新型肘形进水流道水力特性预测

提出一种新型肘形进水流道,具有型线简单,容易设计和施工方便等优点。采用定常雷诺平均N S方程和标准kε紊流模型,数值模拟了该新型肘形进水流道的三维紊流。在详细分析内部流态的基础上,从流道出口断面轴向流速分布均匀度、出口水流偏流角和流道阻力系数3个方面对其水力特性进行了全面的预测,并与按常规设计的肘形进水流道的水力特性进行了比较。计算结果表明,新型肘形进水流道具有优良的水力特性,出口水流的轴向流速分布均匀度高,偏流角小,可为水泵提供良好的进水条件。     

肘形进水流道水力优化仿真计算与试验

为了分析大型泵站肘形进水流道的开挖量与流道水力损失及内部流态之间的变化规律,对流道设计进行了研究.设计了8组肘形进水流道方案,其中1-4组方案流道底板上翘角度不同(方案1底板上翘角为0),5-8组方案流道后壁弯曲段半径R不同.基于雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流模型,运用SIMPLEC算法,模拟了额定流量下肘形进水流道的8组方案三维流场.结果表明:1-4组,底板倾角不断抬高.当底板上翘7°时,流道水力损失只有略微增加,流道进口底板较方案1抬高1.15 m;继续增加底板倾角,水力损失明显增加.5-8组,流道后壁弯曲段半径R不断减小.当R为1.03倍叶轮直径时,水力损失较方案1增加14.5 mm(水力损失以水头高度表示),整体流道底板抬高0.36 m;若继续减小R值,水力损失明显增加.对优选的底板上翘7°流道方案进行模型试验.换算到原型后,流道水力损失与计算结果基本吻合.     

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。     

轴流泵装置虹吸式出水流道内流机理数值分析

为研究轴流泵对虹吸式出水流道内部流动特性的影响机理,采用CFD(Computational fluid dynamic)方法对虹吸式轴流泵装置进行全流道的数值计算,在考虑了轴流泵与虹吸式出水流道内流相互影响的条件下定性地分析了虹吸式出水流道的流场特征,定量地研究了导叶体出口剩余环量和流量对虹吸式出水流道水力损失的影响,给出了相应的数学关系模型,并将泵装置性能预测结果与模型试验结果进行了对比。结果表明:受导叶体出口剩余环量和流量的双重作用虹吸式出水流道内部流态差异较大,虹吸式出水流道的水力损失主要集中于驼峰断面前的过流通道。各工况时虹吸式出水流道驼峰断面的速度加权平均角的均值为52.34°,不同工况时速度加权平均角变化范围仅在0.1°~2.3°之间。随流量系数的增大,驼峰断面的轴向速度分布均匀度逐渐增大,导叶体出口剩余环量则先减小后增大,在高效工况范围内导叶体出口剩余环量存在最小值。导叶体出口剩余环量通过影响虹吸式出水流道内部流态而对出水流道水力损失产生影响,虹吸式出水流道的水力损失与流量未呈二次方关系。     

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。     

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。     

泵站肘型进水流道模型试验研究

根据泵站要求设计了一种新型结构的肘型进水流道,按欧拉相似准则进行模型试验,试验装置采用开敞式进水前池,流道进口不带泵,采用在试验管道上增设循环泵提供所需流量。分别进行了水力损失、流动轨迹和水面漩涡试验,最大流量工况点模型试验的水力损失为0.059mm。经相似换算,得到实型流道的水力损失为0.059 m,损失较小。流动轨迹的模型试验显示流态曲线光滑,没有突变、脱流、涡带等局部损失等现象发生。最低运行水位、最大流量工况下对进水池水面漩涡试验,显示出现了2型水面漩涡,不会对循环水泵产生不良影响。试验结果表明,该肘型进水流道综合性能优良。     

大型低扬程泵站钟形进水流道水力特性研究

基于三维不可压缩流体的雷诺平均Navier-Stokes方程和RNG κ-ε湍流模型,应用有限体积法计算了双隔墩钟形进水流道7种不同工况的流道内流场,分析了钟形进水流道的流动特性,归纳了不同工况喇叭管进出口断面的速度分布规律,预测了流道的水力损失并揭示了水力损失规律.通过分析钟形进水流道各个断面的轴向速度分布均匀度与速度加权平均角度,给出了钟形进水流道的叶轮名义高度的取值范围(1.25～1.4)D,验证了钟形进水流道高度低的特点,计算结果表明采用RNG κ-ε湍流模型能较好地分析进水流道的水力特性.     

大型泵站肘形弯管进水流道数值优化研究

针对江都三站运行存在的主要问题，采用了直接求解基于时间平均的N－S方程雷诺和k-ε紊流模型方程组的方法，通过数值模拟预测肘形弯管进水流道内部流动，优选了肘形弯管的改造方案，改善了流速分布，使得该泵站装置具有了较高的性能。     

壁面粗糙度对轴流泵水力性能影响的研究

采用全三维雷诺时均Navier-Stokes方程和标准κ-ε湍流模型,数值模拟了包括叶轮、导叶、泵壳和轮毂等过流部件壁面粗糙度对轴流泵水力性能的影响。计算结果表明,壁面粗糙度对轴流泵的水力特性影响显著。通过机械抛光或表面处理等方法,降低过流表面的粗糙度,可有效地提高轴流泵的扬程和效率。水泵的效率对叶片表面的粗糙度更加敏感,应给予更多的关注。研究还发现,水泵出口断面轴向流速分布均匀度和速度加权平均偏流角也随壁面粗糙度改变而改变。     

立式轴流泵装置进水流道出口流态与脉动试验分析

进水流道出口流态是影响立式轴流泵装置运行稳定性的关键因素之一,基于立式轴流泵装置整体物理模型,采用在肘形进水流道出口段壁面布置丝状红线和压力脉动传感器,研究分析了不同转速时立式轴流泵装置肘形进水流道出口段的流态及压力脉动变化规律。结果表明,当流量小于0.7Qbep时肘形进水流道出口段内壁面的丝线偏移方向与叶轮旋转方向相同,各测点的脉动幅值均随转速的增加而增加;当流量大于0.7Qbep时肘形进水流道出口段内壁面的丝线偏移方向与泵轴方向相同,各测点的脉动幅值随转速的增加而减小。相同转速时,各测点的脉动幅值随流量的增大先减小后增大,在最优工况时脉动幅值最小。不同转速下,流道出口各测点的脉动主频均为4倍转频,最优工况时各测点的脉动次主频均为1倍转频。随转速增加,肘形进水流道出口段各测点主频幅值的增幅存在差异性,小流量工况时各测点的脉动主频幅值增幅小于最优工况和大流量工况。     

带可调进口导叶轴流泵装置水力性能数值分析

根据轴流泵进口导叶片的设计要求,设计了可调进口导叶并开展了不同安放角进口导叶轴流泵装置的三维定常数值计算,获取了进口导叶对轴流泵装置水力性能调节的综合特性曲线,建立了带可调进口导叶轴流泵装置水力性能预测的多元非线性回归预测数学模型。依据数值计算结果和速度三角形分析了可调进口导叶对转轮及轴流泵装置水力性能的影响,结果表明:在进口导叶安放角0°时,相比不带可调进口导叶的轴流泵装置,在高效区及小流量工况时带进口导叶泵装置的能量性能变化很小,大流量工况时进口导叶的水力损失较大进而导致带进口导叶泵装置的效率下降幅度较大。随进口导叶安放角由0°逐渐向正角度增大时,泵装置的最优工况向小流量方向偏移,泵装置的流量效率曲线呈现出整体下降的趋势;随进口导叶安放角由0°逐渐向负角度减小时,泵装置的最高效率先增大后减小,但泵装置的最高效率点对应的流量未发生改变。     

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。     

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。     

隔墩对轴流泵装置直管式出水流道内流及脉动的影响

为分析隔墩对直管式出水流道内部流态及压力脉动的影响规律,基于立式轴流泵装置物理模型,采用在直管式出水流道壁面布置丝状红线和压力脉动传感器的方法进行了试验。结果表明,小流量工况时,有无隔墩的直管式出水流道内壁面红色丝线均呈大角度倾斜状;在最优工况和大流量工况时,直管式出水流道内壁面红色丝线趋于水平状,流量越大红色丝线越趋于水平。无隔墩的直管式出水流道脉动幅值均方根的平均值均高于有隔墩的直管式出水流道脉动幅值均方根的平均值。相同转速时,有无隔墩的直管式出水流道各监测点的脉动幅值均方根均随流量的增大而减小;相同流量比时,各监测点的脉动幅值均方根随转速的增加而增加。不同转速下各最优工况时,有隔墩的直管式出水流道各监测点的脉动主频与转频呈整倍数关系。隔墩对直管式出水流道内部水流流态有一定的调整作用,可降低脉动幅值,但不同工况时隔墩对直管式出水流道内流的改善效果还取决于导叶体出口剩余环量和流量。     

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°.     

卧式泵站直管式出水流道型线变化水力性能数值模拟

基于不可压缩流体的连续性方程和雷诺时均N-S方程,采用CFD技术对卧式泵站直管式出水流道进行数值模拟计算,通过改变出水流道型线,分析出水流道内部流动特性及水力损失影响。研究表明,出水流道当断面形状设计为圆变方,在平面方向和立面方向均逐渐扩大的形式时,流道内流态最好;将进水流道断面在平面方向设计为先扩散后平直,而在立面方向均匀扩大的形式时,流态较好;而将断面在立面与平面方向均设计成先扩散后平直时,出水流道流态最差。     

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。