強渦流
關注創建者：C乘風破浪 創建時間：2022-03-04
強渦流的實例教程
本案例基于COMSOL軟件的v2-f湍流模型模擬了旋流器內的強渦流運動，仿真結果如圖所示：
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a模型及路徑分析
b電勢分布 c電場分布
圖1雷擊附著仿真
強電磁脈沖仿真 ：
雷電流流過設備，因設備存在一些尖銳金屬結構或狹窄縫隙等，會產生強電磁脈沖，對設備內部電磁儀器有造成威脅，嚴重時會癱瘓電子設備。
考察時對設備內部空間所有地方進行電磁場仿真計算，劃分內部電磁場強弱區域及等級。找出強場強區域，分析強場強區域的波形是否突變，若沒有突變設計合理；若有突變，分析周圍結構、縫隙等是否合理。分析結束后制定相應的防護措施。
圖2為某設備內部因雷電產生的強電場脈沖仿真波形。
圖2某設備內部產生的電場脈沖
局部強渦流/過熱(點火源)仿真 ：
一般由于局部阻抗過高，導流不順暢，導致電流不能夠及時導走，電荷聚集發熱，有可能局部溫度過高，會對設備局部造成熔蝕或成為燃油蒸汽的點火源多數情況下局部強電流和過熱是伴生關系，所以可以一起考察。
展開 渦流繩的頻率通常在轉輪轉速的 30% 到 50% 范圍內。
圖 2. 渦繩出現在水輪機的尾水管中。
如圖 2所示，渦流繩會導致尾水管中出現壓力脈動，從而導致結構振動、功率波動和脈動壓力恢復，這是水電行業的一個主要問題，因為它們會導致系統性能降低或限制渦輪機的工作范圍。因此，準確模擬渦繩并分析相應的壓力波動至關重要。
解決方案
使用 CFD 模擬分析設計和非設計條件下的渦輪機性能變得非常容易。第一步，應在穩態條件下模擬渦輪機設計以研究效率點。然后，在非設計條件下對其進行模擬，以可視化流動中的渦流。尾水管中的渦流以低壓區域為特征，可以通過速度流線（圖 3）或靜壓等值面來觀察。根據用戶輸入的準確性和湍流模型的選擇，可以將渦繩建模為接近文獻值的頻率。為了改進渦繩建模的結果，特別是捕捉強渦流，雷諾應力方程模型 (RSM) 被推薦。
圖 3. 速度流線顯示水輪機內的渦繩。
另一種可視化流動中渦流的方法是使用 Q 準則（它定義渦量大小大于應變率的渦流）。對于相同的幾何形狀，可以應用多個設計條件，例如，使用相同的網格生成和模擬設置的葉片的多個開口，以節省大量時間。
Omnis 平臺的用戶利益
Cadence Omnis 是一個端到端平臺，可在一個環境中對渦輪機械應用進行網格劃分、仿真和分析。Omnis 為渦輪機械應用提供簡化的工作流程，包括行業最佳實踐?？梢栽谕粋€ Omnis 項目中生成和組合單個幾何體的結構化和非結構化網格。如圖 4所示，對于水輪機，尾水管的非結構化網格在 Omnis Hexpress 上執行，而葉輪和導葉的結構化網格在 Omnis Auto Grid 上執行。
展開 在變壓器工作過程中，油箱內部產生一定的漏磁作用[12]，對兩種屏蔽結構在油箱上產生的磁通密度及電渦流密度進行仿真計算。
2 變壓器油箱弧形屏蔽結構仿真結果分析
采用ANSYS Maxwell軟件對兩種屏蔽結構磁密度作用進行仿真計算，得到兩種屏蔽結構的磁通密度分布如圖2所示。從圖2中可以看出，通過在油箱后壁的表面鋪設屏蔽鋼片，可將變壓器中由繞組、油箱及變壓器組成的閉合磁路改變為大部分經過繞組、變壓器油質及屏蔽結構進行閉合，減小了對油箱的作用，即屏蔽結構的磁阻作用減小了油箱的漏磁，兩種屏蔽結構對油箱后壁位置均有較好的屏蔽效果。對比兩種屏蔽結構的磁通密度分布云圖可以看到，在常規的矩形屏蔽結構中進行屏蔽處理后，在屏蔽的邊緣具有磁通密度集中的現象，而圓弧形屏蔽結構不存在這種磁通密度集中的現象，矩形屏蔽結構的最大磁場值為0.19 T，而圓弧形屏蔽結構的最大磁場值為0.11 T，圓弧形屏蔽結構可減小最大磁通密度達50%。圓弧形屏蔽結構對油箱的磁通密度具有較好的改善作用，消除了矩形屏蔽的磁通密度集中現象，并可降低最大磁通密度值50%，減小了油箱的漏磁及溫升作用。
圖2 油箱磁通密度分布云圖
采用ANSYS Maxwell軟件對兩種屏蔽結構電渦流作用進行仿真計算，得到兩種屏蔽結構的電渦流分布如圖3所示。從圖3中可以看出，采用矩形屏蔽結構對油箱的漏磁具有一定的改善作用，但由于屏蔽邊緣磁通密度集中造成屏蔽邊緣具有較強的電渦流聚集，容易造成局部的高溫區，對變壓器的效率改善作用不大；采用圓弧形屏蔽結構得到電渦流分布從中間逐漸過渡到兩側，沒有電渦流聚集的現象，油箱的溫度變化均勻，降低了電渦流密度，對變壓器的損耗較小，降低了最高點的溫度，可有效地改善變壓器的效率。
展開 產生的渦流很強，會對附近飛行的其他飛機造成湍流影響。因此，尾渦湍流的研究對于制定確保飛機安全和效率的策略至關重要。
在本文中，我們將討論飛機中的尾渦湍流以及計算流體動力學 (CFD) 在深入了解此類湍流效應背后的物理學方面的作用。
尾渦湍流及其影響
在飛機中，機翼產生升力時會產生尾渦湍流。在飛行過程中，機翼的上表面和下表面之間存在壓力差，從而使飛機保持在空中?？諝庠跈C翼上表面流動得更快，與機翼下表面相比產生較低的壓力。為了平衡壓力差，沿機翼下表面的空氣被向上吸入，圍繞翼尖流動，形成氣團循環模式。這是尾隨飛機后方的 渦流。
由于風和重力，這些渦流或主尾流下沉并遠離飛行路徑。下沉運動導致渦流與周圍空氣相互作用，導致湍流。對于遵循相同飛行路徑或近距離飛行的其他飛機來說，與尾渦相關的湍流可能是一個主要的安全問題。在較小的飛機靠近較重的飛機的路徑的情況下尤其如此，因為機翼產生的升力更大，產生的渦流強度更大。
尾渦湍流的影響
尾渦湍流對飛機性能的影響
影響
原因
結果
降低升力
尾渦湍流與空氣混合
升力損失、推力增加、油耗增加
增加阻力
湍流引起的邊界層分離
空速損失、推力增加、燃油效率降低
橫滾和俯仰力矩
渦流引起的滾動和俯仰效應
高度或垂直速度的變化
降低升力
尾渦湍流在飛行過程中留下擾動的空氣痕跡，擾亂后續飛機的氣流并導致升力產生減少。
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強渦流的最新內容
從圖3中可以看出，采用矩形屏蔽結構對油箱的漏磁具有一定的改善作用，但由于屏蔽邊緣磁通密度集中造成屏蔽邊緣具有較強的電渦流聚集，容易造成局部的高溫區，對變壓器的效率改善作用不大；采用圓弧形屏蔽結構得到電渦流分布從中間逐漸過渡到兩側，沒有電渦流聚集的現象，油箱的溫度變化均勻，降低了電渦流密度，對變壓器的損耗較小，降低了最高點的溫度，可有效地改善變壓器的效率。
Responses to vibration changes caused by overshoot
4.2.2 紊流和設備元件流體部分的強渦流噪聲
管路中油液流速過快或者閥類元件界面劇變，使得系統雷諾數Re超過臨界值，管路中流態由平穩層流變為紊流，從而形成分離流和強渦流，造成流體與結構碰撞加劇，引起強烈振動。
產生的渦流很強，會對附近飛行的其他飛機造成湍流影響。因此，尾渦湍流的研究對于制定確保飛機安全和效率的策略至關重要。
在本文中，我們將討論飛機中的尾渦湍流以及計算流體動力學 (CFD) 在深入了解此類湍流效應背后的物理學方面的作用。
尾渦湍流及其影響
在飛機中，機翼產生升力時會產生尾渦湍流。在飛行過程中，機翼的上表面和下表面之間存在壓力差，從而使飛機保持在空中。
為了改進渦繩建模的結果，特別是捕捉強渦流，雷諾應力方程模型 (RSM) 被推薦。
圖 3. 速度流線顯示水輪機內的渦繩。
另一種可視化流動中渦流的方法是使用 Q 準則（它定義渦量大小大于應變率的渦流）。對于相同的幾何形狀，可以應用多個設計條件，例如，使用相同的網格生成和模擬設置的葉片的多個開口，以節省大量時間。
在煙道與脫硫灰斗對接處區域渦流強，速度變化劇烈，隨后沿煙道長度逐漸減弱、平順。因氣塵兩相旋流中塵粒在流道內不具有獨立運動的能力，它依靠氣流作用而發生運動[4]。
3.2 原始工程項目噴射點分析
對原工程項目的活性炭和消石灰粉末進行單獨模擬分析。
本案例基于COMSOL軟件的v2-f湍流模型模擬了旋流器內的強渦流運動，仿真結果如圖所示：
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圖2某設備內部產生的電場脈沖
局部強渦流/過熱(點火源)仿真 ：
一般由于局部阻抗過高，導流不順暢，導致電流不能夠及時導走，電荷聚集發熱，有可能局部溫度過高，會對設備局部造成熔蝕或成為燃油蒸汽的點火源多數情況下局部強電流和過熱是伴生關系，所以可以一起考察。
船型汽車尾部過分向后伸出,形成階梯狀,在高速時會產生較強的空氣渦流。為了克服這一缺陷,人們把船型車的后窗玻璃逐漸傾斜,傾斜的極限即成為斜背式。由于斜背式汽車的背部想魚的脊背,故被稱為“魚型汽車”(圖5) 。
魚型汽車的背部和地面的角度比較小,尾部較長,圍繞車身的氣流比較平順,渦流阻力較小。同時,其側面的形狀阻力也較小。
在圖15中可以看出車尾部形成了兩個比較強的渦流，通過兩個渦流相互作用使氣流向上卷揚并在車后匯合,這過程因為大量消耗能量,所以會產生很大氣動阻力。從圖15中我們還可以看出正是因為擾流板對車身尾部氣流的分離，降低了車尾上方氣流運動速度，此時在車尾處產生了向下的壓力，從而提高了汽車行駛的安全性。
