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冲击式水轮机具有自由表面流、两相流及非定常流的复杂混合流动；而风洞外部风场的流动为管路射流与外部空气流动所形成的自由剪切流动,因此对其性能的精确预测要更为困难。本研究以冲击式水轮机二重喷管的流动和风洞内部及外部风场中的流动为研究对象,用数值解析方法对其流动进行模拟和预测,一方面优化喷嘴/喷针的水力设计的入流条件,另一方面通过对风洞内外流动的数值解析,为风洞的设计和将来的实际测量试验提供一些建议和指导。该研究对于喷嘴射流与风洞的优化设计制造提供了良好的技术参考。
本研究先对冲击式水轮机二重喷管中的流动进行了研究,冲击式水轮机的喷流质量由喷管内部的流速分布来决定。为了提高喷流干涉数值预测精度,首先需要提高喷管内流速分布的预测精度。由于喷管中有喷针操作轴穿过,喷管是具有内外壁面的二重圆管。冲击式水轮机落差范围非常大,为了正确定量计算两壁面附近的流速梯度,对应不同落差喷管两壁面附近需配置不同密度的网格。接下来,我们对另一种管路——风洞做了更进一步的研究,包括不同尺寸风洞内部的流动状况,不同风场尺寸的外部扩散情况以及入口风机段障碍物对风洞内部及外部风场的影响等等。在风洞的解析技术上有新的突破,定量预测了风洞中的能量损失,风洞及外部风场的流动与管路射流与外部空气所形成的自由剪切流动以及整流栅对于流动的影响。
通过探讨壁面无因次高度y+,找出各落差范围所对应的最优网格密度进行数值计算,对二重喷管壁面附近的速度梯度变化及比尺效应进行正确描述,确定了网格密度的影响以及最优网格高度的确定方法,研究结果为喷管后的两相流动解析及负比尺效应的探讨提供了妥当的技术支持。对风洞所做的研究则包括比较不同的风洞尺寸,证实了不同尺寸风洞的尺度效应,完成了最优风洞尺寸及形状的选择；对外部风场的自由射流、速度分布、能量损失等都做出了考察。根据上述研究结果,定量地预测了风洞中的能量损失,整流栅对于流动的影响,为实验提供了参考意见。