基于高速摄影技术的泵进水流道消涡试验分析

针对箱涵式进水流道底部易产生涡带的问题,根据涡管强度守恒定理提出了4种新型的消涡装置,为验证4种消涡装置的有效性,采用高速摄影技术分别对设置4种消涡装置的泵装置吸水喇叭管进口处的流态进行了摄影,成功捕捉到不同工况时涡带的生成,分析了有无消涡装置及2种新型消涡装置对泵装置能量性能的影响,分析表明,采用新型消涡装置不仅能消除箱涵式进水流道底部的涡带,还可改善喇叭管内部流态,提高泵装置的能量性能。     

悬空高对泵装置流道内流特性的影响

采用单因素比较法对6种不同喇叭管悬空高的立式轴流泵装置进行了全流道的CFD数值计算和喇叭管中心区域的PIV流场测试,分析了不同方案各工况时箱涵式进水流道内附底涡的初生位置变化情况。结果表明:相同工况时附底涡初生位置因喇叭管悬空高的不同而改变;在相同喇叭管悬空高时涡核中心起始位置因工况的不同而改变;喇叭管悬空高度越低,喇叭管底部的速度梯度变化越剧烈。箱涵式进水流道的喇叭管悬空高度建议取0.8D(D为叶轮名义直径),宜在该类型的进水流道内设置消涡装置。数值计算和PIV流场测试获得的测试区流场的速度分布及附底涡核线轨迹基本相同。     

吸水口上自由表面旋涡的LES-LBM模拟

为了实现高雷诺数下自由表面旋涡生成与演化过程的数值模拟,将标准Smagorinsky亚格子应力模型引入到三维单相自由面格子Boltzmann方法中,建立结合大涡模拟的格子Boltzmann方法（LES-LBM）.当进口雷诺数分别为5×104和105时,考虑重力和科氏力的作用,采用LES-LBM对长方形水槽底部吸水口上方的自由表面旋涡的生成与演化过程进行数值计算,再现了自由表面旋涡发展过程中的典型流态,并根据其特点将自由表面旋涡的发展过程分为4个典型阶段.对比分析有、无科氏力作用下的高雷诺数流动算例,验证科氏力的作用.对自由表面旋涡发展过程中的B型（染色旋涡和挟物旋涡）和D型（连续吸气旋涡）自由表面旋涡的径向速度、切向速度以及轴向速度沿吸水口半径方向的分布规律进行重点分析.数值计算结果表明：采用结合大涡模拟的单相自由面格子Boltzmann方法,可以有效模拟高雷诺数下的自由表面旋涡生成与演化过程;验证了科氏力在诱导并促进自由表面旋涡发展过程中的作用;计算获得的自由表面旋涡内部流场的各速度分量沿径向的分布规律与试验结果定性一致,且几乎不随进口雷诺数的不同而改变.     

有压进水池消涡导水锥研究

采用单因素比较法对封闭式进水池进行CFD数值模拟计算,在ω形后壁形状的基础上进行了三角形导水锥和传统型导水锥的消涡CFD数值计算。研究表明,ω形后壁形状与进水池内流线线型最为相符,三角形导水锥高度HZ=(0~0.407)DL,锥形高度的增加阻碍喇叭管进水;三角形导水锥底径BZ=(0.5~1.0)DL,增加底径一定程度上提高了水力性能。传统型导水锥底径BZ=(0.5~1.0)DL,底宽增加阻碍喇叭管进水。设计流量下,三角形导水锥与传统型导水锥对泵效率的影响较小,但从消除进水池底部附底涡效果来看,设置防涡导水锥是有必要的。     

自由表面旋涡数值模拟与涡、汇模型理论分析

为研究吸气旋涡的产生机理,并进行相应的理论分析,将水利和水工设备进水口前常见的自由表面旋涡现象简化为盆池自由放水模型,采用“流体体积”(VOF)方法结合RNG k-ε湍流模型模拟自由表面旋涡现象．通过数值模拟获得自由液面从纯水涡到吸气旋涡的生成与演化过程,将计算结果与理论Burgers涡模型进行对比,发现Burgers涡模型的切向速度分布方程与计算结果相符,涡量向中心聚集是导致自由液面发生凹陷并最终产生吸气旋涡现象的原因之一,同时发现Burgers涡的径向速度和轴向速度分布方程与计算结果相比存在很大差异．进一步简化模型后,剔除切向速度影响,模拟了无旋流体的排水过程．通过理论推导在球坐标系下提出“汇球面”模型,获得了较好的速度分布方程,并发现“汇”效应也是产生吸气旋涡现象的重要因素之一．     

轴流泵装置进水漩涡对压力脉动的影响

轴流泵内压力脉动是引起机组振动和噪声的主要原因之一,为了研究漩涡诱发水泵内压力脉动的机理,采用Fluent软件对轴流泵装置进行非定常计算,得到了大流量工况下(1.2Qd)不同特征断面的频域特性,结合模型试验,利用高速摄像机对漩涡生成到消失全过程进行动态测量,观察到漩涡微观变化过程。结果表明:喇叭管下方漩涡发生位置与低压区位置一致,涡管底端的压力脉动幅值最大,其Cp值约为非中心点处的1.8~2倍,涡管中心处压力脉动次频发生在1倍叶轮转频处,在叶轮进口压力脉动与漩涡压力脉动在1倍叶轮转频处具有同步性,且压力脉动次频均在1倍叶轮转频处。在进水池底部压力脉动激励源为进水漩涡,进水漩涡影响叶轮进口压力分布,诱发叶轮进口压力脉动。通过研究进水漩涡从生成到溃灭的过程及对压力脉动的影响,可为泵站工程实际应用中消涡措施提供理论依据。     

基于V3V的泵站进水池内附底涡动力特性研究

采用体三维速度场测试系统V3V测量漩涡工况下立式轴流泵喇叭管下方的流场,分析了附底涡演变过程中漩涡区速度梯度分布、漩涡强度及漩涡涡动能的变化。结果表明：附底涡的发生过程是一个伴随着附底涡区速度梯度、漩涡强度及漩涡涡动能不断变化的过程。随着时间的推移,附底涡区速度梯度、漩涡强度及漩涡涡动能先增大,达到最大后保持0.4s, 然后迅速减小,附底涡形成发展的时间大于漩涡溃退消失的时间。在漩涡发展初期,随着距离进水池底部高度的增大,漩涡强度逐渐减小;在漩涡进入保持阶段后,附底涡满足漩涡强度守恒定理;受喇叭管内复杂环境的影响,附底涡强度从喇叭管内最先溃退消失,从上向下逐渐减小。本研究可为进水池优化设计提供理论指导。     

M型防涡装置对混流泵装置水力性能的影响

在混流泵进水流道内通常会存在一些漩涡,如果不设置任何防涡消涡装置,会导致喇叭管内流态混乱,叶轮室内发生脱流、漩涡等现象,从而增加泵内的水力损失、降低泵装置的效率,甚至会引发机组的振动。为此,以国内某混流式泵站为研究对象,运用数值模拟的方法对混流泵的全流道进行三维定常湍流计算。结果表明,M型防涡装置可以防止混流泵进水流道后壁附近出现漩涡,改善进水流道和喇叭管内水流流态;在进水流量大于最优工况流量时,M型防涡装置能够提高混流泵装置的效率,增幅最大可达2.18%。     

立式轴流泵进水流场PIV测量

采用3D-PIV激光流速仪对立式轴流泵喇叭管和进水池内部流动进行了测量,2个典型流量工况下的测量结果表明:设计流量(Q0)工况时,叶轮进口断面流速场呈对称分布,断面轴向流速均匀度达到0.87,无旋涡发生,喇叭管内及泵叶轮进口水流流态良好;大流量(1.2Q0)工况时,叶轮进口断面流速场呈非对称分布,断面轴向流速均匀度仅0.70,流道及喇叭管内有较强的旋涡产生,并进入叶轮诱发振动。分析了旋涡核心区的细部流动结构,导出了旋涡的数字形态,揭示了涡核内水流圆周分速度的分布规律,涡核中心的流速接近为零,圆周分速随涡核半径增加而增大,在半径3~5 mm范围内速度梯度最大,旋涡的强迫涡特征十分明显。提出了基于流量的单元面积加权流速均匀度及相应的计算公式,使过流断面流速均匀度的计算结果更为合理、更加符合实际。     

凯乐塔电站进水口消涡措施试验研究

凯乐塔电站受枢纽总体布置及实际地形条件的约束,引水口上游建筑物边界形成一个环状区域。来流受边界条件的影响,在电站右侧进水口前形成吸气漩涡。经过综合分析和多组试验研究,采取优化胸墙结构并设置消涡墩组合方案,消除了进口前的吸气漩涡。方案结构简单,运行稳定可靠。     

基于三方程VLES模型的进水池吸气涡数值模拟

开敞式进水池在大流量、低水位情况下易出现表面涡,严重时将发展为吸气涡,影响泵站安全稳定运行.为准确模拟吸气涡流动结构,采用S-CLSVOF方法捕捉水气交界面,并基于混合RANS/LES方法中的VLES方法解析湍流场结构,分析了网格与计算时间对计算结果的影响,同时研究了 VLES模型的特性.结果表明:VLES模型可以准确...     

离心泵进口回流诱导的空化特性

为了研究离心泵进口回流的空化特性,以IS65-50-160型离心泵为研究对象,首先选取CFX,Fluent和PumpLinx这3种模拟软件,应用标准k-ε模型,进行了网格无关性分析;其次,搭建了可用于外特性试验的开式试验台,将3种软件的外特性模拟值与试验值进行对比,分析3种软件在各工况下数值模拟的精确度;最后采用误差最小的模拟软件进行后续的空化和压力脉动数值模拟.结果表明:与其他2种数值模拟软件相比,CFX软件对小流量工况的模拟较为准确;由于回流的排挤作用加剧了主流区空化的发生;回流旋涡空泡的初生处于非附着状态,随着空化数的降低,最终附着在叶片上;回流旋涡空泡的发展和溃灭使得泵的特性曲线在急剧下降前出现了一段缓慢上升的趋势;在回流旋涡发生时,在叶轮进口以及叶片进口均出现了频率为9.7 Hz的低频脉动.     

离心风机涡旋结构及失稳流动特性分析

为了了解离心风机转子区域的失稳流动特性,基于SST k-ω湍流模型,探究了风机进流面非均匀流动特性与转子区域失稳流动的匹配关系,并基于涡动力学探究了转子失稳流道的涡旋尺度与结构.研究结果表明,在设计风量下,离心风机转子区域呈现明显的非均匀流动特性,可由气流速度、流动品质划分为稳流区和失稳区.同时,风机进流面流动特性与转子区域内流特性保持较好一致性,压力、速度、进流冲角皆呈现非均匀分布.进流面高速气流仅仅冲刷转子稳流区流道,而进流面低速流体在流经转子轴端后经由离心力的作用流至各个流道.通过使用进流冲角、环量、切向速度等方法,确定了额定工况下转子区域涡旋尺度、堵塞程度最为剧烈的流道,并通过湍动能及涡核分布成功捕捉堵塞流道的涡旋结构.     

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.     

进水池形状对吸入涡影响试验研究

为了改善进水池附近的流态,避免吸入涡进入喇叭口,首先以不同淹没深度和不同流量对开敞式进水池进行高速摄影和PIV试验,根据测试的流态提出相应改善措施,然后对矩形进水池和矩形进水池加底部十字架2种方案进行试验,观察并对比其消涡效果.结果表明,相对于开敞式进水池的方案,矩形进水池方案可以使喇叭口处的流态得到改善,并将前者的允许最小淹没深度降低,即在同等条件下改善了旋涡的表面涡纹状态;然后对矩形进水池方案加十字架后,进一步减小了旋涡的影响,并再次降低了允许最小淹没深度,由0.90D降低到0.70D,且改善了旋涡的表面涡纹状态.研究结果对于允许最小淹没深度的改进、降低泵站进水池的工程造价方面具有参考意义.     

轴流泵叶轮进口流场PIV试验与数值计算

轴流泵内部流场较为复杂,尤其是端璧区的叶顶泄漏,不仅能破坏叶轮进口流场,而且对叶轮流道内流场也有较大的影响.采用CFD数值计算与PIV试验研究相结合的手段,对叶轮进口附近流场进行研究,以揭示其流动机理.PIV结果表明：在1.2Qopt和1.0Qopt工况下的流线及速度云图分布较为均匀,而0.8Qopt工况下,外缘壁面靠近叶片进口边处出现低速区,且流线向轮毂侧偏转.数值计算结果表明：预测外特性结果与试验相吻合,叶轮进口的流场也与PIV结果一致;另外,在1.2Qopt工况下,5%叶顶高处的间隙内部流动方向与主流一致;1.0Qopt工况下,流体基本沿周向运动;当流量减小到0.8Qopt时,出现叶顶泄漏,并在间隙内靠压力面侧形成分离后再附着的现象,在吸力面一侧受泄漏流与主流碰撞及相互卷吸的影响,形成一个逆时针方向的旋涡.     

水泵进水池模型试验新方法研究

针对我国目前水泵进水池模型试验相似准则不明确，忽视观测水泵进口流态和吸水管内涡流强度等缺陷，提出了水泵进水池模型试验研究的新方法。开敞式水泵进水池模型试验按弗劳德数相似准则模拟。不带泵进行试验，模型比尺的选取应保证一定的进水池宽度、水深和吸水管直径，从而提高试验结果的可靠性。模型试验应重点检查进水池中是否出现有害的水面涡和水下涡，控制水泵进口时均流速波动范围和吸水管内涡流强度的大小。     

轴流泵前置导轮内部流场的大涡模拟

前置导轮自身具有优良的进口性能,能够改善主叶轮的进口条件,使用盒式滤波器将连续方程和动量方程经空间滤波得到大涡模型.采用CFD软件,对设计工况下带有前置导轮轴流泵进行三维不可压缩湍流数值模拟.分析了前置导轮内部流场的压力、速度和流线分布情况.结果表明,导轮叶片静压由进口到出口不断增大,提高了轴流泵抗汽蚀性能;叶片进口背面有一个低压区,此处易发生汽蚀;叶片表面的压力分布不仅沿叶片导程的方向逐渐增加,径向上也有增加,且没有发生较大的冲击和二次流现象;流线沿导轮型线良好地缠绕,没有出现回流、漩涡等现象.结果对轴流泵的设计、改进和优化提供有益的参考.