新型多级泵叶轮-导叶耦合流场结构与能量转换机理研究

多级泵是提供高扬程、高压力液体的关键设备，研究多级泵内部流场结构和能量转换机理，对于提高多级泵水力效率，推进节能减排战略具有重要意义。项目综合精细数值仿真、PIV测量和压力同步测量的方法，分别从能量特性的外部特征，涡量场分布、压力变化的内部特征对叶轮-导叶耦合流场的影响进行深入分析。采用平行矢量法分析耦合流场的涡结构，分析新型多级泵叶轮-导叶耦合流场旋涡流动的分布，建立通过边界涡量流和拟涡能等涡量场参数表征旋涡流动的诊断方法，探寻产生不良流动的根源，找到多级泵设计的缺陷部位，为提高和改善多级泵的设计性能和实际运行性能提供判定准则。构建叶轮出口到导叶进口涡量场分布的数学模型，建立叶轮-导叶几何参数与能量转换特性的映射关系，为完善新型多级泵设计方法、进一步提高多级泵性能提供理论依据。 在研究成果方面，项目研制出了系列具有自主知识产权的低成本低能耗新型井用潜水泵，产品功率曲线平坦，效率高，高效范围宽，单级扬程平均比国内外同类产品及国家标准高15%～50%，综合技术指标达到国际领先水平。开发的产品经国内外用户使用，实用性强，深受用户好评，取得了显著的经济和社会效益，促进了行业的发展和技术进步，具有广阔的推广应用前景。项目成果荣获了2015年国家科技进步二等奖。

多级泵是提供高扬程、高压力液体的关键设备，研究多级泵内部流场结构和能量转换机理，对于提高多级泵水力效率，推进节能减排战略具有重要意义。本项目对具有节能节材特性的新型多级泵进行研究，结合大涡模拟、PIV测量和高精度压力测量，采用平行矢量法研究新型多级泵内部流体质点涡运动轨迹，获得不同流面环量、涡量分布特征，揭示叶轮-导叶耦合流场空间旋涡运动规律，建立通过边界涡量流和拟涡能表征流动结构的诊断方法。采用涡量矩理论和有限域理论，分析叶轮-导叶几何参数对叶轮叶片载荷和水力效率的影响规律。基于多学科优化建立叶轮-导叶几何参数与能量转换特性的映射关系，探寻斜切式叶轮斜切量与三维曲面反导叶进口曲面形状的匹配关系。本项目旨在研究新型多级泵叶轮-导叶耦合流场的结构特征并建立诊断方法，揭示新型多级泵内部能量转换机理，为完善新型多级泵设计方法提供理论基础。

流固耦合为制约风敏感结构的关键动力效应，严重威胁结构安全。耦合理论至今尚不完善，故难以更深入认识风振耦合机理。围绕这一难题，本项目基于计算力学理论、数值方法和计算机技术，运用稳定化/光滑有限元方法建立风与结构瞬态耦合的ALE非线性动力模型，研究强风作用下复杂风敏感结构流固耦合作用的数值模拟技术与内在耦合机理。通过优化单场求解策略，构建新型界面修正技术与连续介质守恒律统一公式，旨在提出适应低质量比的分区算法和无矩阵运算的分步型整体算法，探索耦合算法精度不足与效率低下的有效解决途径，突破既有理论局限；基于上述模型与改进方法，确立来风条件对结构振动的影响及动边界对流场的扰动，掌握多气动参数关联变化特征，揭示涡脱落模式转化规律，阐明漩涡耦合结构运动的吸释能机制，进而认清结构风致振动的行为本质，建立实用判断准则实现结构风振破坏预测。研究成果为解决多变风环境下结构流致振动破坏难题提供了新思路和新方法。

膜结构在风荷载作用下的流固耦合问题一直是结构风工程领域的难题，至今没有很好解决。本项目在以往研究工作的基础上进一步完善和深化，力求在以下几个方面有所突破：1）膜结构气弹模型风洞实验研究，首先采用非接触测量系统对张拉膜结构进行了系统的气弹模型实验研究，探讨了膜结构的流固耦合机理。研究表明膜的气弹失稳主要由涡激共振引起，膜结构在风荷载作用下变形到平衡位置并围绕该平衡位置进行振动，特定风速下，流体流经平衡位置会产生旋涡。然后在已有的简化气弹模型力学方法和风洞实验初步成果的基础上，开展大量的类比实验，对膜结构风致振动过程中的气动弹性效应进行了深入的理论分析和风洞实验研究。2）膜结构三维流固耦合数值模拟研究，首先采用WAWS/POD法模拟随机风场，在此基础上引入无散度修正，解决脉动风速时间序列不满足连续性方程，从而影响LES计算的收敛性问题，有效提高计算精度。针对大涡模拟对计算资源要求苛刻的问题，为了提高其运算效率，基于FLUENT软件平台编制了可用于并行计算的用户自定义函数接口程序。在基础上建立更为精确的膜结构三维流固耦合数值模拟方法；完善了申请人提出的简化数值模拟方法，使其更具工程可操作性。3）膜结构流固耦合机理及抗风设计方法研究，在实验研究和数值模拟的基础上，探讨膜结构风致耦合振动机理，给出定量评价膜结构气动弹性效应的指标，系统建立考虑流固耦合效应的膜结构抗风设计方法。 2100433B

随着斜拉桥跨度的增大，拉索的风致振动问题已经成为世界桥梁抗风研究领域的重点研究课题，针对目前斜拉索由风雨载荷引起的振动所遇到的问题，我们提出了一种新型的可抗风减振的三维波浪型斜拉索结构，深入系统的研究了该三维波浪型斜拉索（群）涡致耦合振动动力学问题并详细的探索了其流动控制机理。首先，我们建立了适应于预测波浪型斜拉索结构的涡致耦合振动响应特性的新三维数值计算模型，并实验验证了计算模型的正确性。在此基础上，针对三维波浪型斜拉索涡致耦合振动响应及频率“锁定”现象、三维波浪型斜拉索群的气动干扰效应及其尾流驰振现象以及三维波浪型斜拉索结构风雨激振等方面展开了数值及实验研究。研究结果表明：① 可通过适当波长波幅的三维波浪型斜拉索改变或抑制拉索涡致振动时“锁定”或“拍频”现象，控制流动分离以实现降低风阻、减振或抑振目的。三维波浪型斜拉索涡致振动响应与拉索三维表面形状具有强烈的相关性，研究首次发现三维表面形状波幅参数a/Dm是抑制涡致耦合振动有效的控制参数，振动时其流动模态完全不同于静止绕流。我们明确了不同Re下波长波幅对三维波浪型斜拉索涡致耦合振动响应影响规律；② 某些波长波幅形状的波浪型斜拉索群，下游波浪型斜拉索振动振幅远远小于同工况下的串列直拉索下游振动振幅，其尾流驰振现象被明显抑制了。我们探明了三维波浪型斜拉索群尾流驰振抑制物理机制，波浪型拉索表面三维形状，间距比，Re等对串列双波浪型斜拉索涡致耦合振动响应产生耦合的影响，一方面上游斜拉索发展了十分稳定的后尾迹，对下游拉索起完全屏蔽作用（间距比小于10时），另一方面随着拉索表面三维形状波幅a/Dm的增加，其流体三维特性逐渐增强，对抑制拉索群的尾流驰振带来了十分有益的影响；③ 拉索的三维波浪形状对水线的形成及其运动特征具有明显的影响，选择适当的波长波幅形状能破坏上水线的形成，可有效的抑制拉索的风雨激振。 2100433B