水泵水轮机“S”形区全流道数值模拟

为了解决水泵水轮机“S”形区所导致的水泵水轮机在水轮机工况并网困难问题,研究了水泵水轮机“S”特性工作区域的内部流动情况,选取国内某抽水蓄能电站模型水泵水轮机水力模型作为研究对象,进行几何建模,并借助计算流体动力学软件CFX进行全流道数值模拟.模拟采用了区别于传统RANS模型更为精细的分离涡模型进行计算,得到了水泵水轮机内部的流动状态以及外特性参数,并同模型试验值、理论分析结果进行对比验证.结果表明:分离涡模型的计算结果可以达到很好的精度,转轮流道内的流场与理论分析结果相吻合,外特性与试验值相吻合,仿真计算误差小于3％;随着流量不断减小,转轮进口流动分离现象逐渐增大,最终发展成旋涡对流道造成堵塞,堵塞还将引发转轮与双列叶栅之间的相互作用,导致整个流道流动不稳定性的产生.     

水泵水轮机水轮机制动区的流动特性

为研究水泵水轮机水轮机制动区的不稳定流动特性,根据某抽水蓄能电站建立水力模型,应用计算流体动力学软件Fluent模拟其流动特征．采用SST k-ω模型和SIMPLEC算法计算水轮机制动工况的内流场和外特性,并结合试验数据进行对比验证．结果表明,水泵水轮机在水轮机制动工况随流量的变化水头变化不大,在力矩为0时的水头最低;导叶开度越大,进入制动区时所需的转速越高,且流量越大,可以通过调节导叶开度防止水泵水轮机进入制动区;导叶工作开度下力矩为0时的流场不存在涡结构,随着流量的减小,在叶片和活动导叶的进口以及固定导叶和活动导叶之间出现大量的回流涡,并且呈现出类周期性分布特征;转轮中的回流涡是由于前倾式叶片的倾角较大产生的,导叶中的回流涡是由于流体流动方向与导叶叶片的冲角引起的．以上结论可为水泵水轮机的优化设计提供一定的理论基础．     

带分流叶片水泵水轮机小开度下非定常分析

为了研究带分流叶片水泵水轮机在小开度运行下各工况的内流特点及受力特点,以国内某带分流叶片水泵水轮机抽水蓄能电站的水力模型为分析对象,运用CFD数值模拟方法,采用SST k-ω计算模型,对其7.5°开度下的水轮机工况、制动工况和反水泵工况的内流特性进行了非定常数值模拟计算,分析了各工况下机组内部典型监测点的压力脉动特性及轴向力分布规律.结果表明:CFD数值计算能较好地模拟分析带分流叶片水泵水轮机的内流特性;在制动工况和反水泵工况下,转轮流道内出现明显的不稳定流动,二次流和涡结构充满整个转轮,进而引起水流拥堵,分流叶片可以使转轮的出水速度更加均匀;机组甩负荷运行进入制动工况后,转轮所受轴向力明显变大,并伴有负值出现,波动幅度也较大;分流叶片的存在可以预防转轮区出现负压,有助于降低涡结构的强度.     

可逆式水泵水轮机泵工况的驼峰特性

为了研究可逆式水泵水轮机泵工况的驼峰特性,通过非定常分离涡模拟（DES）的方法,计算不同流量工况下机组的内部流场特征.根据机组对应工况下的模型试验,对机组流道中的流态特征进行对比分析,特别对扩散流道损失以及转轮与导叶之间的动/静干涉现象进行研究,探讨驼峰特性产生的具体原因.结果表明：机组在小流量工况下运行时,转轮出口流动呈现明显非对称性;紊乱的流动特征引发转轮内部与扩散段中产生涡结构与二次流结构;由于不良流态的出现,过流部件水力损失显著上升,并引发扬程的下降,导致机组形成扬程-流量曲线的驼峰区域.因此,改善小流量工况下转轮内部流态对于改善水泵水轮机驼峰特性具有重要的作用.该研究内容阐明了驼峰特性对水泵水轮机造成不良影响的机理,对改进机组水泵工况的水力性能提供了参考与帮助,对于水泵水轮机的稳定运行具有重要意义.     

水泵水轮机在水轮机工况下压力脉动特性

为了研究水泵水轮机在水轮机工况下的压力脉动特性,采用SST k-ω湍流模型对模型水泵水轮机在水轮机工况下的三维非定常湍流进行模拟.在试验验证的基础上,通过调整活动导叶的开度以实现机组不同的运行工况,分析了3种流量工况下导叶、转轮和尾水管内的压力脉动规律.结果表明,尾水涡带形态和旋转方向对机组压力脉动的影响很大:在小流量工况下,尾水涡带为螺旋状,旋转方向与转轮转动方向相同,转轮出口产生强烈的低频压力脉动,转轮叶片上的压力脉动频率约为转轮转频的0.62倍,尾水管压力脉动主频约为转轮转频的0.36倍;在最优工况和大流量工况下,尾水涡带变为管状,转轮出口压力脉动幅值变小,在转轮叶片表面检测到与尾水管压力脉动主频相同的压力脉动;大流量工况下涡带旋转方向与转轮旋转方向相反,尾水管内压力脉动的最大值出现在弯肘段区域.     

水泵水轮机水轮机工况全流道三维非定常数值模拟

为了研究水泵水轮机水轮机工况下的内部流场及压力脉动特性,对某蓄能电站的水泵水轮机几何建模,采用RNG k-ε模型和SIMPLE算法,对水泵水轮机水轮机工况时三维全流道的空载工况、25%负荷工况、50%负荷工况、75%负荷工况、额定工况及满负荷工况进行三维非定常模拟;同时,监测蜗壳入口、活动导叶之间、导叶与转轮之间无叶区,以及尾水管直锥段和弯肘段的压力脉动情况.结果表明:空载等低负荷工况下,活动导叶出口出现射流,使导叶与转轮间无叶区流场恶化及转轮叶片进水边附近产生涡结构,随负荷增加而缓解;50%负荷工况下,尾水涡带有多分支相互缠绕,导叶与转轮间无叶区受动静干涉高频脉动的影响,尾水管区域受尾水涡带低频脉动影响,且各自向上、下游传播;额定工况下,P1至P5测点压力脉动的压力呈现阶梯依次降低,转轮前、后部分转轮与导叶间无叶区测点P3、尾水管锥段测点P4的脉动压力值出现很大的落差;各工况下导叶与转轮间无叶区脉动频率不变,各频率幅值随负荷增加而增大.     

水泵水轮机流场脉动与熵产率的关系

为了研究水泵水轮机不同工况下的运行稳定性,采用FLUENT软件对模型水泵水轮机转轮和无叶区的流态、熵产率分布、压力脉动进行了数值模拟,并将数值模拟结果与试验进行了对比.结果表明:数值计算的压力脉动数据与试验值吻合较好,旋涡引起的速度梯度和压力梯度剧烈变化是水泵水轮机内部高能量损失的根本原因.相较于设计工况,小流量工况时转轮叶片吸力面水流的流动分离和旋转失速会导致此处熵产率较高,叶片吸力面压力脉动主频和第2主频幅值最大;大流量工况时动静干涉作用占主导,无叶区的熵产率最大,相应的无叶区压力脉动主频幅值也最大.可见各工况下主流区熵产率和压力脉动具有强相关性,熵产率大的区域,压力脉动也较大.     

混流式水泵水轮机全特性曲线S形区流动特性

混流式水泵水轮机转轮的离心效应较混流式水轮机明显,形成了全特性曲线上的S形特性。该S形区水泵水轮机流道内流动状况很不稳定,为了详细了解该区域的流动特性,选取等开度下水轮机工况、水轮机飞逸工况、零流量附近水轮机制动工况、零流量附近反水泵工况以及反水泵工况等5个工况点进行全流道定常流和非定常流数值分析。定常流动分析表明:全特性曲线上的S形区转轮和导叶流道内存在大量的涡,消耗了大量的水能,致使机组输出功率很小。非定常流场计算表明:在S形过渡工况区,蜗壳与尾水管直锥段内的压力脉动频率与幅值均相近,且幅值小;而导叶至叶片的无叶区和叶片进口的压力脉动幅值高,主要为高频脉动。     

水泵水轮机水轮机工况转轮流动特性分析

为了揭示某高水头水泵水轮机转轮区域流动特性,选取三个典型水轮机工况,基于N-S方程和SST湍流模型对模型水泵水轮机进行三维全流道非定常数值计算,研究不同水轮机工况下转轮区域的流动特性。结果表明:小流量工况下,转轮流态紊乱,有明显的旋涡,最优工况和大流量工况下,由于流量增大,转轮内流态明显改善,流线均匀顺畅;转轮流道内压力在圆周方向上对称分布,沿着流道方向压力逐渐减小,叶片出口附近存在不同范围的负压区域,由于小流量工况转轮内部水流紊乱使得负压区域较其余工况大;长短叶片靠近上冠处压力脉动呈周期性变化,受动静干涉效应影响,叶片进口处压力脉动剧烈,长短叶片在进出口处脉动变化规律一致,长短叶片进口处脉动频率皆以16倍转频为主,出口处皆以1倍转频为主。以上结论可为高水头水泵水轮机在水轮机工况下的高效运行提供一定的参考。     

水泵水轮机泵工况转轮流场分析

基于三维定常N-S方程和标准κ-ε湍流模型,采用贴体坐标、结构化网格和基于有限体上的有限元法,对400 m水头水泵水轮机模型转轮泵工况进行内部流场模拟.通过转轮内部有限体上的速度、压力积分求解转轮扬程、净正吸出高度和效率,从而预测转轮泵工况的能量、扬程及空化性能,并对转轮的内部流速分布、涡分布和叶片压力分布进行了分析研究.     

低比转数离心泵小流量工况下的压力脉动特性

为了研究低比转数离心泵在小流量下的压力脉动特性,以IS50-32-160型离心泵为研究对象,在对模型泵进行网格无关性分析的基础上,采用分离涡模拟对不同小流量工况下的内部非定常流动进行数值计算.计算结果表明:隔舌对叶轮内部流动的影响较大,靠近隔舌的3个流道内均存在不同程度的进、出口旋涡,进口旋涡从叶片吸力面处产生,方向与叶轮旋转方向相同,而出口旋涡在叶片压力面产生,方向与叶轮旋转方向相同;随着流量的减小,旋涡不断发展,尤其是隔舌所在流道,进、出口旋涡会堵塞整个流道,且蜗壳出口会出现流动分离,导致出流不均匀;对叶轮和蜗壳内各监测点进行快速傅里叶变换,发现叶轮内的主要脉动频率为轴频及其倍频,且脉动从吸力面到压力面、进口到出口均逐渐增大;蜗壳内主要脉动频率为叶频及其倍频,且越靠近隔舌脉动越大,在隔舌处达到极大值;各监测点的脉动强度随流量的减小而增强.     

基于大涡模拟的水轮机内瞬态湍流场特性分析

基于三维瞬态N-S方程,采用大涡模拟方法中的Smargorinsky模型,应用模拟动静干扰效果较好的滑移网格技术,以标准k-ε模型稳态计算的结果作为初始条件,对某混流式水轮机全流道进行了的三维瞬态湍流数值模拟.用Fluent 6.3,采用非结构化的混合网格和压力速度耦合的PISO算法,成功地模拟了水轮机在运行中的各种瞬态细节过程,如涡旋的卷起、增长、合并、破碎和脱落.模拟结果给出了偏工况下水轮机导水机构和转轮流道内大尺度涡结构的瞬态发展演变过程.计算结果表明大涡模拟方法能较好地模拟水轮机内水流的瞬态流动特性和瞬时涡的发展演化过程,该方法可为探索研究水力机械复杂流道湍流运动状态下涡旋的形成机理提供有价值的参考.     

混输泵小流量工况的空化特性

为改善混输泵在小流量工况下的水力性能,采用基于均相流假设的多相流模型和Rayleigh-Plesset方程,应用标准k-ε湍流模型,对混输泵小流量工况全流道空化流场进行数值模拟,分析几种典型空化工况下混输泵的输运性能以及在不同工况下叶轮内部空泡的分布规律,最后根据模拟结果预测混输泵的能量特性并与试验结果作对比分析,从而在一定程度上验证了数值模拟的可靠性.研究结果表明:在小流量工况下,叶片进口绕流和动静干涉对叶轮内的流动分离产生较大的影响,同时旋涡形成的低压区会加剧进口空化、降低泵的混输性能;从初生到深度空化发展过程中,空化首先发生在叶片进口和靠近中间位置,在叶片背面进口的空化程度较严重,越靠近轮毂空化程度越严重,甚至阻塞流动,加剧叶轮内相态分离.该研究结果为混输泵的进一步优化设计、性能改善及实验研究提供理论依据.     

开式离心纸浆泵叶轮流道内部流场PIV试验研究

为研究开式纸浆泵叶轮流道内纤维颗粒对液相流场的影响,采用透明有机玻璃材料制造模型样机,以清水和0.1%质量浓度的头发纤维悬浮液为介质,通过PIV试验对叶轮流道内的流动进行可视化研究.试验结果表明:当输送清水介质时,在大流量工况下叶轮流道内流动稳定,未出现旋涡和低速区;在小流量工况下,当叶轮流道旋转到蜗壳隔舌附近位置时,在叶轮流道中段压力面附近开始产生低速区,且低速区随着叶轮流道靠近隔舌位置和流量减小逐渐增大,在远离隔舌位置的叶轮流道内未产生明显的低速区;受叶片扭曲的影响,在叶轮流道内垂直于泵轴的不同截面上的相对速度大小不同,且随着叶片扭曲程度减小,相对速度差减小;输送头发纤维悬浮液介质时,在纤维颗粒的影响下,叶轮流道内的液相流动相对速度降低,导致在小流量工况下叶轮流道中段压力面附近低速区面积增大;在大流量工况下,纤维颗粒存在使液相流动的相对速度大小分布更均匀.     

混流泵内部流动不稳定特性的数值模拟

为了研究小流量工况下混流泵内存在的不稳定流动特性,基于大涡模拟亚格子尺度模型与滑移网格技术, 对包括进口管和出口弯管的混流泵全流场进行三维非定常湍流计算．外特性试验结果表明,在60％～85％最优工况范围内,扬程-流量特性曲线呈正斜率特性．数值模拟结果与试验结果误差控制在4％内,表明大涡模拟可以准确预估混流泵存在的扬程-流量正斜率不稳定特性．在此基础上,分析了混流泵产生正斜率不稳定特性的内流机理．分析结果表明,在小流量工况下叶轮入口切向速度呈明显的非对称性,叶轮与导叶流道内液流的失速效应使叶轮叶片表面和导叶叶片入口轮毂侧存在大尺度的旋涡结构．导叶流道内旋涡尺度较大,压力脉动沿导叶轴向呈明显的周期性波动,使旋涡区域从吸力面侧逐渐扩展到导叶流道,旋涡结构的涡核附着在压力脉动最小值的导叶吸力面中间叶高区,且涡核旋向与叶轮旋向相同．     

离心泵小流量工况下的内部流动特性

为研究离心泵在小流量工况运行下性能及其内部流动特性,以型号为IS160-50-65的离心泵为研究对象,采用商用化软件Ansys CFX 12.0对模型离心泵的叶轮进口、叶轮流道以及蜗壳流道组成的全流场进行定常数值计算.同时,为了提高数值计算的准确性,考虑采用3种不同的网格数对模型离心泵的扬程进行网格无关性分析.且从离心泵的外特性及其内部流场分析了不同小流量工况下离心泵性能的变化规律.研究结果表明:与试验结果相比,设计工况下,扬程预测偏差为1.47%,效率预测偏差为3.61%;且随着流量降低,计算扬程的偏差值呈一定的下降趋势,计算效率的偏差值逐渐增大.另外,在设计工况下,离心泵的内部流动比较均匀;而在小流量工况下,离心泵进口管道及叶轮流道均出现回流现象,而回流引起的旋涡流有时甚至会堵塞叶轮流道;在极小流量Q/Q_d=0.2时,回流区域已延伸至全部的进水管路中.     

长短叶片混流式水轮机内部流动数值预测

为研究长短叶片混流式水轮机的内部流动特性,基于CFX软件平台,运用N-S方程和SST湍流模型,对HLA542-LJ-130长短叶片水轮机全流道典型小流量工况进行三维湍流计算,得到了水轮机各过流部件内流场的流动信息.计算结果表明,从固定导叶到活动导叶出口,速度矢量随压力降低而均匀增大,而且压力和速度分布在圆周方向的周向性较好,从叶片进水边到出水边,长短叶片压力变化为均匀减小,压力分布比较合理,叶片工作面表面没有明显的回流和二次流,流线分布较为流畅,尾水管进口压力、速度分布基本对称,压力沿径向分布比较均匀,尾水管肘管之前有与转轮旋转方向相同的涡带,涡带在尾水管中发展至尾端,但没有明显的偏心,在扩散段内逐渐减弱.研究结果对高水头水电站的水轮机选择和设计具有重要的指导意义.     

混流泵叶轮流动性能数值模拟和叶型优化设计

在设计工况下,对一个较高比转速的混流泵叶轮内部流动进行三维湍流数值模拟计算.通过分析混流泵叶轮内部的流动特点,发现由于局部结构设计不合理,流道内产生了较大范围漩涡区和壁面脱离现象,增加了流动损失.针对这一问题提出了改进措施,采用一种多参数的优化方法对叶轮叶型进行设计,并分析了叶片型线对叶轮内部流场的作用规律.结果表明,控制叶型弯曲度可以有效控制叶片进口处的马蹄涡,消除近壁面流动分离和漩涡,减小流动中的通道涡强度和影响范围,改进后叶轮流道内存在的涡团和流动脱离现象基本消失,叶轮水力效率相对提高4.74%,单位功耗的扬程增加11.5%.叶轮性能参数的计算数据与试验数据吻合较好,验证了所采用的计算方法及模型的准确性和可靠性.     

混流泵内部流动的试验研究

混流泵叶轮内流动性能直接影响整台泵的外部性能.为了探讨混流泵叶轮内部的流动机理,设计了透明蜗壳,加工了1套半开式混流叶轮,建立了混流泵试验系统并利用PIV对其在不同流量工况下叶轮内部的流动性能进行了试验测试.通过对叶轮流道内的时均相对速度分析后发现,在设计流量工况下压力面附近相对速度从进口到出口先减小后增大,吸力面附近的相对速度先增大后逐渐减小.在叶轮出口处沿叶片高度方向的相对速度靠近压力面附近变化不大,靠近吸力面附近从叶根到叶顶逐渐降低,相对流速最小值出现在吸力面叶顶附近.在小流量工况下,流道中部叶高截面至叶顶的区域内会出现回流现象.同时还研究了不对称形状的蜗壳对叶轮内部流动的影响,对叶轮相对蜗壳不同位置流道内的流动进行了测试,发现相对蜗壳不同位置流道内的相对流速的分布趋势基本相同.