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。     

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。     

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。     

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。     

不同空化工况下轴流泵装置压力脉动试验

为研究不同空化工况下轴流泵装置内部压力脉动特性,采用动态压力传感器对派河口泵站轴流泵装置模型的叶轮进口、叶轮出口、导叶出口3个压力监测点,分别在2.5、3.5、4.5、5.4m扬程和未发生空化、临界空化（泵装置效率下降1%）、深度空化（泵装置效率下降3%）等12种工况下进行了压力脉动试验。试验结果表明：叶轮进口处的压力脉动曲线为平滑的近似正弦曲线;叶轮出口处压力脉动曲线幅值最大,且只在高扬程、未发生空化工况下的一个旋转周期内表现出明显有规律的二次谐波特性;导叶出口的压力脉动时域特性与叶轮进口相似。快速傅里叶变换(FFT)结果表明：各监测点在各工况下的主频为叶片通过频率的整数倍频,同一扬程工况下,随着空化程度的加深,各监测点主频附近的谐频逐渐向低频段移动;导叶出口与叶轮进口受叶频影响较小,且表现出相似的频率特性。     

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。     

不同转速下轴流泵压力脉动试验

针对某一轴流泵模型,分别在转速1 450、1 200、1 000 r/min下,通过试验手段对其关键测点进行了压力脉动测量。通过幅值分析得到,随着流量的增大,RMS值曲线在叶轮进口处呈先降低后升高的趋势,在叶轮出口和导叶出口处呈逐渐降低趋势,转速越高RMS值变化速率越快。从频域来看,叶轮进口在3个转速下主频都为叶频,并在1 450 r/min、1 200 r/min转速下还存在Fn、2Fn、3Fn等比较明显的频率成分;叶轮出口压力脉动的频率范围主要分布在0~8Fn之间,在1 450 r/min、1 200 r/min转速下,其主频出现在(3~4)Fn之间,在1 000 r/min转速下,其主频往大频率方向有所偏移,主要集中在(4~6)Fn之间;导叶出口压力脉动的频率范围主要分布在0~12Fn之间,在1 450 r/min、1 200 r/min两个转速下,其主频出现在(4~6)Fn之间,在1 000 r/min转速下,其主频主要出现在(6~8)Fn之间。     

轴流泵内部流场压力脉动性能预测与试验

基于雷诺时均控制方程和标准k-ε湍流模型,应用SIMPLEC算法,对轴流泵全流场进行三维非定常数值模拟,得到轴流泵在不同工况和不同导叶数内部流场的压力脉动特性.数值分析与试验结果表明:轴流泵内最大压力脉动发生在叶轮进口处;在偏离设计工况点较大的流量时,压力脉动幅值明显增大;导叶数减少会增大导叶出口处的压力脉动;脉动频率受叶轮转动频率控制,导叶数对压力脉动频率基本无影响.     

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.     

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.     

司马泵站出水流道改造的试验研究

根据司马三期泵站因出水池运行水位过位,使出水流道不能形成有效虹吸,造成装置效率低下,机组振动及噪音严重等具体问题,提出延长出水流道,降低出口高程的方法,有效地解决了上述难题。     

轴流泵装置运行工况对肘形进水流道水力性能的影响

为研究肘形进水流道的水力性能与泵装置运行工况的定量关系,采用CFD(Computational fluid dynamic)方法对轴流泵装置进行全流道的数值计算,在考虑了轴流泵与肘形进水流道内流相干条件下定量地分析了肘形进水流道水力特性各参数与泵装置运行工况的关系,并给出了相应的数学模型,对比了物理模型试验与数值预测结果的差异性。结果表明:在高效工况范围内,流道出口流场水流稳定性及均匀性均较好;在大流量工况时,流道出口流场水流稳定性及均匀性较差。流道出口流场的偏流角受泵装置运行工况的影响较小,极差为0.91°。肘形进水流道均化效率为99.215%,流道断面的均匀性主要受弯肘段几何边界条件的约束,在弯肘段时压能与动能的转换率较高,对于肘形进水流道结构尺寸设计及优化的关键在于弯肘段。     

小流量工况下旋涡自吸泵流动降噪优化研究

为了研究旋涡自吸泵内部声场特性,减少旋涡自吸泵在小流量工况下运行时的噪声,采用CFD+Lighthill声类比理论对旋涡泵内部声场进行求解,并进行降噪优化。首先利用CFX软件提供的RNG k-ε模型,选取0.4Qd、0.8Qd及Qd3个流量点对旋涡泵进行非定常数值模拟,获得不同工况下旋涡自吸泵内部压力脉动情况。提取非定常计算所得的脉动力,导入声学软件ACTRAN中进行声场计算,得到不同工况下旋涡泵出口声压级的大小、泵体内部的声压分布以及泵内部主要噪声源分布。采用正弦调制叶片分布方式设计了调制角A为2°、4°、6°、8°的4种不同不等节距叶轮,通过对模型泵进行声场计算,最后选取降噪效果较好的调制角A=4°的不等节距叶轮进行3D打印,并对3D打印样品进行外特性和噪声试验验证。结果表明:旋涡泵内部流动诱导噪声与压力脉动密切相关,主要是由叶轮与泵体的动静干涉引起,其频率特性与压力脉动相似,2倍叶频时声压最大。流量越小,旋涡泵出口声压级越大,其噪声源主要分布在泵体流道及靠近流道出口隔舌处。调制角A=4°的不等节距叶片在小流量工况下对旋涡泵外特性性能影响不大,且能使小流量工况0.4Qd的噪声下降2 d B,设计工况噪声下降4 d B。     

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。     

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．     

低扬程立式泵装置流道优化及模型试验研究

为了在低扬程条件下实现较好的水力性能,分别对南水北调东线一期工程的长沟站和邓楼站的进、出水流道进行了优化水力设计和泵装置模型试验研究。结果表明,经过优化水力设计的长沟站和邓楼站立式泵装置在4m以下的低扬程条件下得到了优异的水力性能,设计扬程和平均扬程工况点的泵装置效率均达到78%、临界空化余量均小于6m。     

轴伸式出水流道内流场数值模拟分析

为了探讨在导叶出口剩余环量影响下轴伸式出水流道的水力性能,对不同水力模型及不同叶片安放角下的后置轴伸式泵装置采用全结构化网格进行了数值模拟计算,并与实验结果对比验证模拟结果的可信度。对轴伸式出水流道的水力性能进行了分析,发现轴伸出水流道内部流态受导叶出口剩余环量的影响较大,尤其是对小流量工况。水力损失系数不再是某一常数,而是受流态分布相关的一变量。通过对比不同叶片安放角及不同比转数叶轮的出水流道进口断面平均涡角与水力损失系数关系发现,轴伸式出水流道的水力损失系数与进口断面的平均涡角存在一最优值,本次模拟计算下2副叶轮的最优平均涡角4°~5.3°下的水力损失系数为1.62×10~(-4)m·s~2/L~2。通过分析静压与总压沿流线方向的变化趋势明确了小流量工况下环量是引起水力损失的原因,而在大流量工况下流量是引起水力损失的主要原因。