平面S型轴伸泵装置变转速水力特性

为了研究水泵变速运行装置内部水力特性变化,采用CFX软件对平面S形轴伸泵装置进行全过流部件数值模拟计算,转速分别为1 050、1 250、1 450 r/min。结果表明,不同转速下装置叶轮进口流速均匀度变化很小,进水流道水力损失变化规律不变。3种转速下出水流道小流量工况水流旋转运动强烈,设计工况流线较平顺,大流量工况水流贴壁运动明显。水泵转速增加后,出水流道水力损失最小值增大,对应的流量也加大。3种转速下,出水流道水力损失与装置扬程之比δ均在泵装置最优工况最小,且均为0.055左右,相差不大。通过断面涡量云图比较,变转速对导叶出口断面涡量影响很大,对应该断面涡量某一数值时,水力损失有最小值。泵装置变转速等效率曲线近似为抛物线,装置外特性基本符合比例律的关系。     

轴流泵装置出水流道内流脉动与流动噪声试验分析

为了研究立式轴流泵装置出水流道内流脉动及流动噪声的变化规律,采用在出水流道布置压力传感器和水听器的试验方法研究分析了轴流泵装置不同转速、不同流量时出水流道的内流脉动及流动噪声的时频特性。结果表明:相同流量比时,各监测点的脉动幅值均方根均随转速的增加而增加。相同转速时,各监测点的脉动幅值均方根均随流量比的增大而减小,不同流量比时各监测点的脉动主频存在差异性;不同转速相同流量比时同一监测点的脉动主频存在差异性;不同转速不同流量比时各监测点的脉动主频以51 Hz为主,脉动主频和脉动次主频均未与转频呈整倍数关系,脉动主频和次主频均在200 Hz范围内。相同流量比时出水流道内部流动噪声的声压级随转速的增加而增加,转速对最优工况时出水流道流动噪声的声压级影响较明显。相同转速时,出水流道内部的流动噪声随流量的增加呈先减小后增大的趋势。根据出水流道内流脉动幅值分析,应尽量避免低扬程泵装置在小流量工况运行。     

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.     

低扬程泵变速工况性能及合理变速范围的确定

根据南水北调工程中低扬程泵站采用变速运行的具体特点,研究了变速工况下泵装置性能的变化规律,指出在装置净扬程大于零的情况下,传统的水泵相似律不再适用于变速工况下的装置特性换算,提出了采用泵特性线性化和额定转速下装置特性预测变速工况下性能参数的方法.在引入"能耗比"的概念后,对一定时间段调水量恒定条件下的变速运行与其他调节方式的能耗进行了分析.在考虑变速装置效率、电动机效率和不同转速下泵效率变化下能耗比与净扬程关系的基础上,提出了确定不同净扬程下经济合理变速范围的方法.     

基于全流道模拟的泵装置出水流道水力特性分析

为研究低扬程泵装置出水流道的水力性能,采用CFD方法对泵装置进行全流道数值计算,并通过模型试验对数值计算结果的准确性进行验证。分析了隔墩对出水流道水力性能和泵装置能量特性的影响,阐述了出水流道流量不平衡的问题以及环量对出水流道内部流动特性的影响。结果表明:对于低扬程泵装置,出水流道的隔墩对泵装置能量性能的影响较大,应尽量避免设置隔墩;在出水流道中,隔墩前伸会增加出水流道的水力损失,导致两孔流量分配更加不相等,隔墩后伸对两孔流量的分配无影响但会增加出水流道的水力损失,从而降低泵装置的水力性能。无环量时出水流道的水力损失与流量呈二次方关系,有环量时出水流道的水力损失增大,且内部流态变得复杂。出水流道的内外特性与泵装置的运行工况有关系,应避免将出水流道独立地从泵装置系统中脱离出来进行水力性能的计算分析。     

大型立式轴流泵装置流道内部流动特性分析

基于三维不可压缩流体的雷诺平均N-S方程和RNGk-ε湍流模型,采用CFX软件计算了额定转速下180～340 L/s流量范围内6个工况点的立式轴流泵装置内部流动,分析了进水流道和出水流道的流动特性,重点研究进口流动细部结构,同时预测了泵装置的水力性能.计算结果表明:叶轮旋转对进水流道出口轴向流速分布和切向流速分布的影响较小.导叶出口环量对出水流道的流场影响较大,导致隔墩两侧流量分配不均,大流量时隔墩两侧水流流态比较平顺,而小流量时隔墩右侧流道内出现螺旋状水流,两侧水流严重不均衡.通过计算预测了泵装嚣水力性能,并与泵装置模型性能试验结果进行了对比,表明最优工况时数值模拟与试验结果吻合较理想,可以满足工程实际的需要.     

排涝泵站立式轴流泵装置模型试验

针对排涝泵站改造工程的需要,开展了立式轴流泵装置模型试验研究,轴流泵装置模型由比转速700的水力模型、肘形进水流道和直管式出水流道组成,获得了模型泵和原型泵装置的能量和汽蚀特性曲线以及飞逸转速特性．在叶轮叶片转角为～4。时,泵装置模型最高效率为76．21％,扬程为6．39m,流量为0．298m3／s;对应的原型泵装置设计工况点扬程6．00m,效率为83．87％．流量为25．9m3／s,满足设计流量的要求;在最高扬程下,轴功率小于2300kW．所选用的水力模型性能满足泵站的实际运行要求,经过优化的直管式出水流道保证了泵装置高效稳定运行．     

水泵转速变化对进出水流道水力损失的影

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。     

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.     

慎江泵站特低扬程大流量竖井贯流泵装置外特性试验研究

【目的】检验特低扬程大流量泵站中竖井贯流泵装置的水力性能,了解泵站的真实运行情况。【方法】采用模型试验的方法,研究了慎江泵站竖井贯流泵装置的外特性,并分析数据提出了改进方案。【结果】泵装置的最高效率出现在叶片角0°工况,可达77.57%,此时泵装置流量为220.5 L/s,扬程为1.95 m。在试验扬程范围内,慎江泵站的装置汽蚀余量充裕,不会产生汽蚀危害。在叶片角为0°时,最大扬程为2.93 m时,飞逸转速相当于额定转速的1.80倍。原方案设计扬程工况下,泵装置的流量偏小,而且在最大扬程工况下的飞逸转速偏大,对泵站安全运行不利。提出提高泵装置额定转速的优化方案,验证得在新转速下泵装置设计扬程对应的能量特性、汽蚀特性以及飞逸转速特性均满足要求。【结论】竖井贯流泵装置水力性能优异,装置效率高,在特低扬程泵站中前景良好,建议优先采用。     

泵站变速节能的优化计算

为了给泵站变速节能提供最优转速决策，针对水泵机组可以无级调速的泵站，以约束于一定流量要求下单位水量能耗最小为目标建立了站内多台机组同时变速运行的优化计算模型，并根据目标函数取极值后所形成的议程中的一个常量为平均泵站效率的倒数这一特殊意义来研究数值求解方法。     

南水北调东线泵站变速运行模式的适应性

以南水北调东线工程源头泵站江都四站为例,通过单机组优化运行（叶片全调节、变频变速）数学模型的求解、分析可知,在南水北调东线源头泵站扬程变幅（日均扬程7.8~3.8 m,潮差1.2 m）范围内,不管是否实行峰谷电价,泵站叶片全调节优化运行是较为合适的运行模式;变频变速运行仅在扬程低于5.0 m、非满负荷运行时优于叶片全调节;在满负荷工作时,泵站变频变速与定角恒速运行相比,变频变速优化运行带来的效益不足以抵消变频装置的耗损.同时,从泵装置运行的机理出发,证明了大型提水泵站只有在一次调水过程中的扬程变幅足够大时,变频变速优化运行才能产生效益的论点.该成果可为南水北调东线大型泵站的改造、优化运行提供理论依据.     

并联泵站群日优化运行方案算法

提出了并联泵站群日优化运行数学模型,该模型以并联泵站群日提水费用最少为目标函数,以各时段机组叶片角或转速为决策变量.考虑站间不同工况调节方式,采用大系统二级分解-动态规划聚合法进行求解.首先以泵站日提水耗电费用最少为目标,泵站提水量的分配为协调变量,将该模型分解成若干个泵站多机组日优化运行一级子模型;再以单机组日提水耗电费用最少为目标,机组提水量的分配为协调变量,将一级子模型分解为若干个单机组日优化运行二级子模型.该二级子模型以机组叶片安放角或机组转速为决策变量,机组提水量的离散值为状态变量,采用动态规划方法求解.构造的聚合模型以各机组提水量为决策变量,并联泵站群提水量的离散值为状态变量,同样采用动态规划方法求解.该方法可以解决不同工况调节方式、不同时段划分及不同日均扬程下并联泵站群的日优化运行问题.以淮阴一、三站并联运行为例,作了日优化运行计算,结果表明：各日均扬程下满负荷、80%负荷、60%负荷优化运行单位费用,较定角恒速运行分别平均节约10.53%,26.54%,34.40%.     

大型低扬程泵装置nD值的选取

从水泵选型、能量性能、汽蚀性能等3个方面,讨论了减小nD值对大型低扬程泵装置水力性能的影响;提出了减小nD值的低扬程泵装置水泵选型设计思路;借助于叶片泵相似律,推导了减小nD值与增径降速的一致关系,在设计流量一定的条件下,若叶轮直径增大5%,则水泵转速和nD值将分别下降13.6%和9.3%;从叶轮直径对流道水力损失的影响上,分析了减小nD值对提高泵装置流道效率的作用;根据nD值与水泵扬程的关系,低扬程泵装置选型时,宜适当减小nD值,以便在较低扬程下选用到更优秀的轴流泵水力模型;根据叶片泵汽蚀相似律,分析了减小nD值对低扬程泵装置汽蚀性能的影响;同时,还讨论了泵装置汽蚀性能的考核指标,以及增径降速对流道控制尺寸及设备投资的影响等问题.结果表明：对于平均扬程为4 m、单泵设计流量为33.5 m3/s的泵站,若将叶轮直径由2.9 m增大至3.1 m,则流道效率可提高2.9%;在设计流量一定的条件下,若将nD值由435降为387.5,由水力模型TJ04-ZL-06换算的原型泵高效区扬程可由5 m左右降为4 m左右,水泵必需汽蚀余量可降低20.6%;对于年运行时数较长的大型低扬程泵站,宜采用较小的nD值.     

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．     

不同型式贯流泵装置结构特点与水力特性分析

在保持水泵模型不变的情况下,选择3座典型的已建贯流泵站的进出水流道设计,组成3种不同型式的贯流泵装置,用数值分析方法研究了装置的水力特性。结果表明,贯流泵装置的水力特性与进出水流道型线设计密切相关,所研究的3种贯流泵装置最优效率点差值达10.48%。出水流道的水力损失是影响水泵装置效率的关键因素,应针对不同型式贯流泵装置结构特点,开展出水流道的水力设计优化。     

低扬程泵装置性能的决定因素

阐述了进水流道上引起的泵性能变化和出水流道回收能量作用对泵装置性能的影响，并提出了装置中泵的等扬程加大流量设计方法。     

基于VOF模型的真空吸鱼泵抽吸过程参数影响分析

真空吸鱼泵是水产养殖中用于起捕输送活鱼的一种重要工具，为探究真空吸鱼泵抽气压力、吸程及管道入口流速之间的关系，计算建立5种不同吸程的真空吸鱼泵流道物理模型，应用瞬态VOF方法捕捉不同参数影响下的水气界面气液两相流变化。数值计算结果表明：同一抽气压力下，不同吸程管道的入口速度在0.5 s内迅速增大，之后波动减小，且入口平均速度偏差仅3.4%，吸程对管道入口平均速度几乎无影响；管道内水抽吸至集鱼筒后，充满大量水与气团组成的泡沫状气液混合体，不同吸程下的集鱼筒在t=8 s时均已注满水；吸程为2、3、4、5、6 m的吸鱼泵抽吸过程的所需的临界抽气压力分别为-13、-14、-16、-20、-25 kPa，吸程与临界抽气压力关系拟合为多项式，可得出同一真空吸鱼泵在任意吸程条件下所需最大抽气负压值。