小河道扑动水翼装置推水流动特性研究

在扬程几乎为零的平原小河道中,传统水泵存在运行效率低、稳定性差、架设成本高等问题。为提升平原小河道的水动力条件,提出了利用扑动水翼推动小河道水体流动的方法。并由此建立了扑动水翼的计算模型,针对不同扑动频率以及不同来流速度对扑动水翼推水性能的影响进行了数值模拟研究。设计了扑动水翼推水性能试验平台,在循环流道内进行了试验验证。结果表明：扑动水翼装置的流量与其扑动频率成正比,扬程与扑动频率的平方成正比。在固定频率下,扑动水翼的尾涡随着流速的增加从混沌状态逐渐形成双列反卡门涡街,装置泵水效率逐渐增加,直至最佳效率点;流速继续增加,反卡门涡街转变为单列,效率迅速下降。此外,扑动水翼装置具有扬程低、流量大等优点,在平原河流推水上具有优势。     

大型泵站改造中的水泵选型预测

根据相似理论，分析和表达了模型泵及泵装置扬程特性曲线和效率特性曲线，提出了预测原型泵及泵装置扬程特性和效率特性的数学模型，作为泵站技术改造水泵选型预测的理论依据；应用该数学模型对安徽上桥泵站技术改造中适宜的泵水力模型进行了比较、分析，预测了原型泵装置性能；以效率最优为准则，优选了适合于上桥泵站特征水位组合、流量的水力模型．优选结果为采用350ZMB-3．8模型；更换新泵后，在功率未增大的情况下，单泵流量加大5—8m^3／s．     

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.     

高效平面S形轴伸泵装置优化设计与模型试验

平面S形轴伸泵装置是低扬程泵站的重要装置,现有的平面S形轴伸泵装置效率较低,难以推广应用。对传统的S形弯管和流道进行优化设计,提出平面S形轴伸泵装置方案,通过CFD数值模拟计算,获得了全流道内部流场,显示了优良的流动特性,进水流道出口轴向流速均匀度达到99.2%以上。泵装置在高精度水力机械试验台进行试验,其性能在水泵叶片角2°下流量Q=244.21 L/s,扬程H=2.003 m,最高装置效率为78.35%。在叶片角-2°下,流量Q=232 L/s,扬程H=1.05 m,效率为68%,满足设计运行工况运行要求;叶片角-2°下最高效率点出现在Q=213.79 L/s、扬程H=1.74 m,效率为77.1%。泵装置最高运行扬程大于3 m,满足泵站最高扬程运行要求。模型泵装置试验的结果,验证了数值计算结果,二者在高效区一致。在叶片角度-4°、-2°、0°和2°,扬程1.7~2.0 m时,模型试验最高泵装置效率为77.1%~78.35%,达到实际工程应用的较高要求。高效平面S形轴伸泵装置在黄金坝闸站实际工程应用表明,泵机组运行平稳,性能良好。     

特低扬程竖井贯流泵装置水力特性试验研究

结合江苏省常州市大运河东枢纽泵站工程,对设计净扬程(1.0m)的特低扬程前置竖井式贯流泵装置特性进行了试验研究。试验测试了模型泵在不同叶片角度下运行的能量特性、汽蚀性能和飞逸转速特性,在此基础上换算得出原型泵的水力特性,绘制了模型以及原型泵装置的综合特性曲线和单位飞逸转速曲线。试验结果表明,泵装置最优工况点的模型装置效率为78.83%,对应的扬程和流量分别为1.70m和22.66m3/s;在设计扬程1.0m、流量25.35m3/s时的模型装置效率为67.5%。对于特低扬程泵站,竖井贯流式水泵具备能量特性好,装置效率高,且运行和维护方便等优点,特别适用于平原水网地区的防洪排涝工程。     

黄金坝泵站平面S形贯流泵装置物理模型试验分析

平面S形贯流泵装置是特低扬程泵站的重要装置形式之一,以黄金坝泵站为研究对象,通过对该贯流泵装置S形弯管和流道的优化设计,达到了提高泵装置能量性能的目的。经物理模型试验结果表明,在叶片安放角为2°时,平面S形轴伸贯流泵装置的最高效率达78.35%,此时泵装置的流量为244.21 L/s,装置扬程为2.003 m。在扬程1.5～2.0m范围内,泵装置的效率均在73%以上,泵装置高效区运行的流量范围较大。该优化方法为后续S形贯流泵装置的优化设计提供了有效的参考。     

大型泵站能量特性现场测试研究

为了直接获得大型泵站运行参数,对大型泵站能量性能进行了现场测试和分析.采用五孔探针和声学多普勒流速剖面仪（ADCP）测定水泵流量,根据泵站设置的仪表读取相关数据,计算得到泵装置扬程、电动机输入功率和泵装置效率;分析流量与效率测定的精度,检验原型与模型水泵效率和泵装置效率换算方法.试验泵站五孔探针测流断面选在水泵基坑以上、叶轮前的断面.结果表明：五孔探针法测定泵装置过流断面流速分布重复性好,能够反映断面实际轴向流速分布规律,流量和效率测试精度可以控制在2.0%以内,能够满足大型泵站现场测试的要求.泵装置扬程为1.73 m时,水泵流量与泵装置效率分别为11.837 8 m3/s,55.998%,达到了设计要求.由于尺寸效应,原型水泵和泵装置效率明显高于模型效率.采用相关公式,可以根据模型效率较为准确地预测原型水泵效率和泵装置效率.     

特大流量潜水贯流泵叶轮水力设计优化研究

针对Q=100 m³/s的特大流量潜水贯流泵装置,对叶轮叶片及导叶进行水力设计,基于正交试验方法进行优化,对最优泵装置方案进行CFD计算,探究机组外特性,并对导叶出口边齐平与不齐平的两种导叶安放型式机组水力性能参数进行了对比分析。研究结果表明：叶轮轮毂比为0.4,叶片数为4,导叶数为6时,泵装置的效率最高,泵装置的最高效率为80.52%;1.0Q_d工况下泵装置扬程为2.73 m,效率为74.68%;0.87Q_d工况下泵装置扬程为4.50 m,效率为80.14%;1.12Q_d工况下泵装置扬程为0.45 m,效率为23.77%;从扬程、效率、导叶段水力损失等参数,得出不齐平的导叶出水边安放型式机组水力性能更优。针对叶轮和导叶的造型方法及正交试验与CFD计算组合的优化方法均提高了水力优化工作效率,适于推广应用,研究成果对低扬程特大流量水泵开展的计算分析工作也为潜水贯流泵大型化发展提供了一定的水力性能参考。     

新型竖井贯流泵装置研发与数值分析

在分析不同贯流泵装置的结构特征和常用断流方式技术特点的基础上,针对城市防洪泵站扬程低、年运行时间较短、安全可靠性要求高的特点,设计了一种竖井进水、虹吸出水和真空破坏阀断流的新型竖井贯流泵装置.以盐城市某泵站工程为例,运用计算流体动力学方法,利用RNG k-ε湍流模型闭合雷诺时均N-S动量方程组,以适应具有较大曲率的虹吸式出水流道内部流动,采用多重参考坐标系方法（MRF）处理叶片动静耦合,采用SIMPLEC算法实现压力与速度的耦合求解,对该新型竖井贯流泵装置的模型进行了数值分析和性能预测.计算结果表明：经初步优化设计的新型贯流泵装置模型,内部流态平顺,在设计扬程为1.15 m、流量为0.326 m3/s的工况下,装置效率达56.0%;在最高扬程为1.95 m、流量为0.296 m3/s的工况下,装置效率达到68.8%.     

B-Spline曲线聚风装置直线翼垂直轴风力机启动性能数值模拟

为了提升直线翼垂直轴风力机的启动性能,基于B-Spline曲线生成方法,提出一种具有流线型轮廓的聚风装置,将其分别安装在风轮顶端和底端,用以提升风轮附近的来流风速,使风轮汲取更多风能,达到更易启动的特点.选取聚风装置的5个结构参数进行设计：聚风装置与风轮间隙距离ΔL、底圆半径R₁、顶圆半径R₂、入口角度α₁和出口角度α₂.设计方法采用二次旋转正交组合筛选最优模型,通过三维数值模拟研究聚风装置参数对直线翼垂直轴风力机启动性能的影响,获得了最佳外形参数组合.此外,对有无加装聚风装置的直线翼垂直轴风力机进行了静态三维数值模拟.结果表明,通过添加具有外凸流线型轮廓的聚风装置,直线翼垂直轴风力机的启动性能有显著提升.在风速较低的情况下,性能改善更加明显.聚风装置可使直线翼垂直轴风力机的平均启动力矩系数最大增加38.8%,峰值平均启动力矩系数最大可增加31.2%.     

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.     

基于改进粒子群算法的喷水推进泵叶片优化设计

为了改进喷水推进泵的敞水性能,利用改进粒子群优化算法优化其转子叶片.结合改进粒子群优化算法与数值仿真技术,以升阻比和压力分布为优化目标,对翼型NACA-6510进行优化.结果表明:经优化,翼型升阻比提高14.7%,压力分布中最低压力提高20%,有效地抑制了空化的发生.将优化翼型应用于喷水推进泵的水力模型设计,不改变翼型的位置,对其性能进行分析,发现其推力提高2.55%,效率提升6.38%;结合对扭矩系数和轴功率的分析,优化后喷水推进泵性能明显改善.经优化,喷水推进泵流场中叶片压力脉动明显改善,叶片最低压力值提高,延迟了空化的发生;分析叶片载荷分布,以及推力和扭矩的频域分布,发现叶片的优化未改变其基频,幅值变化与喷水推进泵的外特性参数相对应.上述优化设计有效改善了喷水推进泵的性能.     

特低扬程大流量贯流泵站水泵选型

针对特低扬程大流量水泵的选型问题,以某设计净扬程仅0.32 m的贯流泵站为例,进行水泵性能预测.利用现有水力模型的泵段特性曲线及装置特性曲线进行相似换算,并对计算结果进行比较.通过进一步的数学推演,提出了采用水泵泵段特性参数推算泵装置效率指标的方法,并结合数值模拟及装置模型试验进行验证.结果表明,对于运行净扬程1 m以下竖井贯流泵装置,可利用现有南水北调的低扬程水力模型降低nD值进行选型计算.由于水泵流道水头损失占比较高,其最优工况效率与具有3 m左右扬程水泵相比低了约6%,故采用扬程差距较大的模型装置特性参数换算的偏差较大,采用模型泵泵段特性参数换算更准确.采用泵段效率和泵装置效率换算公式,对泵段曲线工况点及对应流道损失进行换算,可较为准确地预测装置效率曲线高效区扬程范围,可为特低扬程泵站设计提供参考.     

基于全流场的泵装置出水流道内流特性分析

为了研究立式轴流泵装置出水流道的流动特性,以一立式轴流泵装置为研究对象,基于全流场非定常计算,结合湍动能和流线分布以及压力分布,分析出水流道内非定常流动特性;基于Q准则,在小流量工况下对流道内涡旋结构进行可视化分析;基于特征值法和涡量法,对不同工况下1个非定常旋转周期内的出水流道里的涡核进行提取.结果表明:小流量工况下,出水流道的入口处产生的涡旋结构数量最多,流道内提取到的涡核数量也最多;出水流道内的涡核强度从流道入口处往后逐渐减弱;2种方法均在额定工况下提取到的涡核数量最少,并且额定工况下流道中后部均未出现涡核.掌握出水流道内流特性及涡核分布,有助于今后优化设计出低水力损失的出水流道.     

城市取水泵站进水池进水流态的改善

在介绍城市取水泵站进水建筑物布置特点的基础上,结合上海市长江引水三期工程取水泵站水力模型试验,针对单台泵运行和多台泵组合运行等多种运行条件,对进水池表面流态和典型过流断面流速分布进行了量测;并据此分析了进水池产生主流居中,底坎附近和底坎前区域产生回流区,进水流道前产生由池壁流向中间机组的斜向流,以及在边机组进水流道进口处产生间歇性漩涡等不良流态的原因。提出了取消底坎,在进水池扩散段设置八字形导流墩和边机组进水流道前设置消涡板等改善不良进水流态的措施。试验结果表明:改善措施可以有效地改善进水池进水流态,提高水泵运行工作效率。     

超小型叶栅空化流场试验研究

采用弦长为14 mm的超小型Clark-Y叶栅,进行了多种空化数下的空化试验以探讨超小尺度下的空化机理和空化尺度效应。通过试验结果的分析,发现随着空化数降低,超小型叶栅的空化发展可分为空化初生、片状空化、云状空化、超空化几个阶段。通过与超小型翼型空化流场比较,发现由于受翼型间相互作用的影响,栅中翼型的空穴形态在各个空化阶段均表现为薄且狭长,空化发展相对滞后。     

15°斜轴泵装置特性试验

结合广东省惠州市文头岭大型排涝泵站,对经过CFD数值模拟优化后的斜式进水与斜式出水流道匹配组成的15°斜轴模型泵装置进行了能量试验、汽蚀试验和飞逸特性试验研究．通过特性试验研究得出了模型及原型装置的能量特性曲线、3个不同叶片角度下特征扬程的临界汽蚀余量及0°叶片角下最大装置扬程的飞逸转速．试验结果表明,该泵装置最高效率随叶片角度减小而增大,叶片角-4°时的最高效率可达80％左右,泵站进、出水流道型线设计合理,汽蚀性能优良,飞逸转速安全,15°斜轴泵装置性能优越．提出的斜轴泵装置对同类低扬程泵站水力优化设计具有重要的参考价值．     

低扬程双向流道泵装置研究

针对沿江滨湖地区双向抽水的广泛需要，在分析水力计算的基础上，提出一种新的立式轴流泵出水结构，并辅以适当措施，使立式双向轴流泵装置性能大幅度提高，模型试验高装置效率达到71％以上；所提出的消涡防栅从根本上解决了进水流道内的涡带问题。这两项技术已在工程中成功地推广应用。     

不同导叶参数对箱涵式轴流泵装置水力性能的影响

为了研究不同导叶参数对箱涵式轴流泵装置水力性能的影响,采用正交设计的方法,选取导叶叶片数、相对位置及扫掠角作为设计因素,每个因素选取3个水平进行组合,应用数值模拟方法研究3个因素对泵装置效率、出水流道轴向均匀度、导叶体水力损失及出口处平均涡角的影响规律,最终综合确定最优的设计方案.研究结果表明:如果只改变导叶的参数,导叶叶片数对导叶出口处的平均涡角和出水流道轴向均匀度影响较大;导叶相对位置在对泵装置的效率和导叶体水力损失影响中占主导地位;随着导叶扫掠角增大,泵装置效率、出水流道轴向均匀度、导叶体水力损失先增大后减小,平均涡角影响较小;对比数值计算和模型试验的结果,在设计工况附近效率基本吻合,扬程在误差允许范围内.研究结果可为箱涵式轴流泵装置优化设计提供一定的理论依据.     

多机组泵站正向进水阵列式隔板整流模拟及试验验证

针对多机组正向进水泵站前池内存在不良流态的问题,采用CFD与模型试验相结合的方法,对不同开机工况下的泵站前池流场进行了研究,提出一种利用阵列式隔板整流的措施,并评判了阵列式隔板整流的效果.计算结果表明：在4种不同开机工况下,前池内均存在大范围的回流与旋涡区,前池出口断面流速均匀度为38.42%～57.39%,水泵进水条件较差.为改善正向进水泵站前池的不良流态,提出一种利用阵列式隔板整流的措施.采用阵列式隔板整流后,前池内回流与旋涡区得到减小、转移,回流与旋涡区对主流的挤压明显减弱,前池出口断面流速均匀度提高到47.23%～63.17%,水泵进水条件得到显著改善.试验测量结果与数值计算结果基本吻合,数值模拟得到了试验的验证.研究成果可为多机组正向进水泵站的建设运行提供参考.