低扬程泵装置原、模型和防止“有害”汽蚀参数换算

依据中国泵和泵站模型水工试验作设计前期工作时,行业规定在泵水力装置模型制作中要求过流流道几何相似,但表面粗糙度与原型按一定比例相等和不重视容积损失相似,有比尺效应;在模型试验中,流道水流流态可能有部分在光滑紊流区与原型水流态不相同和允许降低原型泵转速做模型试验,有Re数效应;两者造成原、模型水力参数换算后误差很大,须用经验公式修正,各国学者已提出了十几个经验公式.提出了人工消除参数中的比尺效应和Re数效应,将模型试验成果按不等效率换算成与原型泵流道几何相似、水流流速相同、水力效率不相同的新模型,新模型成果由水工相似定律等效率换算成新模型原型水力参数,并可防止叶型"有害"汽蚀.采用该方法换算皂河第一抽水站模型试验为原型水力参数,与试运行成果符合.     

泵及装置原型与模型水力特性换算方法

对国内外多种泵及装置原型、模型水力特性换算方法研究所取得的进展进行了回顾,主要内容包括具有奠基意义的Moody效率换算公式,考虑比尺效应的原型、模型泵及装置效率的换算方法,以及原型、模型泵能量性能参数的换算方法。详细介绍了我国学者在这方面的研究成果,并对现有不同换算方法进行了简要的评述,指出缺乏高精度完整可靠的水泵装置原型测试数据,是目前制约水力特性换算方法深入研究的重要原因,将数值模拟与理论分析和试验研究相结合,可望取得突破性的进展。     

顺德上僚泵站装置模型试验研究

按照相似理论建立顺德上僚泵站进出水流道的装置模型，测试运行特性。测定模型泵在指定叶片角度（+1）下运行时的装置综合特性曲线，并换算成原型泵相应叶片角度下的综合特性曲线（Dp=1400 mm；np=375r/min）。观察模型泵在不同工况下运行旱的气蚀状况及进出水流道的流态，提出发送流态的相应措施。     

双向竖井贯流泵站模型泵装置模型试验

按照流体力学相似原理建立了黄麻涌双向竖井贯流泵站流道的装置模型,试验测定了模型泵装置在指定叶片角度下运行的装置综合特性曲线,将泵装置综合特性曲线换算成原型泵的特性曲线,同时试验测定在不同工况运行状态下的汽蚀性能,并观察进出水流道的流态,得到了汽蚀性能结果,提出了建设泵站的注意事项和相应的改进措施。     

双向泵站装置效率换算方法的探讨

根据水力计算原理，分析了双流道双向泵站效率和流道效率对泵站装置效率的影响；提出了原，模型装置效率换算时仅需考虑沿程损失的比尺效应，并据此推导了新的装置效率换算公式。     

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。     

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.     

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．     

电动机前置和电动机后置潜水贯流泵装置水力性能比较

为了推动潜水贯流泵装置在低扬程泵站中的应用,提出了电动机前置的新型潜水贯流泵装置型式.基于某大型潜水贯流泵站的设计参数,分别设计了电动机前置和电动机后置2种型式的潜水贯流泵装置方案,采用数值模拟方法对这2种型式潜水贯流泵装置的三维流场分别进行数值计算和分析,预测泵装置的扬程和效率,并比较其水力性能和结构特点.结果表明:这2种型式潜水贯流泵装置的进水流道内水流收缩都平缓均匀、流线层次分明,电动机前置方案出水流道内水流扩散平缓且无旋涡或其他不良流态,电动机后置方案出水流道内主流偏向流道扩散段右下侧并在左上侧产生旋涡;电动机前置方案的流道水头损失小、泵装置效率高,水力性能优于电动机后置方案;电动机前置方案的潜水电动机密封更可靠、电动机支撑结构更合理、水泵导叶体的水力设计更成熟.潜水贯流泵装置应优先采用电动机前置方案.     

大型泵站虹吸式出水流道水力特性分析

分析了影响虹吸式出水流道水力特性的主要设计参数，在数值模拟流道内部三维流动和定性分析流道内部流态的基础上，建立了虹吸式出水流道水力特性评价指标体系。通过分析2个设计方案虹吸式出水流道的流场，定量比较驼峰和出口断面的流速分布均匀度和流道水力损失，客观评价虹吸式出水流道的水力特性，为实现水力设计优化提供了可靠依据，可有效地节省物理模型试验费用和时间，提高水泵装置效率。     

后置灯泡式贯流泵装置水力模型

为了能够满足在南水北调东线一期工程中低扬程大流量工况的要求,针对南水北调金湖等泵站研制开发的贯流泵装置水力模型,利用FLUENT软件进行了CFD流场计算分析,并进行了反复试验和优化设计.经过江苏大学初试和河海大学复试,结果基本相符.模型在2.82 m扬程下,流量为342 L/s,效率达到79.05%,汽蚀比转速为1 105;装置模型流量大,效率高,综合性能指标达到南水北调工程经国际招标的同类装置模型的先进水平;在3 m扬程下和相同性能的立式轴流泵相比,效率约提高5%,流量提高10%以上,综合性能优势明显.     

灯泡贯流泵装置内部流动数值模拟

基于三维雷诺平均Navier-Stokes方程、RNGk-ε紊流模型和SIMPLE算法,对一灯泡贯流泵装置模型的内部三维流场进行了全流道数值模拟.对同一转速下流量为20~35 L/s范围内的7个工况点的扬程、轴功率和效率等性能参数进行了预测,分析了泵装置内部速度场的分布.计算结果表明：在最优工况点,泵装置内部水流流态较好,压力分布也比较均匀;而在小流量和大流量工况下,包括灯泡体在内的出水流道内流态紊乱,出现偏流、脱流和旋涡等不良流态.为了验证计算的准确性和可靠性,对该装置模型进行了性能试验,并将数值模拟计算结果与模型试验的数据进行了对比,两者在高效区附近吻合较好,但在小流量和大流量工况下存在偏差.     

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.     

灯泡贯流泵装置内部流动及水力特性

为了深入研究灯泡贯流泵装置内部流动与水力特性之间的联系,采用数值计算、性能试验与PIV流场测试方法,获得了灯泡贯流泵装置在大流量、小流量和最优工况下的流动和水力特性.采用RNG紊流模型和SIMPLEC算法,基于多旋转坐标系模型,计算了灯泡贯流泵内部定常流动.分析了泵装置内部流动,指出小流量工况下泵叶轮的进口有较大范围的旋涡区,出水灯泡体内流态较为紊乱;而在最优工况及大流量工况下,泵装置内未见明显回流区.研究表明,灯泡贯流泵进水流道水力损失符合传统管道内局部水力损失规律,而出水流道的水力损失表现为与泵装置运行工况相关的规律,最优工况点附近损失最小,小流量和大流量工况点水力损失均较大.计算结果与二维PIV流动测试结果均表明在小流量下进口近泵壳侧有明显的回流区,而在叶轮出口靠近轮毂处有大面积的脱流.因此,灯泡贯流泵装置优化水力设计应当重视小流量工况下叶轮和导叶处的流动特性.     

轴向间隙对纸浆泵性能的影响规律

为研究轴向间隙对纸浆泵水力性能的影响,应用计算流体动力学软件Fluent,采用标准k-ε湍流模型及SIMPLEC算法,分别以清水和悬浮液为介质,对半开式离心纸浆泵在3种轴向间隙下,0.7Q0～1.3Q0流量范围内进行三维湍流数值计算,得到浆泵的性能曲线.计算结果表明：介质为清水时,随着间隙的增大,泵扬程和效率下降;对于不同体积分数的介质,离心泵叶轮、间隙内速度分布与介质为清水时的分布基本一致;当浆料体积分数为2%时,流道内存在大量的低速区,流动混乱,提出了适当增大叶片出口安放角的改进方法;随着间隙的增大,间隙的刚性作用消失,泵整体性能下降.由于轴向间隙的作用,叶片吸力面与压力面间的压力、速度变化较大,对于一定体积分数的浆料,小的间隙值能增加泵的输送能力.通过试验和数值计算进行对比分析,结果表明间隙为1.0 mm时泵整体性能较好,试验结果与模拟结果相一致.     

不同湍流模型对射流泵内部流场模拟的影响

为研究不同湍流模型和壁面边界处理方法对射流泵性能和内部流场模拟的影响,尝试寻找一种能够准确预测射流泵性能和内部流场的湍流模型与相应壁面处理方法的组合．将6种湍流模型(即3种k-ε模型,标准和SST k-ω模型以及RSM模型)和2种壁面处理方法(标准壁面函数和增强壁面处理方法)进行搭配．3种k-ε模型和RSM模型分别采用2种壁面处理方法,2种k-ω模型作为低雷诺数模型使用,不采用壁面处理方法,由此共得到10种组合．以某射流泵为例,将其壁面静压分布和性能试验数据作为参考来验证这10种组合的效果．结果表明:当流量比较小时,10种组合均与试验结果吻合较好;当流量比较大时,10种组合的模拟误差均大于10％.通过修正湍流模型常数,部分组合的模拟结果与试验数据之间的误差可以降低到5％以内.模型常数C2ε比σε对计算结果影响更大.湍动能的最大值随着C2ε或σε值的减小而减小,而湍动能的分布区域却相应的增大．     

核主泵模型泵导叶进口边相对位置对泵性能的影响

采用雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型,应用三维非结构四面体网格建模,选用旋转流体机械模型中的多重参考坐标系模型（MRF）,对设计工况下两种不同导叶形式核主泵模型泵的三维湍流流场进行了数值模拟,模拟结果较好地揭示了内部流场的特征.对内部流场的静压分布特征进行了研究,发现静压从叶轮进口到球壳呈持续增加的趋势,且导叶流道的静压分布具有非对称性的特征,比较分析了两种模型泵的流线图,得到了球壳与出口管相交位置处的回流特征.研究结果可用来了解核主泵模型泵的内部流场特征,并为其水力优化设计提供有益参考.     

可调式射流泵性能的数值模拟

应用RNGκ-ε湍流模型及SIMPLE算法,对采用喷针调节喷嘴过流面积的可调射流泵在不同开度下的性能进行了数值模拟,并与试验数据进行对比分析．结果表明：喷针对可调射流泵性能有一定的影响,随着开度的减小,行程的增大,对可调射流泵效率的影响也越大．在大开度情况下数值计算的可调射流泵性能曲线与试验数据吻合较好;在小开度及小流量比工况下二者趋势一致,但存在一定偏差．通过对试验数据与数值计算值的对比分析,提出了基于数值模拟结果的可调射流泵的实际性能预测公式,该公式可以用数值模拟的结果来预测可调射流泵的实际性能,为可调射流泵的设计提供指导．     

基于CFD的对旋轴流式喷水推进泵转速控制方法

为了研究不同转速比下对旋轴流式喷水推进泵的外特性,应用计算流体动力学的方法对不同工况下的喷水推进泵进行数值模拟,分析了推进泵外特性与转速比的关系以及不同转速比下对旋泵的内部流动结构与能量耗散的特征.计算结果表明：不同转速比下喷水推进泵的外特性变化较大;通过比较,得到了不同流量下效率最高点的最优转速比;当流量小于1.0Qd时,控制首级叶轮的转速可以获得最优转速比;流量大于1.0Qd时,控制次级叶轮的转速获得最优转速比;通过对0.9Qd时速度三角形和内部流场的分析,发现降低转速可以减小首级叶轮进口冲角,改善内部流场,减小水力损失.通过以上分析验证了转速控制方法的有效性.     

导叶径向位置对井用潜水泵性能的影响

为研究导叶径向位置对潜水泵性能的影响,针对250QJ125型井用潜水泵,在其他参数一定的条件下,通过改变空间导叶入口径向位置,设计了9组潜水泵导叶方案.基于雷诺时均N-S方程、RNG k-ε模型,采用SIMPLE算法,对井用潜水泵空间导叶在不同径向位置模型的内部流动进行了全流道三维数值计算.对计算结果进行分析,获得了不同导叶方案时潜水泵的性能参数,对比了不同方案导叶损失及其过水断面面积变化规律,以及导叶内部的湍动能与静压分布.结果表明:导叶径向位置对潜水泵性能影响十分显著;当径向距离增大直到导叶位于适当位置时,导叶内部损失较小,具有较强的能量转换能力,导叶内部的湍动能波动程度减弱,大大降低了流动损失,泵效率提高;但当径向距离过大时,导叶过水断面面积变化规律出现明显差异,湍动能波动程度加剧,导叶流动损失增加,泵性能下降.