水力机械中涡流引起的压力脉动分析及控制

本书根据作者在相关领域的研究成果和参考近年来国内外部分资料撰写而成，系统地介绍了叶片式水力机械中典型涡流的特征、产生和发展机理、流动模型，涡识别方法，数值模拟预测与验证方法，模型试验中的流态观测、压力脉动测试，以及典型涡流及引起的压力脉动的控制方法和技术，并根据各章节内容，给出了大量的工程应用实例分析。

目录
第1章 绪论1
1.1 水力机械及内部流动特点1
1.2 叶片式水力机械中的典型涡流及引起的压力脉动5
1.2.1 水轮机尾水管中的涡带6
1.2.2 水轮机转轮中的叶道涡9
1.2.3 卡门涡街10
1.2.4 半开式叶轮的叶顶间隙泄漏涡13
1.2.5 叶片式水泵吸入流道中的涡流15
1.3 水力机械中的压力脉动成因及分类17
1.3.1 水力机械中的压力脉动成因17
1.3.2 水力机械中的压力脉动分类17
1.3.3 不同运行工况下叶片式水力机械中的压力脉动特征18
1.4 涡流引起的压力脉动特点与危害20
1.5 涡流与压力脉动的研究方法及其发展趋势22
1.5.1 理论分析22
1.5.2 试验研究23
1.5.3 数值模拟24
参考文献25
第2章 水力机械的流体动力学和涡量场基础29
2.1 流体运动的空间描述29
2.1.1 描述流体流动的物理量29
2.1.2 基于张量表达流动的定理31
2.2 流体运动学34
2.2.1 拉格朗日描述和欧拉描述及黏附条件34
2.2.2 流体运动的变形与涡量37
2.2.3 流体在边界上的变形与涡量40
2.3 连续介质流体动力学41
2.3.1 连续性方程42
2.3.2 动量定理、应力张量和柯西运动方程43
2.3.3 角动量方程44
2.3.4 能量转化方程44
2.4 本构关系与牛顿流体流动的基本方程46
2.4.1 柯西-泊松本构方程46
2.4.2 纳雅-斯托克斯方程及其斯托克斯-亥姆霍兹分解48
2.5 水力机械中的流动计算分析模型51
参考文献53
第3章 水力机械中的涡动力学基础55
3.1 涡量运动学基础55
3.1.1 涡量场的空间特性56
3.1.2 涡量场的时间特性61
3.1.3 环量守恒流67
3.2 涡量动力学基础70
3.2.1 涡量动力学方程71
3.2.2 涡量产生及扩散的动力学机制73
3.3 基本漩涡流动77
3.3.1 二维漩涡77
3.3.2 有轴向流动的轴对称漩涡80
3.4 涡量场与运动物体的相互作用83
3.4.1 固壁产生涡量的过程与边界耦合83
3.4.2 近壁涡量进入流体域的机制84
3.4.3 固壁边界拟涡能流86
3.4.4 涡量场对运动物体的反作用87
3.4.5 表达方程的定解边界条件87
3.5 涡识别方法88
3.5.1 螺旋度88
3.5.2 Q准则89
3.5.3 λ2准则89
3.5.4 准则90
3.5.5 准则90
3.5.6 其他的涡识别方法90
参考文献90
第4章 水力机械中的涡流观测及压力脉动测试92
4.1 水力机械通用试验台及模型试验92
4.2 水力机械内特性测试技术及涡流观测技术95
4.2.1 内流场测试技术95
4.2.2 内部流态观测技术96
4.3 水力机械中的涡流观测99
4.3.1 混流式水轮机尾水管涡带99
4.3.2 水轮机转轮中的叶道涡观测101
4.3.3 水泵水轮机无叶区涡流流场测量103
4.3.4 模型试验中转轮叶片出水边的卡门涡观测104
4.3.5 泵站进水池的漩涡观测105
4.4 水力机械中的压力脉动测试108
4.4.1 压力脉动测试系统108
4.4.2 水力机械压力脉动测试方法108
4.4.3 压力脉动评价方法与算法110
4.4.4 水力机械中压力脉动测试结果表示方法111
参考文献114
第5章 水轮机中的涡流及压力脉动数值模拟与验证115
5.1 反击式水轮机中的典型涡流及特征115
5.2 尾水管中的涡流及压力脉动数值模拟116
5.2.1 基于螺旋涡理论的尾水管涡带近似解析计算模型及验证116
5.2.2 基于三维流动数值计算的尾水管涡带模拟124
5.3 叶道涡及压力脉动的数值模拟137
5.3.1 叶道涡的形成原因、特征与运行工况的关系137
5.3.2 基于三维流动数值计算的叶道涡模拟138
5.3.3 叶道涡引起的压力脉动预测及分析141
5.4 水轮机中的卡门涡及引起的压力脉动数值模拟144
5.4.1 受卡门涡影响的水轮机过流部件及引起的压力脉动特点144
5.4.2 水轮机中卡门涡流动数值模拟145
参考文献147
第6章 叶片泵中的涡流及压力脉动数值模拟与验证149
6.1 叶片泵的流道特点及流道中的涡流149
6.2 混流式核主泵中的涡流及压力脉动数值模拟150
6.2.1 混流式核主泵运行要求及三维流动数值模拟方法150
6.2.2 混流式核主泵惰转过渡过程中的涡流模拟153
6.2.3 混流式核主泵中压力脉动数值模拟158
6.3 半开式叶轮叶片泵的叶顶间隙泄漏涡数值模拟160
6.3.1 螺旋轴流式多相混输泵及流动特点161
6.3.2 螺旋轴流式混输泵及多相流场的数值模拟方法161
6.3.3 叶顶间隙泄漏涡的特征及可视化数值模拟163
6.3.4 叶顶间隙泄漏涡引起的压力脉动分析164
6.4 高速泵诱导轮中的空化涡流数值模拟168
6.4.1 高速离心泵的诱导轮设计方案168
6.4.2 高速离心泵中空化流场数值模拟分析169
6.4.3 诱导轮中空化涡流的可视化数值模拟分析171
参考文献172
第7章 水轮机中涡流引起的压力脉动控制174
7.1 水轮机尾水管涡流引起的压力脉动控制174
7.1.1 抑制水轮机尾水管中涡带的主要途径174
7.1.2 采用补气和射流抑制尾水管涡带和降低压力脉动175
7.1.3 采用几何参数不同的泄水锥抑制尾水管涡带和降低压力脉动180
7.1.4 采用筋板和导流板改善涡流结构和降低压力脉动188
7.1.5 通过变转速运行方式抑制尾水管涡带和降低压力脉动189
7.2 叶道涡引起的压力脉动控制193
7.2.1 合理设计转轮叶片193
7.2.2 通过转轮上游侧补气降低叶道涡的影响198
7.3 卡门涡引起的压力脉动控制198
7.3.1 水力机械中受卡门涡影响的绕流部件198
7.3.2 避免卡门涡引起绕流部件共振的控制方法199
7.3.3 避免卡门涡引起绕流部件共振的设计原则202
参考文献204
第8章 叶片泵中涡流引起的压力脉动控制208
8.1 叶片泵中抑制涡流及降低压力脉动的策略和方法208
8.2 半开式叶轮泄漏涡及引起的压力脉动控制211
8.2.1 叶顶间隙泄漏涡的控制方法211
8.2.2 采用“T”形叶片和周向槽抑制叶顶间隙泄漏涡211
8.2.3 基于成组沟槽的叶顶间隙泄漏涡空化抑制方法226
8.3 离心泵叶轮叶道涡及引起的压力脉动控制229
8.3.1 低比转速离心泵叶轮中叶道涡的抑制方法229
8.3.2 通过缝隙引流抑制叶轮叶道涡和降低压力脉动229
8.4 离心泵叶轮尾迹涡及蜗壳压力脉动抑制233
8.4.1 叶轮尾迹涡引起的蜗壳压力脉动抑制途径233
8.4.2 增设偏置叶片抑制叶轮尾迹涡和蜗壳压力脉动234
参考文献242