基于熵产理论的多级液力透平能量耗散机理分析

液力透平作为一种液体余压能回收装置,在小水电建设和能量回收领域得到广泛应用,但其内部能量损失特性不清。以两级径流式液力透平为研究对象,基于熵产理论和Omega涡识别准则分析了各过流部件内能量耗散机理。结果表明：速度脉动和壁面效应是能量损失的主要来源,设计工况下二者总占比为98.03%。叶轮和导叶是透平内能量耗散的主要区域;小流量工况,叶轮损失占比较高;大流量工况下,导叶损失占比较高。叶轮内的能量损失源于叶片前缘分离涡、吸力面回流涡以及叶片尾缘涡等不稳定流动现象,而相对液流角与叶片进口安放角的不匹配是导致叶轮内产生不稳定流动的根本原因;在导叶和导叶Ⅱ-反导叶中,不同流量下导致其能量耗散的因素基本保持一致,叶片前缘失速涡和流动分离等劣态流动引起的动量交换是导致能量损失的主要原因。环形吸水室内流动的非对称性导致导叶Ⅰ各流道内熵产率分布不均匀,而导叶Ⅱ-反导叶通过正导叶的整流减小了冲击效应,各流道内熵产率分布均匀且高熵区较小。     

不同流量工况下斜流泵内部流场PIV试验

为了探索斜流泵的内部流动特性并优化斜流泵设计,基于粒子图像测速技术(PIV)对斜流泵内部流场进行测量,分析了不同相位叶轮截面处的流线和速度分布以及小流量工况下的涡量分布。研究结果表明,在小流量工况下,由于受到叶片压力面旋涡流动和吸力面脱流的影响,叶轮内部的流动呈现径向运动趋势,且流动紊乱;随着流量增大,叶轮流场流线逐渐向轴向方向移动并沿着轮毂轮廓线流动,在大流量工况下叶片压力面附近靠近端壁处形成明显的旋涡结构。0.6倍流量工况下,当叶轮进口进入拍摄断面时,在叶轮内部形成一个顺时针旋转的负涡;当叶轮出口进入拍摄断面时,在导叶进口外缘出现正向涡量集中区域,且随着叶轮的转动该区域向导叶进口方向移动;当叶片出口远离拍摄断面时,在导叶进口处出现负涡量区,揭示了斜流泵叶轮和导叶动静相干过程中能量损失的内在原因。     

离心泵作透平多工况内流与能量转换特性

为揭示不同流量下离心泵作透平的能量转换特性,基于1台比转数为90的单级悬臂式离心泵,在透平工况下对其进行数值模拟,并结合试验验证了数值模拟的准确性.结果表明:叶轮是透平内水力损失的主要部件,叶轮内水力损失占比随流量的增大呈现出先减小后增大的变化趋势.设计工况(Q=80m³/h)下,蜗壳、叶轮、腔体的水力损失占比分别为33.0%,35.1%,22.3%.通过对内流场中的流线分布和叶片进口速度三角形进行分析,揭示了不同工况下透平内流特性与水力损失之间的关系.设计工况下叶轮内流动均匀,无明显旋涡存在,在小流量工况下叶轮进口端面存在回流现象,旋涡出现在大流量工况叶片的吸力面.最后,采用拟涡能系数从能量的角度分析了不同工况内部流动的损失情况,进一步揭示了透平的能量转换机理.研究结果可为离心泵作透平的高效设计及实际现场运行调控提供参考.     

轴流泵非稳定工况下叶轮进口流场试验研究

在小流量工况下,由于轴流泵不稳定工况区（马鞍区）的存在,使其稳定运行的范围大大缩小.详细测量了轴流泵能量性能参数,获得了＂双马鞍＂形的扬程-流量曲线,采用PIV技术对0.73Qd,0.55Qd0,.43Qd及0.33Qd流量工况下的叶轮进口轴面流场进行了二维流速测量.结果表明：小流量工况下,在叶轮进口靠近壁面处存在明显回流,回流区域随流量的减小而增大,同时叶轮进口轴面内湍流强度也随着流量减小而增大;相同工况下,轴向流速的湍流强度低于径向流速的湍流强度,靠近叶轮外壳处的湍流强度大于靠近轮毂处的湍流强度;通过流道壁面上的丝线示踪,显示了随着流量的减小,叶轮进口外壁处的流体由轴向流动向周向流动的演化过程.研究结果表明小流量工况下,轴流泵叶轮进口流场不稳定导致水泵效率偏低,为进一步提高水泵性能提供了参考.     

旋流泵内部盐析颗粒流场PIV试验

为探索旋流泵内盐析颗粒的流动规律,利用PIV粒子图像速度场仪对泵内颗粒流场进行了测量,获得了颗粒准三维速度场分布,初步掌握了泵内不同工况下颗粒的流动特征.结果表明,叶轮各轴截面上速度分布差异显著,无叶腔中速度分布呈现强迫涡旋和自由涡旋的特征;流量增加,颗粒流在叶轮进口处相对速度增大,出口处相对液流角也增大,无叶腔小半径处颗粒径向速度分量随之增大;颗粒流存在纵向涡旋,涡旋中心位于叶轮流道中部,且随流量变化并不明显.     

离心泵小流量工况下的内部流动特性

为研究离心泵在小流量工况运行下性能及其内部流动特性,以型号为IS160-50-65的离心泵为研究对象,采用商用化软件Ansys CFX 12.0对模型离心泵的叶轮进口、叶轮流道以及蜗壳流道组成的全流场进行定常数值计算.同时,为了提高数值计算的准确性,考虑采用3种不同的网格数对模型离心泵的扬程进行网格无关性分析.且从离心泵的外特性及其内部流场分析了不同小流量工况下离心泵性能的变化规律.研究结果表明:与试验结果相比,设计工况下,扬程预测偏差为1.47%,效率预测偏差为3.61%;且随着流量降低,计算扬程的偏差值呈一定的下降趋势,计算效率的偏差值逐渐增大.另外,在设计工况下,离心泵的内部流动比较均匀;而在小流量工况下,离心泵进口管道及叶轮流道均出现回流现象,而回流引起的旋涡流有时甚至会堵塞叶轮流道;在极小流量Q/Q_d=0.2时,回流区域已延伸至全部的进水管路中.     

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.     

斜流泵小流量工况压力脉动数值模拟与实验

基于标准的Smagorinsky亚格子尺度模型,对斜流泵全流场进行大涡模拟并结合压力脉动实验对小流量工况下的压力脉动和内部流场进行研究。实验结果表明,叶轮进口处的脉动幅值最高,随着流量的降低压力脉动幅值逐渐增加,不同工况下叶轮进口、叶轮出口、导叶进口的压力脉动主频为叶频,但导叶出口脉动主频随着流量的变化而变化。大涡模拟表明,0.8Qopt工况下叶轮进口流动状态较好,叶轮进口轴面速度变化较小,而在0.4Qopt工况下叶轮进口流动状态较复杂,轴面速度变化较大,0.4Qopt工况时叶轮进口冲角增加以及受到相邻叶片叶顶泄漏流的影响,在t*=0.041 6时叶片进口吸力面已发生流动分离,当叶轮从t*=0.041 6旋转到t*=0.124 9时,叶片吸力面流动分离加剧,轮缘处的轴面速度明显升高,同时分离涡的旋转强度也逐渐增强,导致该区域的静压下降,逆压梯度上升,促使回流的产生,当回流到达叶片进口时进口处的静压逐渐恢复,因此叶轮进口流动分离是引起叶轮进口压力脉动幅值增加的重要因素。     

基于CFD-DEM的旋流泵混合颗粒固液两相流研究

为了探究折叶片旋流泵固液两相输送机理，基于CFD-DEM (Computational fluid dynamics-discrete element method)耦合算法，选用油菜籽和黄豆颗粒等比例混合，在不同流量工况和体积分数下对旋流泵进行固液两相流数值模拟和试验研究。同时也研究了折叶片旋流泵内部流动规律及颗粒分布特征。小流量工况下，进口管内螺旋回流长度较长，对进口来流扰动较大。随着流量增大，进口管回流长度逐渐缩短。叶轮前端面旋涡随流量增大，数量先增加后减少，且逐渐向折点方向聚拢。泵内颗粒受循环流和贯通流的共同作用，进口管中心部颗粒主要受贯通流影响，直接穿过无叶腔，冲击叶轮进口；靠近管壁的颗粒受循环流影响较大。无叶腔内颗粒分布呈现出：中心部最高，中间部随外径增大浓度逐渐降低，外缘部浓度稍有上升。叶轮前半部颗粒数量明显少于叶轮后半部，颗粒沿叶片第1段折边运动，在折点处开始发生分离，不再跟随第2段折边。不同工况下，泵进口有不同程度的螺旋回流现象，导致进口过流面积减小。循环流的存在，使得无叶腔和进口管的颗粒充分旋起，泵送能力增强，不易发生堵塞。     

全贯流泵在停机过渡过程中的水力特性研究

通过ANSYS Fluent软件对全贯流泵装置的停机过渡过程进行研究，主要探讨了停机过程中外特性和内流场，研究发现：全贯流泵的制动工况占整个停机过程的比值最小，飞逸转速约为设计转速的84%,飞逸流量为设计流量的1.17倍。间隙回流在停机过程中的流向始终从叶轮出口流向叶轮进口，且其流量整体呈现逐渐减小的趋势。在停机过程中，轴向力整体呈现下降的趋势；转子径向力整体呈现先减小后增大的趋势；叶轮进、出口的压力脉动先减小后增大，在制动工况达到最大值后，在水轮机工况迅速减小，直至进入飞逸工况趋于稳定。叶轮进口的压力脉动幅值是泵装置内最大的，约为叶轮出口的2倍。由于受到间隙回流的影响，在叶轮进口靠近轮缘区域存在一个小型旋涡，该旋涡的范围在水泵工况先减小，在制动工况突然增大，最后在水轮机工况和飞逸工况再次减小。叶轮进口旋涡的位置受到主流流向的影响逐渐向进口导叶方向转移。全贯流泵装置内部的熵产主要集中在以叶轮为首的下游域。随着停机过程的发展，泵装置内的高熵产区域逐渐向进口导叶的方向转移，高熵产区域的范围先减小后增大。全贯流泵泵段内高熵产率区域的位置和范围与旋涡出现的位置和尺寸相对应，这表明旋涡与脱流等不...     

叶轮外径对混流泵作透平性能的影响

为了研究混流泵作透平工况下,叶轮外径对性能的影响,以混流泵为模型,通过试验验证了CFD方法的有效性.基于BladeGen设计了160,170,180 mm这3种叶轮外径的混流泵水力模型, 并通过数值分析研究了3种叶轮外径下,混流泵作透平工况下的外特性,水力损失分布及内部流场分布.结果表明:随着叶轮外径的不断增大,混流泵作透平的高效点逐渐向大流量区域移动,高效点的扬程、轴功率及效率都随之增加;大流量区域内,扬程迅速降低,轴功率下降变缓,效率有所上升;总水力损失与叶轮部分的水力损失显著减少;蜗壳部分的水力损失变化不明显;叶轮入口处的旋涡区域逐渐减小,蜗壳出口与叶轮入口之间存在的间隙流体逐渐减小,从而引起该部分水力损失逐渐减小;压力分布更加均匀.     

带凸形叶片侧流道泵内部旋涡特性研究

侧流道泵是一种超低比转数径向式叶片泵,流体在侧流道泵中以螺旋形轨迹运动,整个流动过程是一种复杂的三维湍流形式,存在着大量的轴向、径向旋涡。为了研究侧流道泵的内部旋涡特性,以带凸形叶片侧流道泵为研究对象,采用非定常数值模拟的方法,通过试验对比验证了数值模拟的可靠性,并基于数值模拟,利用Q准则对其内部涡旋结构进行可视化分析,分析了涡团分布和涡量波动等特征。结果表明:增加凸形叶片可以扩大侧流道泵的高效区,拓宽侧流道泵的应用范围;带凸形叶片侧流道泵内部涡团主要存在于叶轮流道内,且大部分位于叶轮进出口区域附近及叶轮根部处;随着流量的增加,除了叶轮进口区域,侧流道泵叶轮内涡团变小,且数量显著减少。     

基于DEM-CFD的旋流泵大颗粒内流特性模拟与试验

鉴于抗堵塞性能较优的旋流泵在输送污水时,其过流部件仍存在磨损、半堵塞等问题,将DEM-CFD方法引入旋流泵数值模拟中,研究旋流泵在输送不同粒径、体积分数颗粒时的颗粒运动物理特性,以及颗粒与液相、固壁多向耦合的运动特征,并进行了试验验证。结果表明,由旋流泵输送油菜籽试验可知,外特性计算结果与试验结果基本一致;在该旋流泵模型特征下,进口管与无叶腔区域由循环流引起的颗粒旋转流动现象较为严重,从无叶腔沿着进口壁面螺旋式逆向回流,与进口顺向来流相混达到平衡,试验拍摄结果与数值模拟结果较为相符,说明DEM-CFD耦合方法具有一定可靠性;旋流泵内部存在3种不同的颗粒运输方式,第1种为颗粒随贯通流经由叶轮进入蜗壳,第2种为受循环流影响经由无叶腔直接甩入蜗壳,第3种为颗粒从叶轮前端面区域进入叶轮,再经叶轮进入蜗壳;对蜗壳内流特性进行分析,发现颗粒主要分布在蜗壳后侧,在扩散段到蜗壳出口区域,颗粒随液体以螺旋的方式流出,蜗壳断面叶轮侧形成大小不等的螺旋涡。     

全工况下双流道泵内流三维PIV测量

为了揭示双流道泵从零流量点到大流量点内部流动的变化规律,采用粒子图像测速仪对1个比转数为1107的双流道泵在8个工况下的内部流动进行了测量．采用基于光纤制作的外触发同步系统和三维等效标定方法等关键技术来保证3D PIV的测试精度．根据速度三角形,采用Visual C++2005编写了PIV速度分解程序,将测量的叶轮内的绝对速度分解成圆周速度相对速度．研究结果表明:叶轮流道内的流动并未随着流量的减小出现大范围的旋涡,仅当流量小于04Qd以后在叶轮出口靠近吸力面侧出现1个旋涡,并且随着流量的减小该旋涡越来越明显;另外,随着流量的减小,蜗壳扩散段上的绝对速度值逐渐减小,且当流量小于 02Qd时扩散段开始出现旋涡;在叶轮出口靠近隔舌处的区域上绝对速度值随着流量的减小先增大后减小,在02Qd工况下速度值达到最大;关死工况下叶轮和蜗壳内都存在着明显的旋涡和回流,泵内流态最差．     

旋流式模型泵内部三维湍流场的测量

为获得旋流泵内部三维湍流场的真实情况,设计制造了模型泵并构造了试验装置.运用激光多普勒测速仪（LDA）,对旋流泵最优工况下的无叶腔及叶轮内部速度场进行了测量,得到周向速度、轴向速度、径向速度及其对应的均方根脉动速度分布等.测量结果表明：旋流泵内流场是强制涡旋和自由涡旋的叠加,同时存在循环流与贯通流,与前人提出的流动模型相吻合;无叶腔与叶轮内周向速度分布差异较大;在叶轮进口处,液流已有预旋,流动撞击损失较大;该型泵内湍流脉动呈各向同性.所得结果不仅可用来验证数值计算结果的准确性,而且为旋流泵内部两相流场的深入研究打下基础.     

自吸泵自吸过程气液两相流动特性

为了研究自吸泵自吸过程内部流动规律,以一台外混式自吸式离心泵为研究对象进行气液两相流动定常数值模拟,分析在不同进口含气率下叶轮和蜗壳气液两相分布以及平均静压分布规律,为自吸泵的优化设计提供依据.研究结果表明:气相最先聚集在靠近叶轮进口的叶片背面和隔舌区域,并随着进口含气率的增大,气相逐渐向叶轮和蜗壳流道内扩散,这不利于...     

蜗壳出口倾斜对混流泵作透平的性能影响

为了提高混流泵作透平工作效率,揭示蜗壳出口倾斜后对透平性能的影响,在不改变其他过流部件几何参数的情况下,利用试验研究与数值模拟相结合的方法,分别模拟蜗壳出口倾斜角度为0°和26°的透平模型,探讨蜗壳出口倾斜对混流泵作透平性能的影响规律.结果表明:蜗壳出口倾斜情况下透平叶轮流道流线分布更加均匀,二次流旋涡现象较径向出口蜗壳的混流泵作透平有明显的减弱;在设计流量(120 m³/h)工况下,混流泵作透平蜗壳出口倾斜后其效率、水头、轴功率分别提升了5.2%,10.41%,17.64%;蜗壳出口倾斜后叶轮和尾水管内部水力损失减小,蜗壳内部水力损失略有增加,总水力损失为减小;试验结果与数值模拟的外特性预测结果变化趋势一致,验证了数值模拟的准确性.该研究丰富了液力透平设计方法,可为混流泵作透平设计提供一定的参考.