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导水叶栅对冲击式水轮机喷射机构流动及磨损特性影响研究

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导水叶栅对冲击式水轮机喷射机构流动及磨损特性影响研究

作者：邓晓飞西安理工大学

学位级别：硕士

水电是实现“双碳”目标的重要力量。冲击式水轮机是超高水头段水电开发的主力机型,目前对冲击式水轮机的研究主要集中在水斗上,而对喷射机构、进水管及导水叶栅的研究相对薄弱。喷射机构是冲击式水轮机形成射流冲击水斗的核心部件,进... 详细信息

水电是实现“双碳”目标的重要力量。冲击式水轮机是超高水头段水电开发的主力机型,目前对冲击式水轮机的研究主要集中在水斗上,而对喷射机构、进水管及导水叶栅的研究相对薄弱。喷射机构是冲击式水轮机形成射流冲击水斗的核心部件,进水管形式、导水叶栅数、导水叶栅出水角及泥沙磨损都直接影响着射流质量,进而影响机组运行效率和安全。因此,对喷射机构的进水管形式、导水叶栅参数及泥沙磨损特性的研究是十分必要的。本文应用RNG k-ε、VOF、DPM和Generic模型分析工作水头和喷针行程对六喷嘴冲击式水轮机喷射机构流动特性的影响,并研究导水叶栅数及导水叶栅出水角对考虑进水管形式的喷射机构流动及磨损特性的影响。本文的主要工作及结论如下:(1)对六喷嘴冲击式水轮机喷射机构进行两相流数值模拟,通过喷针表面压力分布对比验证了本文所采用的两相流求解方法的可靠性。分析了考虑配水环管的喷射机构的基本特性,研究了水头和行程对配水环管和喷射机构的流场及能量损失的影响,得到了配水环管和喷射机构内迪恩涡的发展演变规律。(2)对考虑进水管形式(直管、弯管)的喷射机构进行两相流计算,分析了导水叶栅数(2、3、4、5、6、8)和导水叶栅出水角(60°、75°、90°、105°、120°)对喷射机构流动特性的影响。发现弯管恶化了喷射机构内部流态;导水叶栅增多,在水平方向的射流扩散及液面变形减弱,但造成更多的拉伸涡向下游发展,使液面扭曲变形,影响射流质量;其中,具有3和5个导水叶栅的喷射机构在竖直方向的射流偏心影响较明显。导水叶栅出水角为120°的喷射机构内侧导水叶栅引起的拉伸涡强度最弱。因此,在工程应用中,尽量选用导水叶栅较少且为偶数的冲击式水轮机喷射机构。(3)在喷射机构两相流计算的基础上加入泥沙进行磨损计算,通过直进水管喷射机构磨损分布规律对比验证了本文所采用的磨蚀求解方法的可靠性。研究了导水叶栅数和导水叶栅出水角对喷射机构磨损特性的影响。发现弯进水管使喷针内侧磨蚀加剧;导水叶栅增多,喷针及喷嘴相应区域磨蚀加剧;导水叶栅出水角增大,喷针表面磨损区域略有改善,喷嘴磨损区域无明显变化;导水叶栅出水角为60°和120°的喷射机构内部涡结构及射流质量相对有所改善。可为冲击水轮机的结构优化、磨损预测等提供一定的参考。

关键词：冲击式水轮机喷射机构导水叶栅进水管迪恩涡磨蚀数值模拟

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空化泡射流对颗粒的驱动作用研究

空化泡射流对颗粒的驱动作用研究

作者：赵锋中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

在水力机械运行过程中,当空化与泥沙颗粒同时存在时,二者将产生协同作用(即“磨蚀”作用),其对过流部件造成加速破坏,作用甚至超过空蚀或泥沙磨损单独作用效果的叠加。磨蚀作用严重影响水力机械的安全稳定运行,是水力机械领域亟待解决... 详细信息

在水力机械运行过程中,当空化与泥沙颗粒同时存在时,二者将产生协同作用(即“磨蚀”作用),其对过流部件造成加速破坏,作用甚至超过空蚀或泥沙磨损单独作用效果的叠加。磨蚀作用严重影响水力机械的安全稳定运行,是水力机械领域亟待解决的关键问题之一,但其微观机理特别是空化泡与泥沙颗粒相互作用的机制仍有待进一步深入研究。本研究聚焦空化泡在颗粒附近溃灭时所产生的射流作用,搭建了与颗粒作用的空化泡射流发生与测量系统,对颗粒附近的空化泡动力学特征、射流强度及其影响因素进行了定量研究,并对比了射流与空化泡整体对颗粒的驱动作用。研究得到的主要成果如下:设计了颗粒孔板,搭建了空化泡射流发生与观测系统,并对空化泡的产生、射流压力测量等实验的稳定性与可重复性进行了测试,确定了关键实验参数。基于此系统,首先观测了空化泡在颗粒孔板下方的演变过程。在空化泡生长阶段形心位置较为固定基本不变化;溃灭阶段空化泡形心开始向着颗粒运动,随着空化泡的增大运动距离而逐渐增大。空化泡溃灭时的基本形态为椭球形、棒状、锥形、齿根状。对比发现,上述演化过程与空化泡在球形颗粒附近的动力学特征相似,进而验证了本实验方法的有效性。随后,对空化泡溃灭时所产生的射流压力进行了测量,并对其影响因素进行了研究。发现射流压力随着颗粒半径增大而减小;随着空化泡最大半径增大而增大;随着空化泡与颗粒的距离增大而减小。空化泡远离颗粒端的泡壁速度也体现出与上述相同的规律。同时,计算了球形颗粒附近空化泡溃灭过程中的开尔文冲量,其大小和方向可以表征颗粒附近空化泡溃灭时的射流强度和方向。空化泡位于颗粒附近不同位置时,开尔文冲量的方向总是指向颗粒的几何中心。随着空化泡与颗粒距离的增大,颗粒附近空化泡产生的开尔文冲量绝对值减小,射流强度减小。空化泡在颗粒下方产生时,开尔文冲量随着与颗粒的距离减小而变大,且增速逐渐变大,方向为竖直向上指向颗粒。最后,研究了空化泡射流对颗粒的驱动作用。射流对静止的颗粒具有加速作用,其可使颗粒朝向远离空化泡的方向运动。在作用时长相同的情况下,空化泡与颗粒距离越大颗粒的位移越小、能达到最大速度越小;空化泡最大半径越小,颗粒位移越小、最大速度越小;颗粒曲率越小,颗粒位移越小、最大速度越小。通过对比射流对颗粒的驱动作用和空化泡整体对颗粒的作用,发现在不同的参数区间内空化泡与颗粒作用的机制不同。射流作用后颗粒的速度大于空化泡剔除射流后作用颗粒的速度,射流压力大于辐射压力,射流为空化泡驱动颗粒运动的主要机制,此时颗粒远离空化泡运动;射流作用后颗粒的速度小于空化泡剔除射流后作用颗粒的速度,辐射压力大于射流压力,辐射压力为空化泡驱动颗粒运动的主要机制,此时颗粒朝向其运动。

关键词：磨蚀空化泡空化射流加速颗粒开尔文冲量

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长距离浆体管道输送管壁磨蚀研究

矿冶工程 2004年第2期24卷 1-3页

作者：邹伟生吴桂凤黄家祯北京科技大学北京100083 中国大洋矿产资源研究开发协会北京100860 长沙矿冶研究院湖南长沙410012

长距浆体管道输送是一种新型的利用水力输送固体物料的运输方式。管壁磨蚀率是管道设计的重要依据之一。研究了在不同pH值、流速、矿浆颗粒粒度条件下铁精矿对A3、45 # 和 16Mn 3种钢材管壁的磨蚀情况 ,结果表明 ,16Mn和 45 # 钢材管道... 详细信息

长距浆体管道输送是一种新型的利用水力输送固体物料的运输方式。管壁磨蚀率是管道设计的重要依据之一。研究了在不同pH值、流速、矿浆颗粒粒度条件下铁精矿对A3、45 # 和 16Mn 3种钢材管壁的磨蚀情况 ,结果表明 ,16Mn和 45 # 钢材管道具有较好的耐磨性能 ,磨蚀率较A3钢低 ,在管道设计时应优先采用 ;颗粒粒径对管壁磨蚀具有显著影响 ,铁精矿颗粒 -0 .0 40mm粒级含量在 80 %以上 ,且最大粒级在 0 .12 5mm以下时 ,45 # 和 16Mn钢的管壁磨蚀率在 0 .2

关键词：管道输送管壁磨蚀铁精矿矿浆钢管

空化泡与高速运动颗粒相互作用的动力学特性及机制研究

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空化泡与高速运动颗粒相互作用的动力学特性及机制研究

作者：康朝中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

在流体机械中,若工质流体内存在杂质颗粒,则空化与杂质颗粒将产生协同作用,即“磨蚀”作用。磨蚀对过流部件的破坏要远大于空蚀或磨损单独作用效果的叠加。磨蚀将对流体机械过流部件表面产生严重损害,导致流体机械运行不稳定,出现安全... 详细信息

在流体机械中,若工质流体内存在杂质颗粒,则空化与杂质颗粒将产生协同作用,即“磨蚀”作用。磨蚀对过流部件的破坏要远大于空蚀或磨损单独作用效果的叠加。磨蚀将对流体机械过流部件表面产生严重损害,导致流体机械运行不稳定,出现安全问题。在流体机械运行过程中,杂质颗粒跟随工质一起流动,具有一定的运动速度。因此,为了贴合实际工程应用,空化泡与高速运动颗粒的相互作用亟需深入研究。本论文聚焦空化泡与运动颗粒相互作用,设计了颗粒加速装置,搭建了二者相互作用的实验系统。对运动颗粒附近空化泡动力学特征、颗粒速度变化量及其影响因素进行了定量研究。并对空化泡产生的声辐射压力对颗粒速度变化量的影响进行了理论分析。本论文取得的主要成果如下:搭建以电磁发射器为主体的颗粒加速装置,并与激光诱导单空化泡实验台共同构成空化泡与运动颗粒相互作用实验系统。对颗粒速度稳定性、颗粒水平偏移量、空化泡稳定性进行测试分析,确定了相关实验参数。其中,颗粒最高运动速度可达9.00 m/s。基于上述实验台,首先,对位于高速运动颗粒侧方的空化泡的动力学特征、形心运动、颗粒运动等进行了分析。颗粒在加速器作用下竖直向上运动,位于其轨迹右侧的空化泡主要以水滴形、月牙形、棒状形态溃灭演变。空化泡以水滴形演变时,其形心沿凸起方向运动;空化泡以月牙形演变时,其形心做顺时针旋转运动;空化泡以棒状演变时,其形心基本无运动。空化泡在颗粒侧方生长、溃灭对颗粒的运动状态基本无可观测到的影响。其次,对空化泡位于运动颗粒下方时(二者中心位于同一竖直连线上)的空化泡动力学特征、形心运动进行分析。空化泡在溃灭期以水滴形形态演变,其形心基本无运动。在空化泡演变周期内,颗粒一直向上运动。对空化泡-运动颗粒相互作用影响因素进行定量分析发现,随着空化泡-运动颗粒间初始距离增大,颗粒速度变化量减小;随着空化泡半径增大,颗粒速度变化量增大;随着颗粒初始速度增大,颗粒速度变化量减小。最后,理论计算了空化泡产生的声辐射压力对运动颗粒速度变化量的影响。在静止颗粒附近空化泡生长、溃灭,颗粒所受声辐射压力的变化趋势在空化泡膨胀、溃灭阶段呈“对称性”。而在运动颗粒附近空化泡生长、溃灭,颗粒所受到的声辐射压力在空化泡膨胀、溃灭阶段的趋势呈“不对称性”。随着空化泡-运动颗粒间初始距离增大,颗粒所受声辐射压力减小,声辐射压力“不对称性程度”λ减小,颗粒速度变化量减小;随着空化泡半径增大,颗粒所受声辐射压力增大,声辐射压力“不对称性程度”λ增大,颗粒速度变化量增大;随着颗粒初始速度增大,颗粒所受声辐射压力变化不明显但呈递减趋势,声辐射压力“不对称性程度”λ增大,颗粒速度变化量减小。

关键词：空化泡磨蚀高速运动颗粒声辐射压力

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防治水轮机前盖板的磨蚀破坏

水利水电技术 1992年第6期23卷 32-35页

作者：许国光水电部天津勘测设计院

多泥沙河流上兴建水电站,水轮机过流部件遭到泥沙磨损。从海滦河、黄河至西南和西藏,东起福建,西到新疆的内陆河系,无论是坝后式厂房,或渠道引水式电站,都不同程度存在这个问题,其中卧式混流机组的前盖板(或立式机组的顶盖),磨蚀破坏是... 详细信息

多泥沙河流上兴建水电站,水轮机过流部件遭到泥沙磨损。从海滦河、黄河至西南和西藏,东起福建,西到新疆的内陆河系,无论是坝后式厂房,或渠道引水式电站,都不同程度存在这个问题,其中卧式混流机组的前盖板(或立式机组的顶盖),磨蚀破坏是很突出的,严重影响安全运行和经济效益。

关键词：水轮机前盖板磨蚀原因

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PFBC—CC燃机叶片腐蚀／磨蚀试验装置

工程热物理学报 1996年第S1期17卷 211-214页

作者：仲兆平戴锅生章名耀王双群王世栋徐爱群东南大学热能工程研究所东南大学分析中心

ＰＦＢＣ—ＣＣ燃机叶片腐蚀／磨蚀试验装置仲兆平，戴锅生，章名耀，王双群（东南大学热能工程研究所南京２１００９６）王世栋，徐爱群（东南大学分析中心南京２１００９６）关键词ＰＦＢＣ－ＣＣ，燃气轮机叶片，腐蚀，磨蚀１前言增... 详细信息

ＰＦＢＣ—ＣＣ燃机叶片腐蚀／磨蚀试验装置仲兆平，戴锅生，章名耀，王双群（东南大学热能工程研究所南京２１００９６）王世栋，徐爱群（东南大学分析中心南京２１００９６）关键词ＰＦＢＣ－ＣＣ，燃气轮机叶片，腐蚀，磨蚀１前言增压流化床燃烧燃气一蒸汽联合循环（Ｐ...

关键词： PFBC-CC 燃气轮机叶片腐蚀磨蚀

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混凝土路面冻融-磨蚀复合作用机理研究

混凝土 2008年第9期 7-9页

作者：柳俊哲吕丽华张振文宁波大学土木工程系浙江宁波315211 东北林业大学土木工程学院黑龙江哈尔滨150040

研究了冻融与磨耗复合作用下的混凝土耐久性能。研究结果表明:先冻后磨混凝土试件冻融次数越大,磨蚀后的磨坑及磨蚀质量损失越大;冻融与磨耗复合作用下的混凝土质量损失比先冻后磨及先磨后冻试件质量损失大很多,这是因为两种作用互为促... 详细信息

研究了冻融与磨耗复合作用下的混凝土耐久性能。研究结果表明:先冻后磨混凝土试件冻融次数越大,磨蚀后的磨坑及磨蚀质量损失越大;冻融与磨耗复合作用下的混凝土质量损失比先冻后磨及先磨后冻试件质量损失大很多,这是因为两种作用互为促进,加速劣化过程。将无机磨耗试验方法引用到混凝土路面的耐磨性评价方法中,明确了无机磨耗试验方法可以用于模拟路面实际三体磨损状态,评价路面混凝土耐磨性能。

关键词：混凝土路面冻融磨蚀复合作用机理

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基于DDPM的螺旋离心泵磨蚀特性分析

兰州理工大学学报 2017年第3期43卷 54-60页

作者：李仁年辛芳韩伟李世姗张国良兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050

应用雷诺涡黏模型、DDPM(density discrete phase model,稠密离散相模型)及颗粒直径Rosin-Rammler分布方法,以黄河含沙水为介质,对一台100LN-7型螺旋离心泵内固液两相流动进行全三维数值模拟,并与基于Mixture混合多项流模型的泵内两相... 详细信息

应用雷诺涡黏模型、DDPM(density discrete phase model,稠密离散相模型)及颗粒直径Rosin-Rammler分布方法,以黄河含沙水为介质,对一台100LN-7型螺旋离心泵内固液两相流动进行全三维数值模拟,并与基于Mixture混合多项流模型的泵内两相流动数值模拟结果进行对比分析,得到不同粒径和固相体积分数对应的泵过流部件的磨蚀规律及磨蚀强度.结果表明:颗粒混合状态不同会形成不同的粒径分布,混合粒径中平均粒径增大导致叶片进口边及工作面轮缘线附近磨蚀强度增大,平均粒径为1mm时整台泵过流部件磨蚀率达到最大值,平均粒径继续增大磨蚀率反而降低;固相体积分数的增大使整台泵过流部件的磨蚀强度显著提高,叶片背面较其他部位磨蚀强度大;Mixture模型下固相体积分数较高部位与稠密离散相模型下颗粒磨蚀部位相对应,局部区域存在较高体积分数的固相颗粒增加了过流部件表面发生磨蚀的几率,但DDPM模型数值模拟表明只有部分颗粒参与局部区域的塑性磨蚀.

关键词：螺旋离心泵磨蚀稠密离散相粒径分布

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流固耦合方法在侵彻弹体磨蚀研究中的应用

爆炸与冲击 2013年第S1期33卷 16-22页

作者：浦锡锋王仲琦白春华周刚西北核技术研究所陕西西安710024 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

针对高速侵彻问题中磨蚀过程的特点,初步实现了磨蚀处理模型与流固耦合计算程序的结合。其中弹体运动由拉氏网格描述,靶板材料运动由欧拉网格描述,弹靶间的相互作用以流固耦合技术实现,弹体表面磨蚀等局部效应采用节点回退的弹形修正方... 详细信息

针对高速侵彻问题中磨蚀过程的特点,初步实现了磨蚀处理模型与流固耦合计算程序的结合。其中弹体运动由拉氏网格描述,靶板材料运动由欧拉网格描述,弹靶间的相互作用以流固耦合技术实现,弹体表面磨蚀等局部效应采用节点回退的弹形修正方法描述。弹体和靶板之间的相互作用由流固耦合方法描述。流固耦合技术的引入可以使得磨蚀处理时回避节点回退与Lagrangian接触算法协调的问题。该方法已经编程实现,数值算例结果表明该处理方法基本可行。

关键词：爆炸力学磨蚀 Euler-Lagrange耦合高速侵彻