大型泵站出水流道三维流动及水力损失数值计算

根据研究低扬程泵站水泵装置的方法可以多样化的观念,提出了将出水流道从水泵装置中分离出来,进行出水流道内部流态数值模拟和水力损失计算的方法．介绍了低扬程大型泵站出水流道三维流场及水力损失数值计算的计算区域、边界条件及网格剖分等有关问题;给出了虹吸式和直管式等两种形式出水流道三维流场和水力损失数值计算的实例,并与流道模型试验的流场观察及水力损失测试结果进行了比较．结果表明：两种形式出水流道内部三维流动以及水力损失数值计算的结果,与流道模型试验的结果一致．     

卧式前轴伸泵装置流道三维流动及水力损失

采用数值计算方法对卧式前轴伸泵装置的三维流场及水力性能进行了初步研究,获得了设计流量时进、出水流道的流场图以及水力损失值.同时,还采用透明流道模型试验的方法,分别对卧式前轴伸泵装置进、出水流道数值计算的结果进行了试验验证.研究结果表明：卧式前轴伸泵装置进、出水流道内的流态,数值计算的结果与试验结果一致,进水流道内的水流仅在泵轴后有很小范围的局部旋涡,进水流道出口断面的流速均匀度为96.9%;出水流道进口的水流具有一定环量,水流呈螺旋状流入流道,流道外侧的流速较大,流道中心附近流速较小.进、出水流道水力损失值,数值计算值分别为0.142 m和0.163 m,流道模型试验值为0.137 m和0.168 m,两者非常接近.该泵装置在低扬程泵站具有一定的应用前景.     

大型泵站肘形进水流道三维紊流仿真计算

通过肘形进水流道三维紊流仿真计算，定性分析流道内部流态，定量计算流道出口轴向流速分布均匀度、出口水流偏流角和流道的水头损失，能预测肘形进水流道的水力特性，为流道水力设计优化和模型试验提供了依据，可以缩短模型试验周期和试验费用。     

大型箱涵式泵装置优化设计与试验

为了研究箱涵式泵装置进、出水流道的水力性能,采用了基于CFD数值模拟计算和模型试验的DOE正交设计试验方法。对进、出水流道进行三维参数化建模,以进水流道出口断面速度均匀度和水力损失为目标函数,针对进水喇叭管、导水锥和出水喇叭管、出水导流墩控制尺寸进行五因素四水平的正交试验设计。通过CFD数值模拟手段,针对设计流量工况点,分别对进水流道和出水流道各16个设计方案进行数值模拟计算,分析不同控制尺寸对进、出水流道水力性能的影响。最后通过模型试验对优化方案数值计算结果进行可靠性验证。数值模拟和试验结果表明,通过DOE正交设计方法进行进水流道优化设计,可以得到各控制参数对进水流道水力损失和出口断面均匀度的主次影响,进水流道最大水力损失达到8.56 cm,最小水力损失为3.91 cm,优化方案水力损失为3.65 cm,出口速度均匀度达到93.07%,较初始方案水力损失降低了1.31 cm,出口速度均匀度提高了1.17个百分点;出水流道最大水力损失为46.07 cm,最优组合出水流道水力损失为32.53 cm,较原始方案水力损失减小了7.96 cm。根据泵装置全特性曲线可知,该泵装置出水流道水力损失在设计工况下最小,最高运行效率达到70.04%,最高运行扬程为4.0 m,在设计扬程1.36 m时,效率为66.82%,对应流量为34.31 m3/s。模型试验最高运行效率达到71.5%,在设计扬程1.36 m时,试验运行效率在64%左右,与数值模拟结果吻合较好。     

大型水泵装置全流道数值模拟与性能预测

采用计算流体动力学方法,对某大型混流泵装置进行了全流道数值模拟,对有泵与无泵进、出水流道的内部流动及水力损失进行了对比分析,实现了水泵装置性能预测．研究发现,水泵叶轮旋转和导叶出口剩余环量与进、出水流道的内部流场相互作用,进水流道的出口水流条件和出水流道的进口水流条件与单独计算时的假定有本质不同,对进、出水流道的水力损失和装置性能有显著的影响．在水泵装置中,进水流道的水力损失小于无水泵时的流道水力损失,在一定流量范围内,仍基本符合二次抛物线规律．与此相反,出水流道的水力损失远大于无水泵时的水力损失,在设计流量附近出现局部极小值,不再完全符合二次抛物线规律．数值计算结果得到了模型试验的验证．     

钟型进水流道轴流泵装置数值优化与试验分析

基于RNG k-ε紊流模型和雷诺时均N-S方程,运用流体计算CFD软件对钟型进水流道的轴流泵装置进行三维流动数值模拟以及水力性能的优化设计。通过先局部后整体的方法先单独对钟型进水流道进行优化,然后在整体泵装置内对弯管式出水流道进行优化,对进、出水流道进行三维参数化建模,进水流道以出口断面速度均匀度和水力损失为目标函数,出水流道以泵装置效率为目标函数,针对设计流量工况点,分别对进水流道和出水流道各控制参数方案进行数值模拟计算,分析不同控制尺寸对进、出水流道水力性能的影响。最后通过模型试验对优化方案数值计算结果进行可靠性验证。数值模拟和模型试验结果表明,优化后钟型进水流道的水力损失由0.348 m降低到0.148 m,钟型进水流道出口流速均匀度由54.59%提高到93.35%;弯管式出水流道的水力损失由0.464 m降低到0.415 m,通过优化流态得到了改善。模型泵装置试验在叶片安放角0°时,设计工况下泵装置效率达到74%,泵装置最高效率为76.47%,高效区运行范围较宽;进出水流道无漩涡产生,流态均匀,数值模拟和模型试验外特性曲线误差在5%以内,进水流道水力损失曲线趋势相同。运用数值模拟优化计算钟型进水流道的轴流泵装置,缩短了试验周期,节约了成本,可为同类泵站的设计和安全运行提供参考。     

大型泵站肘形进水流道三维紊流仿

通过肘形进水流道三维紊流仿真计算，定性分析流道内部流态，定量计算流道出口轴向流速分布均匀度、出口水流偏流角和流道的水头损失，实现了肘形进水流道的水力特性全面预测，为流道水力设计优化和模型试验提供了充分的依据，可大幅度缩短模型试验周期和试验费用。     

泵站进水流道模型水力损失的测试

根据低扬程水泵装置的研究方法可以多样化的观念,提出了将泵站进水流道模型从水泵装置模型中分离出来单独进行水力损失测试的新方法.介绍了该新方法所采用的测试装置、试验准则、水力损失计算方法及误差分析等有关问题.与传统测试方法相比,新方法具有费用少、周期短、测试准确等特点.采用新方法对2组不同几何形状的肘形进水流道模型进行了水力损失测试及比较,试验结果表明：肘形进水流道的水力损失与其几何形状有密切的关系。     

水泵转速变化对进出水流道水力损失的影响

在比较各种进出水流道水力损失研究方法的基础上,运用计算流体动力学方法数值模拟了4种水泵装置内部流动,研究水泵转速变化对进出水流道水力损失的影响.数值计算结果表明,由于水泵装置中进水流道内部流动受水泵叶轮旋转引起的水流预旋的影响,因而小于无泵单独运行时的水力损失.水泵转速变化后,在相同流量下,进水流道的水力损失基本不变.水泵导叶出口水流条件和剩余环量影响出水流道的水力特性,水力损失随流量变化的关系非常复杂.水泵转速变化后,出水流道内部流动不相似,相同流量下的水力损失不相等.装置模型试验结果验证了数值计算结果的有效性和可靠性.     

箱涵式轴流泵装置进出水流道优化设计

基于RNGk-ε紊流模型和雷诺时均N-S方程,运用CFD商用大型软件对箱涵式进出水流道立式轴流泵装置进行了三维流动仿真计算及水力特性的优化设计。通过先部分后整体的方法先独自对箱涵式进水流道进行优化计算,而后在整体泵装置上对箱涵式出水流道进行优化计算。进水流道的优化以出口断面流速均匀度和水力损失为目标函数,出水流道的优化则以泵装置效率和水力损失为目标函数。通过数值计算得出,优化后箱涵式进水流道的水力损失由7.52cm降低到3.49cm,进水流道出口流速均匀度由42.41%提高到89.11%,进水流道的悬空高度H和进水喇叭管与叶轮间的连接角度α对进水流道水力特性的影响显著,设计时应该重点考虑。箱涵式出水流道的水力损失由87.15cm降低到76.37cm,出水流道的设计应重点关注导流墩与出水喇叭管的半径差Δr和出水导流墩的半径R,合适的出水导流墩半径在0.75倍导叶出口直径左右。泵装置模型试验在叶片安放角-4°时,设计工况下泵装置效率达到75.0%,泵装置最高效率为75.67%,高效区运行范围较宽;对比数值计算和模型试验的结果可以发现误差最大处低于5%,整体性能曲线的趋势相对良好,说明数值模拟对于泵装置的优化是合理的,对于实际工程具有指导意义。     

杭州八堡泵站斜式泵装置流道水力优化

为保证杭州八堡泵站斜式泵装置的安全、稳定和高效运行,运用三维湍流数值模拟方法对该站斜式进、出水流道进行了水力优化设计研究.基于流道三维流场数值计算结果,揭示了进水流道高度和泵轴倾角分别对斜式进水流道水力性能的影响规律,揭示了出水流道平面扩散角和泵轴倾角分别对斜式出水流道水力性能的影响规律.结果表明:斜式进水流道高度愈大流道水力性能愈好,泵轴倾角愈小流道水力性能愈好;斜式进水流道转向角度愈小,水流受离心力影响愈小,愈有利于水流流动调整;斜式出水流道扩散角愈小流道水力性能愈好,泵轴倾角愈大流道水力性能愈好;受螺旋状的水流和急剧转向的“S”形弯曲流道的共同影响,斜式出水流道内不可避免地存在不对称旋涡;综合考虑八堡泵站流道水力性能、土建工程量、闸门提升高度和水泵机组安装检修难度等多方面的因素,确定该站斜式泵装置的泵轴倾角为20°.     

前、后置竖井贯流泵装置基本流态分析

利用数值模拟软件Fluent 6.2对雷诺时均N-S方程进行离散,采用S-A单方程模型和SIMPLEC算法对前置竖井和后置竖井贯流泵装置在50％~120％设计额定流量等共16种工况进行了数值计算,并与换算成原型尺寸后的模型试验结果进行了对比,发现性能变化趋势吻合较好,在相同流量下数值计算值与试验值效率误差均在±5%以内。分别对前、后置竖井贯流泵装置的进水流道、泵室段和出水流道在设计流量工况下的基本流态进行了分析和对比,探讨了水力损失的原因。结果表明,前置竖井贯流泵装置的进、出水流态都比较好,而后置竖井贯流泵装置的进水流态均匀平顺,但出水流道的流态比较混乱,水力损失相对较大,装置效率低于前置竖井贯流泵装置;导叶和竖井是影响出水流道流态和装置效率的关键因素,在导叶环量和竖井的影响下极易产生脱流和漩涡。     

泵站虹吸式出水流道优化设计

对虹吸式出水流道的型线进行数学建模的基础上,开发了基于流道参数的优化设计软件,该软件能够快速进行流道型线的绘制,并能使流道的型线自动符合流速渐变的原则.结合三维紊流数值模拟对流道内流场进行三维空间的仿真,检验了流道的水力性能.建立了以虹吸式出水流道水力损失为目标函数、驼峰断面位置为求解变量的最优化问题数学模型,求解结果表明：当驼峰位于流道进口的正上方,即进口弯管段变为近似直管时,整个虹吸式出水流道的水力损失为最小.说明在设计虹吸式出水流道时,在泵站结构布置允许的条件下,驼峰的位置应尽可能向流道进口方向靠近,以减小出水流道的水力损失,提高泵装置效率.     

中隔墩对大型泵站出水流道水力性能的影响

为了研究中隔墩对大型低扬程泵装置出水流道水力性能的影响,借用某泵站的有关参数,采用三维数值计算的方法,将出水流道从泵装置中分解出来,计算了出水流道内的流态和水力损失;设置中隔墩会使设计流量时的虹吸式和直管式出水流道的水力损失分别增加0．024m和0．033m;采用透明流道模型试验的方法对数值计算的结果进行了验证,模型试验结果与数值计算结果基本一致;根据计算和试验结果研究了中隔墩对虹吸式和直管式出水流道水力性能的影响．研究结果表明：由于水泵导叶出口水流具有环量,出水流道内的流态存在较为明显的偏流现象,流道的水力性能在一定程度上受到中隔墩的影响;中隔墩愈长,出水流道水力性能所受的影响愈大．因此,设置中隔墩无益于出水流道的水力性能．对于大型低扬程泵站,可在满足出水流道结构设计的条件下取消中隔墩或采用较短的中隔墩．     

导叶叶片数及导叶相对位置对低扬程轴流泵装置性能的影响

为研究导叶叶片数及导叶相对位置对轴流泵装置性能的影响,设计了3个不同导叶数方案和4个不同导叶相对位置方案,采用计算流体动力学软件分别对每个模型在0.8Q_d~1.2Q_d之间的5个工况进行计算.根据数值计算结果,选择最优模型,即导叶数为5,叶轮出口距导叶距离为0.086D的泵装置模型进行能量特性试验,并将试验结果与数值计算结果进行对比分析.结果表明:当轴流泵叶轮叶片数一定时,增加导叶数,将使导叶水力损失增大,出水流道水力损失增大,泵装置效率将下降;当叶轮叶片数和导叶数一定时,叶轮出口至导叶进口距离过大或过小时,将使导叶水力损失增大,导叶出口速度环量减小,出水流道水力损失增大,泵装置效率将下降;试验结果与数值计算结果的误差在4%以内,验证了数值计算的可靠性、准确性.研究结果可为泵装置的导叶水力设计和效率提高提供一定参考.     

立式轴流泵装置模型水力性能数值分析及预测

依托南水北调东线一期工程某低扬程泵站的设计参数,基于三维湍流流动雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对由肘形进水流道、轴流泵和虹吸式出水流道组成的低扬程立式轴流泵装置模型内部流动进行数值模拟,分析了小流量工况(0.180 m³/s)、设计流量工况(0.299 m³/s)和大流量工况(0.360 m³/s)等3个典型工况时的泵装置流态和叶轮叶片表面的压力分布情况,对泵装置模型的能量性能进行预测,并与泵装置模型试验结果进行对比分析.结果表明:泵装置效率的数值计算结果与模型试验结果基本一致,最优工况点附近较为接近,在计算范围内最大差值不超过2%;设计流量工况时泵装置进、出水流道内的三维湍流流动状况,与进、出水流道分别进行数值计算时的状况基本一致;3种不同典型工况时泵装置进水流道内的流场分布状况相同,而出水流道内的流场差别很大.对不同工况时立式轴流泵装置模型内部三维湍流流动的研究结果,可为低扬程泵装置多工况水力设计优化研究提供一定的参考.