脉动试验（精选6篇）
脉动试验 篇1
圆柱绕流是一个经典的流体力学问题, 广泛存在于水利工程、建筑工程、高空电缆、远洋钻井等科学研究和工程实践领域:如桥墩局部冲刷、桥墩开挖基坑围堰的防护、海洋钻井平台支柱的稳定等皆与圆柱绕流有关, 要较好地解决这些问题, 必须对局部绕流特性有详尽的了解。因此, 它一直是众多理论分析、试验研究和数值模拟的对象。
早在1911年冯·卡门从理论上研究了圆柱绕流产生的两列涡街的稳定性, 此后引起了许多学者对圆柱绕流问题的关注[1];1985年N.E.伊杰里奇克[2]通过试验得出在均匀流条件下, 光滑圆柱体的阻力系数CD与雷诺数Re的相应关系曲线, 此结论对单圆柱体绕流阻力系数的研究进展起到了重要的意义;1996年Williamson等人对二维圆柱绕流涡动力学领域的研究做了全面的总结, 并在2004年分析了尾涡的形成机理[3,4];唐士芳等人[5]也利用物理模型试验, 对圆柱形单直桩和单斜桩进行了试验, 得出了阻力系数与水深的关系曲线;张炜、王元等对圆柱绕流的涡系演变进行了PIV测试 (Re数为510) [6]。
目前, 国内外许多学者对圆柱绕流进行了大量的模型试验和数值模拟, 但其主要集中于深水尾流的研究[7], 而对圆柱绕流脉动流速的测量及紊动特性研究较少涉及, 不能清楚的反映圆柱绕流的水流结构。因此本文根据圆柱周围实测的三维流速资料, 对圆柱桥墩绕流的紊动特性进行了理论分析, 以期能够对圆柱桥墩绕流产生的相关工程问题有所帮助。
1 试验概况
试验在长10 m、宽1.5 m、深0.7 m的动床矩形水槽中进行, 试验研究了不同直径和不同流量下的单圆柱绕流情况。圆柱体直径取5 cm和10 cm的PVC空心管, 流量分别为0.03、0.06和0.08 m3/s。依据沙莫夫 (Г. И. Шамов) [8]泥沙启动流速公式确定上游断面的控制水深。沙莫夫 (Г. И. Шамов) 泥沙启动流速公式为:
由水流连续性方程
式中:Ve为泥沙启动流速, m/s;ρs为泥沙的密度, 取ρs=2.65×103kg/m3;ρ为水的密度, 取ρ=1 000 kg/m3;g为重力加速度;h为水深, m;d为泥沙粒径, mm;d50为泥沙中值粒径, 取d50=0.547 mm;A为过水断面面积, m2;Q为放水流量, m3/s。
将Q=0.06 m3/s代入式 (2) 求得控制水深h=14.62 cm, 保持控制水深不变进行试验。
试验采用高精度三维点式超声波流速仪测定不同流量、不同断面下的瞬时流速。由文献[9,10,11,12]可知, 超声波流速仪对于明渠清水三维瞬时流速测量是合适的。本次试验动床沙粒基本为底层跃移, 且三维瞬时流速测量是在冲刷稳定之后进行的, 属于清水情况下的瞬时流速测量, 所以应用超声波流速仪测量三维瞬时流速对于本次试验是可行的。测流断面和垂线布置如图1所示, 每一断面由渠右岸到左岸垂线分别为1#、…11#号。由于控制水深和流速仪探头尺寸的限制, 沿垂线水深从水面每隔3.5 cm选取1个测点, 共选取3个测点, 分别测取表、中和底层的三维瞬时流速。
2 水流脉动特性分析
2.1 脉动流速的概率分布
将垂线上测取的ux (纵向瞬时流速) 、uy (横向瞬时流速) 、uz (垂向瞬时流速) 分别进行概率统计, 求出各流速区间内流速出现的频率, 点绘经验概率曲线和理论正态概率曲线, 见图2、图3, 图中选取5 cm管径0.03 m3/s流量下断面3垂线2进行分析。理论正态概率密度函数计算公式为[9,10,11]:
式中:f (u) 为瞬时流速u的概率密度函数;
由图2可以看出, 纵、横、垂向脉动流速基本符合正态分布。横向、垂向的脉动流速集中分布在-0.05附近, 而垂向流速尤为集中, 可知垂向流速变化较小。由曲线图的陡坦可知, 纵、横向脉动流速分布态势相近, 垂向最为陡峭, 由此可知纵、横向脉动流速均方差属于同一数量级, 而垂向较小。
由图3可以看出, 随着Y值的增大, 曲线越陡, 脉动流速有递减的趋势, 这主要是因为该垂线距圆柱的距离比较远, 且该组试验流量较小, 水面波动较小, 再加上该试验段的河床为动河床, 所以底部的脉动流速波动会比较大。总体而言, 实测所得概率曲线与理论曲线比较吻合, 基本符合正态分布。
2.2 时均流速沿断面的分布
选取5 cm管径0.03 m3/s流量下断面3时均流速进行分析, 结果如图4。我们规定1#～5#垂线与圆柱中心之间的距离为负, 7#～11#垂线与圆柱中心之间的距离为正, 这在后面其他各项脉动特性的分析中不变。由图4可以看出, 纵向时均流速值最大, 而垂向、横向时均流速相对则较小;由于试验时渠底采用动河床, 因此底层时均流速波动相对中层和表层的较大;在距圆柱中心-10 cm和10 cm附近处, 时均流速波动较大。
2.3 水流紊动强度沿断面的分布
脉动流速的均方根为水流紊动强度, 即
从图5和图6可以看出, 两观测脉动强度分布曲线形态相近。在同一流量下, 随着管径的增大, 它两侧的脉动强度波动就越大, 但脉动强度数值变化微小;还可以看出, 底层脉动强度最大, 表层的最小, 即脉动强度随水深的增大呈递减趋势。
由图7和图8可以看出, 纵向相对紊动强度分布非常均匀, 几乎为恒定值, 数值最小, 接近于0, 横向分布也较均匀;垂向相对紊动强度则波动较大, 在数值上明显大于纵向、横向相对紊动强度。
2.4 雷诺应力沿断面的分布
雷诺应力是因紊动水团的交换在层流之间产生的剪切应力[12]。雷诺应力 的表达式为:
在上式中, 当i=j时, τij为雷诺发向正应力, 当i≠j时, τij为雷诺切应力;ρ为水的密度。根据断面各点实测的3向脉动流速, 可直接计算出雷诺应力的各个分量。图9和图10分别绘出了5 cm管径在0.03 m3/s与0.06 m3/s流量下3断面 的断面分布曲线。
从图9、图10中我们可以看出, 在同一管径下, 随着流量的增大, 纵横垂向的雷诺切应力都呈递增的趋势。对于同一水深, 垂向切应力最大, 横向居中, 纵向最小;对于垂向雷诺切应力, 随着水深的增加呈递减的趋势;在距离圆柱中心位置为-0.25～-0.1 m和0.05～0.2 m范围内纵横垂向雷诺切应力波动较大, 离圆柱较远处则平稳的多。
3 结 语
本文进行的变直径变流量条件下的单圆柱绕流, 从多方面对其脉动特性进行了理论分析, 结果表明:
(1) 纵、横、垂向脉动流速基本符合正态分布, 纵、横向脉动流速分布态势相近, 垂向较陡峭, 且实测资料统计的流速概率分布与理论计算的正态概率分布比较吻合。
(2) 纵向时均流速值最大, 横、垂向相对较小, 底层流速波动较大, 且远离圆柱的地方, 波动相对平稳的多。
(3) 在同一流量下, 圆柱两侧脉动强度随水深的增大呈递减趋势, 且圆柱直径越大, 其两侧的脉动强度越大, 但变化幅度较小。
(4) 在同一管径下, 纵、横、垂向雷诺切应力随着流量的增大而增大;对于同一深度, 垂向最大, 横向居中, 纵向最小;垂向雷诺切应力, 随水深的增大呈递减趋势。
摘要：利用室内矩形水槽, 精细模拟了6个工况下的圆柱绕流运动, 借助三维超声波流速仪量测了不同垂线、不同测点的三维瞬时流速。通过实测的三维瞬时流速资料, 计算了测点三维脉动流速、紊动强度和雷诺应力等脉动要素, 并分析其变化特征。试验结果表明:①实测资料统计的流速概率分布与理论计算的正态概率分布比较吻合, 自由紊流区较近壁强剪切区吻合程度更好;②纵向时均流速值最大, 横垂向相对较小, 底层流速波动较大;③同一流量下, 脉动强度随水深的增大呈递减趋势, 且随着管径的增大, 两侧的脉动强度变大, 但变化幅度较小;④同一管径下, 3个方向雷诺切应力随着流量的增大而增大;对于同一深度, 垂向最大, 横向居中, 纵向最小。
关键词：圆柱绕流,脉动流速,紊动强度,雷诺应力
参考文献
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脉动试验 篇2
当今世界能源危机日益加剧,强化换热成为学者们研究的热点问题,流体脉动对强化换热的影响也引起人们极大的关注。一般认为流体脉动可以破坏热边界层,进而改变热阻以达到强化换热的目的。学者们研究发现,利用流体的脉动可以强化换热。可以使流体产生脉动的措施有很多,如利用往复泵、稳流泵加装机械脉动部件等。本课题的创新之处在于设计制造了可以灵活改变结构的Helmholtz共振腔,并用于强化换热。由于腔体特殊的结构,利用流体动力学不稳定性,在不外加动力的情况下就可以使通过腔室的连续流体产生脉动,并且可以通过改变腔体结构来达到调节脉动特性参数的目的。
2 共振腔设计
当一定参数的流体流过Helmholtz共振腔,流束中不稳定扰动波在穿过腔室剪切层时,由于剪切层是不稳定的,剪切层对扰动波有选择放大作用,形成涡环结构。剪切流动中涡环与下游碰撞壁撞击在碰撞区产生压力扰动波并向上游反射,在上游剪切层分离处诱发新的扰动产生,当新扰动与原扰动频率匹配且具有合适的相位关系时射流上游就不断地周期性激励,其固有波形受到调制,Helmholtz共振腔内就产生流体自激振动并在下喷嘴出口形成脉冲射流[1,2,3]。这种具有一定频率脉动流导致壁面处旋涡的大量产生,从而增加了流体的掺混,破坏换热器的流动边界层的发展,保证壁面处始终处于较好的传热温差状态,从而强化换热[4]。
本课题运用流体网络的水电比拟理论的相关知识,采用等效电路对Helmholtz共振腔进行简化,推导出共振腔固有频率的计算公式,然后讨论共振腔发生谐振的条件,最后设计了共振腔。
根据相关文献[5],我们设计共振腔的简图,并将其简化为等效线路(图1)。
根据水电比拟的流体网络理论,在Helmholtz共振腔的进口和出口,由于流体速度很高,所以应该同时考虑出现流阻和流感,因而在等效线路图中,有两个不同的流阻和两个不同的流感。由对应的等效线路图,可以列出流量和压力的关系方程如下:
G=G1+G2 (1)
undefined
显然,线路的总阻抗为
undefined
虚部为零时,开始谐振。即
undefined
求解式4便可得到Helmholtz共振腔的固有频率为
f固undefined
由上述求解方法可以看出,Helmholtz共振腔的固有频率完全由腔室本身的有关参数决定,它是Helmholtz共振腔固有的性质,只有在外加作用力的频率与Helmholtz共振腔的固有频率相等或成整数倍时,谐振才能发生。因此在实际应用中可以根据使用条件,采取改变参数L和C或改变外加作用力的频率方法使Helmholtz共振腔在其固有频率下产生谐振。
根据这个思路,我们将Helmholtz共振腔设计如图2所示。共振腔主要包括前喷嘴、腔室、后喷嘴、碰撞壁四部分。前喷嘴采用普通的渐缩喷嘴,后喷嘴为直管喷嘴,碰撞壁为截锥面形。
3 自激振荡脉冲射流强化传热实验
为了验证Helmholtz共振腔产生的自激振荡脉冲射流是否可以产生强化传热,我们搭建了实验台进行实验(图3)。
实验在一长2 m的换热器上进行,采用电加热方式。换热器的规格:ϕ12×1.5;加热功率:10 kW。在换热器管壁上布置8对热电偶,以测量管壁温度;在稳流段以前及换热器后布置热电偶各1对,分别测量流体进出口温度;保温层外布置2对热电偶测量保温层外表面温度。
1-前喷嘴;2-腔室;3-后喷嘴
实验中,共振腔的尺寸为:d1=5 mm,d2=6 mm,d=40 mm,共振腔后喷嘴长度为:12 mm、17 mm、18 mm、23 mm、25 mm,腔室长度为:10 mm、11 mm、12 mm、13 mm、14 mm。
通过测量流体进出口温差、流量求得换热量,并得到换热系数h和强化比E。
E=h/h0 (6)
式中 E——换热系数强化比;
h——有共振腔时的换热系数;
h0——没有共振腔时的换热系数。
4 结果及分析
实验在保证流体流速基本稳定的情况下进行,实验中的流速范围是:5～7.5 m/s;换热器的加热功率为:3 028 W、4 378 W、5 288 kW;共振腔前后的压差为:0.425 MPa、0.375 MPa、0.35 MPa、0.31 MPa、0.29 MPa;流量为:0.466 kg/s、0.43 kg/s、0.41 kg/s、0.38 kg/s、0.36 kg/s。实验在不同工况下交叉重复进行,求出不同加热功率和流量条件下的传热系数h及强化比E。
(1)强化比E与流量及压差的关系
本实验中通过调节压力表后的阀门来调节共振腔前后的流量及压差。
强化比E与流量的关系以及流量与压差的关系如图4,5所示。
从图中可以看出:
①在合适的水力参数和结构参数的配合下,Helmholtz共振腔产生的脉动流将明显地强化换热。这是由于随着流量的增大,流体动量随之增大,此时产生的脉动比较强烈,破坏了流动边界层,降低了热阻,从而强化了换热。本实验中的强化比范围是1.01-1.74,比较稳定的强化比是1.1-1.4。
②由于压差与流量呈正相关关系,当压差增大时,将产生更为强烈的脉动流,从而明显地提高流体的紊流程度,强化管内流动换热,故较高压差时的强化比大于较低压差的强化比。
③在流量及压差较小时,使用共振腔时不一定能起到强化换热的作用。原因是:在较小的流量及压差下,射入共振腔的流体动量较小,不足以形成反馈放大的自激振荡现象,并没有形成脉动流或脉动现象比较微弱,不能引起换热段流体的强烈扰动,所以不能强化换热。
(2)强化比E与后喷嘴长度的关系
为了分析Helmholtz共振腔后喷嘴长度对强化换热的影响,保持流量和腔室长度不变,通过加装不同的芯子改变后喷嘴长度,调节范围是12～25 mm。
强化比E和后喷嘴长度的关系如图5所示。
从图5中可以看出,随着共振腔后喷嘴长度的增加,强化比E的变化比较明显,对于一定的共振腔,存在最优的后喷嘴长度。如:当流量=0.466 kg/s,共振腔后喷嘴在18～23 mm时有利于强化换热。
(3)强化比E与腔室长度的关系
为了分析Helmholtz共振腔腔室长度对强化换热的影响,保持后喷嘴长度不变,通过加装不同厚度的垫片改变腔室长度,测得强化比,如图6所示。
从图6中可以看出:腔室长度会影响强化比,随着腔室长度地增加,强化比呈现上下波动。当腔室长度=11 mm和13 mm左右时,强化比最小;当腔室长度=12 mm时,强化比最大。
5 压力损失
图7为压差随流量的变化。随着流量的增大,压差随之增大。因此,随着压差或流量的增加,都将增大流体的脉动程度,达到更佳的换热效果。但是加装了Helmholtz共振腔时的压降总是略大于无共振腔时的压降。也就是说,流体流过共振腔时有压力损失,将Helmholtz共振腔应用于实际换热器时会增加动力投资。但是,相对于换热系数的提高,这部分损失是可以接受的。
6 结论
(1)对于本课题设计的共振腔,只要配合以适当的水力参数,就可以产生自激振荡脉冲射流。
(2)将共振腔产生的自激振荡脉冲射流引入换热器后,当自激振荡的强度达到一定程度后,可以强化换热。只要选定合适的水力参数和结构参数,共振腔可以将管内流动换热系数提高10%～40%。
(3)共振腔的结构变化会影响流体的脉动频率和幅值,从而影响脉动流的强化换热效果。
(4)共振腔不是在所有的工况下都可以强化换热的。当压差及流量小至一定程度时,使用共振腔还可能弱化换热。
摘要：本文采用试验研究的方法研究了流体动力学不稳定性对强化换热的影响。水流经Helmholtz共振腔时被转变为脉动流体,脉动的水经单管换热器时被加热,测量了不同条件下加装共振腔和不加共振腔时的换热系数。研究发现,加装了Helmholtz共振腔时换热系数明显提高约10%40%。
关键词：Helmoholtz共振腔,强化换热,自激振荡
参考文献
(1)廖振方,唐川林.自激振荡脉冲射流喷嘴的理论分析(J).重庆大学学报,2002,(2):24-27.
(2)唐川林,廖振方.自激振荡脉冲射流装置的理论分析和实验研究(J).煤炭学报,1989,(1):90-100.
(3)蒋海军,廖荣庆.自激振荡脉冲射流机理探讨(J).西南石油学院学报,1998,(3):55-58.
(4)李淑英,李兴泉,王乃华.管内流动脉动强化换热的影响(J).山东建筑工程学院学报,1998,(4):46-49.
脉动试验 篇3
1 脉动试验
1.1 试验目的
隧道作为一幢地下建筑,无时无刻不在振动中,这种微弱的振动称为脉动。脉动信号中含有丰富的振动信息,结构各阶自振信息会经常地、反复地、较明显地出现在脉动信号中。通过环境脉动法(环境随机激振)这种结构动力现场测试的方法,直接以地铁隧道为检测对象,利用环境随机振动对隧道不规则的微弱干扰引起结构脉动响应,利用工程振动反演理论,通过线性模态参数(如振型、模态频率等)的提取,来测定隧道的动力特性(包括固有频率、各阶振型和阻尼比等)。
1.2 现场试验设备连线及原理
试验隧道为上海市地铁某路段,长704 m。本次试验从站台到站台取720 m进行。试验中由计算机、放大器、采集卡等组成操作系统,其中INV306采集卡一端与便携式计算机相连,另一端使用18通道中的11个通道,分别与两个放大器相连。操作系统放置在1号站台端部,从操作系统的放大器引出导线,导线按编号分别连接各个速度传感器,即放大器1通道～10通道连接1号～10号速度传感器,放大器11通道连接f1号速度传感器。具体位置为:f1,1号速度传感器固定在1号站台隧道内地面中间,2号～10号速度传感器每只间距80 m,长度误差1/百米～3/百米。脉动试验连线图见图1。
脉动试验分两次进行,一次连接测铅垂方向振动的速度传感器,一次连接测水平方向振动的速度传感器,分别记录数据,本论文主要介绍水平方向的测试情况。按脉动试验连线图,将测水平方向振动的速度传感器平稳地摆放在正确位置,调整好水平,再将速度传感器与放大器连好,用INV306采集卡采集数据,由便携式计算机读入内存,再以文件形式将测得的数据存入硬盘。速度传感器直接输出速度信号,经积分后可输出位移信号,此信号输入到放大器,放大器输出的则是随时间变化的电压信号,这类信号称为模拟信号。通过数模转换,即在程序的控制下以一定的时间间隔,将这种模拟量在该时刻的瞬时值转换成数字存入计算机,借助DASP2003专业版大容量数据采集处理分析平台软件,对所记录的数据进行分析,得到隧道的动力特性。
1.3 试验参数的确定及采集到的数据
进行脉动水平方向试验时,采用891-2型水平方向的速度传感器5个,采用94-B型水平方向的速度传感器6个;均调至二挡即中速挡,其频率范围在0.5 Hz～100 Hz。传感器布置在720 m长的地铁隧道地面上,具体布置见图1;采样频率为120 Hz,滤波频率为60 Hz;采用环境激扰的脉动测试方法,在无施工,无人员走动,无一切外界干扰的条件下,数据采集了30 min。图2给出了脉动试验采集到的水平方向时程曲线。
2 水平方向脉动试验结果
对采集到的脉动水平方向试验数据,采用DASP2003专业版大容量数据自动采集和信号处理系统进行了采选数据和滤波,用不同方法对每个点进行了信号分析,包括自谱分析和FFT/FT细化频谱分析,得到各测点的自振频率和相应阻尼。限于篇幅,选择了部分点的自谱分析时域波形图,如图3所示。FFT/FT细化频谱分析的时域波形图如图4所示。
计算得到各测点的自振频率和相应阻尼,见表1。
3 结语
由以上试验及计算可知,对每一测点,分别采用半功率带法和FFT细化方法得到了自振频率,可以看出位于车站内的f1和1点f1=0.488 33 Hz,f2=2.929 981 Hz;位于隧道内的2点,3点,4点,5点,6点的前2阶自振频率分别为0.488 33 Hz或2.832 315 Hz;同样位于隧道内的7点,8点,9点,10点的自振频率为2.832 315 Hz,由于传感器精度原因未测到0.5 Hz以下的自振频率。
由以上数据可以看出,隧道的自振频率应为0.488 33 Hz和2.832 315 Hz。位于车站内的测点频率略高于位于隧道内的测点频率,符合车站处刚度高于隧道刚度的实际情况。
由文献[7]计算可知,上海地铁一号线上运营的列车激扰频率在0.7 Hz～2.1 Hz之间,与软土—隧道系统的自振频率接近,是软土中地铁隧道产生过量沉降不容忽视的诱因。
摘要：针对软土—隧道体系这样复杂的三维结构,以上海市某地铁路段为工程背景,介绍了脉动试验的现场试验情况及结果,表明:位于车站内的测点频率略高于位于隧道内的测点频率,符合实际情况。
关键词：软土—隧道体系,脉动试验,试验参数,自振频率
参考文献
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脉动试验 篇4
1 尾水管压力脉动分析
1.1 机组参数及试验方法
试验机组的额定出力204.1 MW, 额定水头107m, 额定流量211.3m3/s, 额定转速150r/min, 最大水头127m, 最小水头81m;发电机额定容量222.2MVA, 额定电压13.8kV, 额定电流9 297.1A。在典型水头下进行0~200 MW的全范围变负荷试验, 试验数据由电厂监控系统和现场安装的状态监测系统读取, 手工记录校验。采样频率为工频的256倍频, 稳定运行工况下连续采集16个周期, 频率分辨率为1/16倍转频。
1.2 压力脉动分析
根据试验结果, 图1展示了尾水管进人门和尾水管进口处压力脉动平均峰峰值在不同水头下随负荷变化的三维趋势图, 图形走势呈“抛物线”型。在小负荷区段, 压力脉动幅值波动较小, 幅值较低;机组进入涡带工况区后, 随着负荷的增加, 压力脉动幅值先增大后减小, 但整体幅值较大, 约在90~120 MW区段内出现全负荷区域的峰值;在大负荷区段, 压力脉动幅值又趋于平缓, 幅值较小。
从图1还可以看出, 压力脉动幅值随水头的增加呈增大趋势。以尾水管进人门110 MW工况为例, 115m水头下为148kPa, 118m水头下为220kPa, 120m水头下为274kPa。同时, 试验数据显示, 在尾水管不同测点位置处, 压力脉动幅值分布不同, 尾水管进口处的压力脉动幅值相对较大, 沿水流方向, 幅值逐渐减小。此外, 压力脉动幅值出现的最大位置随负荷的不同而发生改变, 在试验的不同测点中, 以115 m水头为例, 100MW负荷下尾水管进人门处出现最大值, 平均峰峰值为190kPa;130 MW负荷下尾水管进口位置出现最大值, 平均峰峰值为89kPa。
通过对压力脉动进行幅频分析后发现, 在小负荷和大负荷区段, 尾水管不同测点处的压力脉动出现的主频信号主要为2.5Hz的转频成分, 同时次频中还出现了0.31和1.25 Hz等低频成分信号, 约为0.12~0.5倍的转频。在涡带工况区, 尾水管的不同测点处均出现了低频涡带信号, 主要频率信号为0.63Hz, 约为0.25倍的转频。表1列出了部分负荷工况下, 不同测点处的压力脉动主频分布。
2 尾水管涡带理论分析
对于混流式水轮机, 对尾水管涡带 (尤其是低频涡带) 进行研究对解决压力脉动问题有着至关重要的意义。混流式水轮机在给定的水头、开度及出力 (即最优工况) 下运行时, 转轮出口水流沿轴向流出, 此时无旋转水流, 尾水管压力波动较小;而在偏离最优工况运行时, 尾水管内的水流就会产生一定的圆周分速度, 水流状态比较复杂, 在离心力的作用下, 将形成尾水管偏心涡带, 进而产生尾水管压力脉动, 对机组的振动摆度产生影响。
一般用水流环量Γ2来描述转轮出口水流的涡旋强度, 由于Γ2与Vu2 (转轮出口水流绝对速度在圆周方向上的分量) 成正比, 因此, 探讨尾水管涡带振动只需对Vu2进行研究。Vu2的表达式如式 (1) 所示[8]。
式中:ra为转轮叶片出口边上某B点的半径;βb2为叶片安放角;A2为转轮叶片出口的过流断面面积;n为机组转速, r/min;N为机组出力, kW;H为工作水头, m;η为机组效率。
Vu2=0时, 水轮机在设计工况下运行, 水流为无撞击进入、沿法向出口 (即绝对速度与切向速度垂直) , 尾水管内没有形成水流环量, 出口水流分布较为均匀;Vu2>0时, 水轮机在小开度下运行, 转轮出口绝对速度与切向速度成锐角, Vu2的方向与转轮旋转方向一致, 此时具有正的水流环量 Γ2;Vu2<0时, 流量大于设计工况, 机组在大开度下运行, 转轮出口绝对速度与切向速度成钝角, Vu2的方向与转轮旋转方向相反, 尾水管内的水流呈反向旋转。总之, 当Vu2≠0时, 尾水管内有正或负的水流环量通过, 这是产生压力脉动的内因。
3 压力脉动对机组振摆的影响
尾水管压力脉动可能会对机组的振动和摆度产生影响, 从而导致机组的不稳定运行。根据试验实测结果, 对机组振动摆度进行了分析, 表2列出了部分测点的振动摆度实测值。
图2给出了水导x向和下导y向摆度平均峰峰值随水头和工况变化的三维趋势图。与压力脉动的变化趋势有所不同, 在水头一定时, 摆度幅值随负荷的增加逐渐减小。在小负荷区, 摆度幅值出现全负荷最大值, 以20 MW负荷下水导x向为例, 115m水头下幅值为182μm, 118m水头下为181μm, 120m水头下为157μm;进入涡带工况区, 摆度幅值虽然比小负荷区有所降低, 但水导x向和下导y向都出现了局部的峰值, 以115m水头为例, 下导y向出现在110 MW负荷左右, 水导x向出现在100 MW负荷左右;进入大负荷区, 摆度信号幅值趋于平缓, 且波动较小。频谱分析结果显示, 在小负荷和大负荷区的主频信号主要为2.5 Hz的转频, 在90~120 MW之间的负荷区段, 出现了0.63 Hz的低频涡带频率, 与压力脉动的分析结果相符, 说明机组摆度信号在一定程度上受到尾水管压力脉动的影响。
振动信号以定子机架为例, 图3给出了定子机架x、y向的振动幅值随水头和工况变化的三维趋势图。振动信号与摆度信号的变化趋势较为一致, 即随负荷的不断增加而逐渐减小。振动幅值在全负荷范围内波动较小, 且均未超过50μm。在对定子机架、上机架、下机架、顶盖等振动信号的频谱分析中发现, 除顶盖z向发现0.94 Hz低频振动信号外, 其他振动测点的主频信号主要为2.5Hz的转频, 未发现低频信号, 且振动幅值均较小, 这说明尾水管压力脉动对机组振动的影响较弱, 机组运行稳定性良好。
4 结语
(1) 试验和分析表明, 尾水管压力脉动随水头和负荷的不同而有所区别, 且尾水管内部不同位置处的压力脉动幅值也不相同。机组摆度信号在一定程度上受到了尾水管压力脉动的影响, 但除顶盖z向外, 振动信号所受影响甚微。通过对压力脉动的形成机理进行分析, 建议机组在最优工况附近运行, 且尽量避开压力脉动较大的区域。
(2) 需要指出的是尾水管不同位置处的压力脉动不同, 想要全面了解尾水管的涡带压力脉动特性, 还应合理地选择测点;同时对尾水管涡带的产生机理还需进一步的深入研究, 以便于为实际应用提供理论指导。
摘要：尾水管的压力脉动特性是混流式水轮机运行稳定性的重要评价指标, 研究其特性对于解决由水力因素引起的机组不稳定问题具有重要意义。为掌握尾水管的压力脉动特性, 以国内某水电厂200MW混流式水轮机为对象, 采用真机试验的方法进行全范围变负荷试验。试验数据表明, 在部分负荷区域尾水管内部存在较大的压力脉动, 其对机组摆度有一定影响, 但对机组振动影响甚微。
关键词：混流式水轮机,尾水管,压力脉动,试验,频率
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脉动试验 篇5
柴油机减排技术研究表明:内部废气再循环 (internal exhaust gas recirculation, IEGR) 是降低NOｘ排放的有效措施之一。由于柴油机加权性能对废气再循环 (EGR) 率极为敏感, 现有IEGR技术尚无精准控制EGR率的有效方法。排气门二次开启IEGR方法为废气再循环EGR率的精准控制提供了可能, 对排气门二次开启时刻的控制是实现这项技术的关键。
在柴油机工作循环的不同时刻, 存在着进、排气流压力脉动差效应。在排气行程中, 气缸内压力高于排气管压力;而进气行程中, 气缸内压力低于排气管压力。例如, 在进气过程中, 再次开启排气门 (排气门二次开启) , 则可利用排气脉冲效应, 通过气缸内外压力差的作用, 使已排出气缸的废气重新流入缸内, 实现发动机IEGR［１，２］。因此, 掌握进气行程排气管中排气脉冲变化特性规律, 对EGR技术中排气脉冲效应的有效利用具有重要意义。
本文中以某直列六缸增压非中冷柴油发动机为对象, 重点开展进气行程中排气歧管内压力波变化特性的试验研究, 为利用排气管内压力波进行废气重吸IEGR技术方法配气正时方案设计提供理论依据。
1 排气压力波测试试验条件
试验用机标定功率为162kW (2200r/min) , 标定扭矩为920N·m (1400r/min) 。采用双进口涡轮、三脉冲增压方式, 即每三缸的排气歧管汇入一根排气总管, 每根排气总管和涡轮机的一个入口相连, 进排气结构布置如图1所示。各缸发火顺序为1-5-3-6-2-4。
多缸发动机排气管内的压力波是与总管相连的各缸所发出压力波相互叠加的结果。各缸所排出废气的变化特性受缸内燃烧过程的影响, 故所有影响缸内燃烧过程进行的因素将成为气缸所排出废气脉动特性变化的主要条件。直喷式柴油机运转过程中, 缸内燃烧过程的主要影响因素是转速、负荷、喷油提前角［３］。本文中针对上述三个因素对排气管内压力波所产生的影响进行试验研究。
将试验用机的喷油提前角分别设置为17、10、8、6°CA, 对最大功率标定转速 (2200r/min) 和常用转速 (2000r/min) 时对应的四种负荷 (100%、75%、50%、25%) 及标定扭矩转速 (1400r/min) 和中等转速 (1 500r/min) 时对应的三种负荷 (100%、75%、50%) , 共14个恒转速恒扭矩工况时排气歧管内压力波进行试验研究。
2 压力波脉动特性分析
2.1 负荷对压力波脉动特性的影响规律分析
进气行程中, 在相同喷油提前角和转速下, 不同负荷对应的排气压力波变化趋势基本一致。图2为试验用机在喷油提前角为17°CA、转速为2000r/min工况时, 四种负荷下排气道内压力波变化特性。四种负荷下压力波随曲轴转角的变化趋势基本一致, 波峰值对应的曲轴转角位置基本相同, 负荷越大, 压力波曲线峰值越高。
由于柴油机负荷调节为“质调节”, 进入气缸空气量基本不随负荷变化。发动机负荷增大, 则循环喷油量增多, 过量空气系数减小, 单位容积内混合气燃烧放出的热量增加, 引起缸内燃烧温度上升［３］。因此, 随负荷增高, 气缸排出的废气能量变大, 波峰值升高。
2.2 发动机转速对压力波脉动特性的影响规律分析
相同负荷 (75%) 不同喷油提前角和转速时, 排气管内压力波测试结果如图3所示。当负荷为75%、喷油提前角分别为17、10°CA时, 随着发动机转速增高, 波峰值所对应的曲轴转角位置后移 (曲轴转角增大) , 波峰值增高, 波宽增加。当负荷为75%、喷油提前角为8°CA时, 波峰位移对转速的敏感度下降。发动机转速分别为2000、2200r/min时, 波峰所对应曲轴转角的位置接近;转速分别为1400、1500r/min时, 波峰所对应曲轴转角的位置接近, 但总的趋势仍然符合随发动机转速升高、压力波峰值所对应的曲轴转角位置后移、同时波峰值增大且波宽增加的规律。而不同负荷时, 转速对压力波的影响均呈现出与前文相同的规律。与17、10、8°CA喷油提前角相比, 6°CA喷油提前角时转速变化对排气道内压力波的影响更为明显。随着发动机转速增高, 波峰值所对应的曲轴转角、波峰值及波宽的变化仍然符合上述的变化规律, 但变化幅度明显增大。
压力波峰对应的曲轴转角随转速增高而向后移动, 原因是压力波在排气管道中以声速传播, 而排气压力传感器的位置是固定的, 压力波传到传感器所用的时间不变［４－５］。转速越高, 曲轴旋转角速度越大, 压力波峰对应的曲轴转角变大。
2.3 喷油提前角对压力波脉动特性的影响规律分析
直喷式柴油发动机喷油提前角的大小决定了压缩上止点前后喷油量的比例［６］, 影响缸内燃烧过程, 进而对气缸所排出废气的脉动特性产生影响。
通过对试验用机相同负荷 (100%) 、不同转速和不同喷油提前角时排气管内压力波测试, 结果如图4所示。
当负荷为100%、转速为2200r/min、2000r/min时, 随着喷油提前角的减小, 压力波峰值所对应的曲轴转角位置后移 (曲轴转角增大) , 波宽增加。2200r/min时, 压力波峰值随喷油提前角减小呈增大趋势;2000r/min时, 喷油提前角的变化对压力波峰值的影响规律不明显, 随喷油提前角减小, 压力波峰值先增后减。 在其他负荷率下, 发动机转速分别为2200、2000r/min时, 喷油提前角对压力波脉动特性的影响与图4中所示规律相似。100%负荷、发动机转速分别为1500、1400r/min时, 波峰位移对喷油提前角的敏感度下降, 不同喷油提前角下压力波峰所对应曲轴转角的位置接近, 但总的趋势仍然是符合随喷油提前角的减小压力波峰值所对应的曲轴转角位置后移 (曲轴转角增大) 、波宽增加的规律。喷油提前角的变化对压力波峰值的影响规律不明显。
图5为75%负荷、1500r/min时, 不同喷油提前角下压力波脉动曲线。 喷油提前角为17°CA与10°CA时的压力波曲线基本重合。随喷油提前角减小, 压力波峰值对应的曲轴转角位置后移, 波宽变大, 波峰值呈先增后减的趋势。
图6为50%负荷、1500和1 400r/min工况下, 不同喷油提前角对压力波的影响。除1400r/min、6°CA喷油提前角时压力波曲线明显后移、波峰值明显减小外, 其他压力波曲线峰值、峰值对应曲轴转角基本重合。压力波形的宽度随喷油提前角减小仍然呈增大趋势。由此可见, 改变喷油提前角对压力波脉动影响不明显。
柴油机喷油提前角增大, 则压缩上止点前后喷油量比例增大, 缸内燃烧温度升高, 最高燃烧压力变大, 使得燃烧废气能量相应增加, 废气在排气管内流速增大, 排气压力波峰传到传感器的时间变短。当发动机转速不变时, 喷油提前角越小, 压力波峰对应的曲轴转角越向后移。
3 结论
(1) 不同负荷相同喷油提前角和发动机转速时, 排气压力波随曲轴转角的变化规律基本一致, 波峰值所对应的曲轴转角位置基本相同, 与负荷大小无关;但负荷越大, 压力波峰值越高。
(2) 相同喷油提前角和负荷下, 随着发动机转速增高, 压力波峰值所对应的曲轴转角位置后移 (向着曲轴转角增大的方向移动) , 同时波峰值增高, 波宽增加;压力波对6°CA喷油提前角更为敏感, 此时的变化规律也更加明显。
(3) 不同喷油提前角相同发动机转速和负荷时 (除1400r/min、75%负荷工况外) , 压力波曲线峰值对应曲轴转角随喷油提前角减小而向后移;中等转速时的50%负荷工况对喷油提前角的变化不敏感;波形宽度均呈随喷油提前角减小而增大的趋势。
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触摸身边的教育脉动 篇6
——题记
拿起笔来, 想写点我在这地面上所走过的日子, 所见的人物, 所听的声音, 所嗅的气味, 也就是说我真真实实所受的人生教育时, 笔端流淌的文字随着思绪的飘荡自然定格到一个久违的偏僻小村。那个小村按城市人的口吻来说, 真是一个穷山沟, 只因70年前为了躲避日军的侵害方有了村子和居民。而我所经历的一切情景跟随着小村的印记, 也越来越清晰地在脑海里浮凸起来, 仿佛可以用手去触摸。
儿时的我最快乐的时光当是在村东头的育红班里。交通闭塞的村子很穷, 育红班里没有小孩子玩的器械, 唯一的游乐场就是育红班门前的石阶。我经常很早就背上军绿色的帆布书包跑到学校, 从书包里掏出妈妈给我缝的毽子, 在石阶下用双脚夹起毽子抛到石阶上玩, 并一次次在心中记下自己的成绩。等到其他小朋友来了, 就相互比赛看谁用脚抛的毽子跨过的石阶最多。常常是老师来开大门时, 我们早已玩得满头大汗。
那时在育红班里用的“笔”是石笔, 用的“本”是石板, 用现在的话来说属于很环保的学习用品, 只要石板不碎就可以用抹布擦掉石板上的字反复使用。后来, 随着年级的升高渐渐换为用练习本和铅笔。老师的教具则是一根粉笔、一根棉槐条做的教鞭、一面刷上黑墨后还有几个坑的水泥墙面黑板。水泥黑板在阳光下反光, 位置稍微偏一点的同学经常看不到老师写的字。教室地面是凹凸不平的泥地, 下课后同学一闹教室就尘土飞扬, 勤快的老师会在每节课间洒一点儿水让教室的空气干净些。
读完初中后我告别了水泥黑板, 考入区里的格迈纳尔中学读高中, 那时还没有开通福山到回里的公交车, 近60里的路, 只能骑自行车。到了报到那天, 我和父亲骑着老式的永久牌自行车, 载着我住宿的生活用品, 用了两个多小时才找到了新学校。进入新学校, 最吸引我的不是一幢幢四层高的教学楼, 也不是没有尘土飞扬的水磨石地面, 而是宽阔的讲桌后形如凹透镜的黑板, 黑板上的字坐在教室的任何一个位置都能看得清清楚楚, 无论阳光多强也不会反光。
大学毕业后, 我回到福山, 被分配到镇里的中学工作, 一纸毕业证书转变了我20年的受教育者的身份, 开启了我作为一名教育者的崭新的生命历程。做教师的14年间, 我亲眼目睹了这所农村中学教学设施的不断更新。尤其是在2009年下半年, 教育局给我们农村学校也实现了“班班通”, 每个老师人手一台手提电脑, 每个教室里一台52寸液晶屏电视, 一台投影仪。教师讲课要展示课件不需再兴师动众地带领学生到固定的多媒体教室上课, 只要将手提电脑与教室的仪器连接, 内容即可在大屏幕显示。家长到学校开家长会, 看到课堂实录里自己孩子的积极表现, 看到孩子们的一件件电子作品, 他们惊叹、羡慕的同时心里也乐开了花!
教学设施的更新最大限度地拉近了城乡教育的差距。现在农村的孩子也能到阅览室借阅自己喜欢的书, 进入自己宁静的心灵世界;也能在电子阅览室开阔视野, 了解国家大事, 与同学谈古论今;也能用制作的课件, 站在讲台上自信地展示自己的学习成果, 过把当老师的瘾。在他们的身上, 已看不到以前农村孩子那种自卑内向的影子, 他们完完全全是活泼泼的精神饱满的阳光少年。
给教师每人配备一台电脑后, 为适应现代教育的需要, 学校领导十分重视教师队伍建设, 注重师资水平的提高。为此学校先从提高教师的业务能力着手, 备课要求由原来的纸质备课变为电子备课, 上课要求40岁以下教师必须用课件辅助教学。说实在话, 自从有了“班班通”后, 那些难以理解的空间几何图形在电脑上用flash动画一展示, 既直观又形象, 教师教得轻松、学生学得也轻松。很多年长的教师在现代科技面前也不示弱, 经过培训也由原来的电脑盲变成了电脑高手, 搜集资料、制作课件的能力大大提高。学校每年都举行一次大规模的听课活动, 每位教师要讲一节公开课。借此机会, 很多教师开始上网搜索优秀的教学设计, 与自己的设计进行整合;搜索质量好的课件加以改动变为适合自己课堂教学的课件;找名师的讲课视频, 看名师如何引导学生, 如何评价学生。在不断地研讨学习、不断地磨课中, 教师们在公开课上都展现出很高的水平。
2009年和2010年暑假, 山东省基于网络技术的中小学教师远程研修又将我校青年教师继续学习的热情点燃, 在网络这个学习的广阔海洋里, 我们农村教师第一次看到全省那么多名校教师的优秀课例。名师们灵活处理课堂突发事件的教育机智, 让我从心底里折服——同样的事情原来可以处理得那样精彩;读着名师们上完一节课后撰写的教学反思, 让我汗颜——我一直像黄牛那样埋头苦干, 却不知要抬起头来看看走的路是否正确。于是, 也开始自觉地写教学反思, 反思自己的教学是否达到了预设目标;反思自己的课堂是否让学生真正获得了学习方法;反思自己的课堂是否过于教条化;反思评价学生的语言是否能唤醒学生内在的学习潜能;反思自己的课堂是否是一言堂, 是否给学生足够的展示空间;反思自己的引导方式能否促进学生的深层思维;反思自己是不是根据学生的学习需要而教;反思自己有多少教学行为是为孩子将来的幸福生活奠基等等……不仅如此, 我还开始借助网络进行自主研修, 开始重视自己的个性化课堂建设, 开始意识到每一位学生都是一个生动发展的个体, 应该尽自己所能让学生获得适合自己的不一样的教育, 培养学生的创新思想;开始以自己身边发现的教学问题进行小课题研究;开始根据自己的学习需要阅读大量的教育专著, 从书中汲取营养;开始自己的另一种学生生涯——研究生学习。短短两年的网络记录, 我由一个围着教材转的教师逐渐变为一个每天追问自己人生价值体现在哪里的教师。每天面对那些正值花季的学生, 想着他们父母殷切的眼神, 时感重任在肩!偶有不堪重负时, 只有不断提醒自己:教育, 是对孩子生命的提醒与关照!
栉风沐雨, 不知经历了多少寒来暑往, 那偏僻的曾经罕为人知的穷山沟已变成社会主义新农村:矮草房已变成整齐划一的宽敞房屋, 杂草丛生的石头小径已变成平坦的水泥路面;儿时的育红班扩建后, 孩子们的游乐设施一应俱全, 幼儿园真的成为了孩子们的乐园;学校的教学设施也不断翻新, 从粉笔加黑板到幻灯片、投影仪、多媒体, 再到班班通;教师的教育理念也由原来的面向全体的“统一标准”转为尊重学生的个体发展, 实施着差异教育的探索。如今的我也由那个育红班爱玩毽子的小女孩变为一名从教14年的教师, 唯一不变的是从出生到现在内心一直所保持的求学姿态。