志强刘云贺李闯李正贵胡安奎田庆西华大学能源与动力工程学院成都610039 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 陕西铁路工程职业技术学院陕西渭南714099

覆盖层具有土体动力非线性和结构成层特征,地震波斜入射下覆盖层地基自由场计算难度增大、人工边界吸能能力受到限制,制约了地震波动输入精度和应用。以水平成层覆盖层为研究对象,引入势函数理论,构建了地震波斜入射下顶层幅值矩阵与任... 详细信息

覆盖层具有土体动力非线性和结构成层特征,地震波斜入射下覆盖层地基自由场计算难度增大、人工边界吸能能力受到限制,制约了地震波动输入精度和应用。以水平成层覆盖层为研究对象,引入势函数理论,构建了地震波斜入射下顶层幅值矩阵与任意层幅值矩阵之间的动态传递关系,获得土体时域应变;基于二维应变状态理论,采用等效线性化法反映土体动力非线性,建立了地震波斜入射下非线性水平成层覆盖层地基自由场解析计算方法。利用作者发展的非线性黏弹性人工边界单元模拟远域辐射阻尼效应,近场波动分析中边界单元参数随内层土体单元动剪应变变化,边界单元吸能能力达到最优。结合解析自由场转换得到的等效输入荷载,建立了适用于地震波斜入射下非线性水平成层覆盖层地基地震波动输入方法。该方法能够依据深部斜入射波和地表地震动实现覆盖层地基波动输入,依据地表地震动实现波动输入是避免了通过基底地震动正演自由场等过程。研究了弹性水平双层和非线性水平多层覆盖层地基地震响应,结果表明,波动输入计算获得位移和应力均与解析解有较高拟合度,计算精度高,可为水平成层覆盖层地基上土石坝地震响应研究提供基础。

关键词：水平成层覆盖层土体非线性地震波斜入射自由场波动输入

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新型高转速柱塞泵转速变化压力特性研究

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机床与液压 2024年第10期52卷 168-173页

作者：王羽熙徐立鑫尹大禹李正贵司国雷刘宇辉四川航天烽火伺服控制技术有限公司四川成都611130 西华大学流体及动力机械教育部重点实验室四川成都610039

为了研发高转速、高流量的燃油泵,以新型双斜盘柱塞泵为原型,搭建其流域简化数值仿真模型,研究不同转速下柱塞腔压力脉动机制及演变规律。对比不同转速下柱塞泵压力脉动,探究转速变化对压力大小影响;结合柱塞泵旋转过程中柱塞腔和配流... 详细信息

为了研发高转速、高流量的燃油泵,以新型双斜盘柱塞泵为原型,搭建其流域简化数值仿真模型,研究不同转速下柱塞腔压力脉动机制及演变规律。对比不同转速下柱塞泵压力脉动,探究转速变化对压力大小影响;结合柱塞泵旋转过程中柱塞腔和配流盘的位置和压力变化,研究运行过程中柱塞腔内部压力波动成因。结果表明:随着转速的增加,柱塞腔内部各点压力值提高,但整体压力波动趋势一致;柱塞腔内部压力波动受到与配流盘接触情况和柱塞泵活塞一侧往复运动的影响。

关键词：高转速柱塞泵结构优化数值模拟压力变化

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Study on S-shaped region of pump turbine based on Omega vortex analysis method and entropy production theory

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International Journal of Agricultural and Biological Engineering 2023年第3期16卷 102-109,F0003页

作者： zhenggui li Hongji Zeng Kun Wang Xiaodong Peng Shengnan Yan Qin Zhao Key Laboratory of Fluid and Power Machinery Ministry of Education(Xihua University)Chengdu 610039China Key Laboratory of Fluid Machinery and Engineering of Sichuan Province Xihua UniversityChengdu 610039China

In order to comprehensively analyze the operation instability of the pump turbine S-shaped region,this paper uses DDES turbulence model to calculate the model pump turbine from the perspective of the evolution law of runner vortex and draft tube vortex rope and entropy production rate,combined with *** results show that the numerical simulation is in good agreement with the *** vortex analysis method is more accurate than other vortex recognition methods because it is not affected by the threshold *** vortices at the runner region under the runaway condition and the turbine brake condition develop towards the vaneless space and the blade pressure surface respectively,which will cause the flow obstruction and blade *** overall vorticity of the reverse pump condition is the *** vortex rope of the draft tube under runaway and turbine brake conditions is columnar in shape and has very high rotational *** vortex rope under reverse pump conditions is prone to fracture and form scattered vortices,impeding the normal movement of the *** entropy production rate of the spanwise surface near the upper ring and the lower crown is greater than the middle spanwise surface due to the boundary layer *** the energy dissipation in the runner under reverse pump conditions is characterized by high at both ends of the runner and low in the *** energy dissipation near the wall of the straight cone section of the draft tube is large due to the squeezing effect of the vortex rope on the flow.

关键词： pump turbine S-shaped region vortex analysis method vortex evolution entropy production rate

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Dynamic instability of a pump-turbine in load rejection transient process

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Science China(Technological Sciences) 2018年第11期61卷 1765-1775页

作者： FU XiaoLong li DeYou WANG HongJie ZHANG GuangHui li zhenggui WEI XianZhu School of Energy Science and Engineering Harbin Institute of Technology Key Laboratory of Fluid and Power Machinery (Xihua University) Ministry of Education Sichuan State Key Laboratory of Hydro-Power Equipment Harbin Institute of Large Electrical Machinery

Load rejection is one of the most crucial transient processes in pump-turbines. However, only a few achievements on the internal flow mechanism of pump-turbines in load rejection processes have been presented. In this study, firstly, the load rejection process in a pump-turbine was simulated with a three-dimensional unsteady turbulent numerical method using the technology of dynamic mesh and the user-defined functions in the FLUENT software. The rotational speed predicted through numerical simulation agrees well with experimental data. Secondly, based on numerical simulations, a dynamic instability in the load rejection process was found and presented that the pressure and performance characteristics, including hydraulic torque on the runner and the discharge, fluctuate in the overall trend. Meanwhile, all the performance characteristics and the pressure fluctuate sharply near the operating condition points, where hydraulic torque on the runner is equal to zero or reverse flow is maximum at reverse pump conditions. Finally, the time-frequency features and formation mechanism of the dynamic instability were analyzed emphatically. The analysis of the internal flow in the pump-turbine reveals that dynamic instability in the load rejection process are mainly caused by the vortex flow in the tandem cascades regions. Furthermore, the possible methods to improve the dynamic instability in the load rejection process were recommended.

关键词： pump-turbine load rejection process dynamic instability numerical simulation

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Effects of medium fluid cavitation on fluctuation characteristics of magnetic fluid seal interface in agricultural centrifugal pump

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International Journal of Agricultural and Biological Engineering 2021年第6期14卷 85-92页

作者： zhenggui li Wangxu li Qifan Wang Ru Xiang Jie Cheng Wei Han Zhaoqiang Yan Key Laboratory of Fluid and Power Machinery Ministry of EducationXihua UniversityChengdu 610039China Huaneng Gansu Hydropower Development Co. LtdLanzhou 730000China School of Energy and Power Engineering Lanzhou University of TechnologyLanzhou 730050China Zigong Zhaoqiang Sealing Products Industrial Co. LtdZigong 643000SichuanChina

The fluctuation law of magnetic fluid seal interface of an agricultural centrifugal pump is theoretically unknown;the pressure and velocity fluctuations are crucial factors that cause interface *** this study,the pressure and velocity fluctuations of the sealing interface on an agricultural centrifugal pump during cavitation were investigated based on the methods of Ansys CFX numerical calculation and experimental *** results demonstrated that at the same flow rate,the pressure fluctuation amplitude of the sealing interface decreased gradually from the shaft surface to the bottom of the polar *** different flow rates,the amplitude of the pressure fluctuation decreased with an increase in the flow *** cavitation of the medium aggravated the impact and water hammer of the liquid,leading to the occurrence of the jitter phenomenon in the sealing interface to accelerate the fluctuation frequency of the axial velocity of the sealing liquid,which accelerated the emulsification of the magnetic *** law can provide a reference for the design of magnetic fluid sealing devices for agricultural centrifugal pumps.

关键词： centrifugal pump magnetic liquid sealing device medium cavitation interface fluctuations

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