轴流泵装置导叶出口水流速度环量对出水流道水力损失的影响

为了定量研究大型泵装置导叶出口水流的速度环量对出水流道水力性能的影响,提出了泵装置导叶出口断面水流的速度环量定量表示方法和平均角速度的测量方法,分别采用数值计算和模型试验的方法研究了导叶出口水流的剩余环量对虹吸式出水流道和直管式出水流道水力损失的影响。结果表明:导叶出口水流的环量对出水流道水力损失的影响较为明显,存在使出水流道水力损失最小的最优环量,虹吸式和直管式出水流道的最优环量分别为0.972和1.308 m2/s;虹吸式出水流道和直管式出水流道最优环量时的水力损失计算值较零环量时的水力损失计算值分别小0.126和0.180 m。研究结果不仅有助于改进低扬程泵装置出水流道的优化水力设计,同时对改进轴流泵导叶的优化水力设计也有重要意义。     

南水北调工程邳州站竖井贯流泵装置进出水流态分析

为揭示竖井贯流泵装置内、外特性之间的联系,完善其优化水力设计理论,该文采用三维流动数值计算的方法,对南水北调东线一期工程邳州站泵装置流道表面的流场和垂直于x、y、z3个方向剖面的流场进行了多视角的详尽剖析,并分别采用透明流道模型试验和透明泵装置模型试验的方法检验了流态数值模拟结果。由数值计算和模型试验结果可得:前置竖井贯流泵装置进水流道内的流态均匀平顺、层次分明;出水流道内的水流在螺旋状运动中平缓扩散,流道内无任何脱流或旋涡等不良流态;其水力性能优异的主要原因在于其具有优异的内特性。邳州站前置竖井贯流泵装置主要工况点的泵装置效率超过83%、临界空化余量小于5m,水力性能优异。该文可为低扬程泵站的水力设计提供有益参考。     

肘形进水流道对立式轴流泵水力性能影响的数值模拟

为定量研究肘形进水流道对轴流泵水力性能的影响,实现性能预测,该文采用雷诺时均N-S方程和标准 紊流模型,数值模拟了某肘形进水流道和轴流泵联合运行时的三维流场,获得了水泵的流量～扬程曲线、流量～功率曲线和流量～效率曲线,并与设计进水条件下的水泵性能进行了对比。在该肘形进水流道提供的进水条件下,在计算流量范围内,泵的扬程和效率分别平均下降约8.62%和5.74%,轴功率平均增加约3.56%,最优工况点效率降低了5.99％,流量减少了8.59％。通过5个肘形进水流道设计方案的计算对比发现,流道出口水流的偏流角与水泵性能的发挥密切相关,在相同流量下,水泵效率差值达4.34%。因此,为确保水泵高效、安全地运行,应重视进水流道水力设计优化和面向对象的水泵设计,改善水泵进水条件,减少进水流道对水泵水力性能的影响。     

箱涵式进水流道的立式轴流泵装置水动力特性分析

为了研究有涡时箱涵式进水流道的立式轴流泵装置水动力性能,该文采用CFD(computational fluid dynamic)和高速摄影技术对箱涵式进水流道的立式轴流泵装置进水流道内部附底涡流动特征及其对泵装置水动力性能的影响进行了分析。数值模拟和试验结果表明,基于CFD数值模拟技术,成功捕捉到各工况时箱涵式进水流道内部附底涡轨迹,与高速摄影捕捉到附底涡的运动轨迹较为一致,且均发生于喇叭管口下方,附底涡对泵装置的安全运行稳定性有直接影响。有、无消涡锥的箱涵式进水流道出口断面的轴向速度分布均匀度与速度加权平均角的差异性较小,但其水力损失值下降较大;叶轮所受轴向力相对比值m1在0～7.0%范围内波动,轴向力随流量系数的增大而减小,附底涡对叶轮所受径向力的影响较大,径向力相对比值m2在5.0%～110.0%范围内波动,涡带对叶轮受力有一定程度的影响,实际工程中应避免箱涵式进水流道内部涡带的出现。     

不同叶顶间隙对斜流泵性能影响的数值分析

斜流泵具有高效,启动特性好,运行工况宽等特点。目前斜流泵设计时,无法定量评估叶顶间隙对性能影响的敏感性。为了揭示不同叶顶间隙值对斜流泵内部流场和性能的影响,给定叶顶间隙选取的范围。分别选取无叶顶间隙和叶顶间隙分别为0.5,1.0,1.5 mm共4种设计方案的斜流泵为对象,基于剪切压力传输模型(shear stress transport,SST k-ω)湍流模型,SIMPLEC算法与块结构化网格,对斜流泵内部流场进行数值模拟和试验验证。结果表明,叶顶间隙为0.5 mm时,可以有效抑制斜流泵的扬程-流量正斜率特性,此时斜流泵的效率值最高;无叶顶间隙时,斜流泵扬程-流量正斜率特性较为明显;叶顶间隙为1 mm时,数值模拟与试验结果吻合较好,SST k-ω模型可较好模拟斜流泵叶顶间隙区流动特征,性能预估结果具有一定的可信度。在小流量工况下,叶顶间隙为0.5 mm可有效抑制斜流泵的正斜率不稳定特性。小叶顶间隙0.5mm时,斜流泵水力性能最优;叶顶间隙增大时,叶顶泄漏流动逐渐显著,叶轮出口近壁区轴面流速和涡量分布规律显著变化,表明叶顶间隙直接影响叶轮轴面速度分布规律和叶片负荷分布规律,由于受壁面摩擦阻力和液体黏滞阻力的影响,叶轮轮毂和叶顶间隙侧的叶轮轴面速度较小;叶顶间隙增大时,叶轮轮毂和叶顶间隙侧叶片负荷急剧衰减,影响叶片的做功能力。同时,叶顶泄漏流动区域与叶片主流区域的掺混效应,使叶片轮缘的低速区扩展到叶轮流道内部的主流区域,引起叶轮流道内部主流流动的堵塞效应,产生二次流动、漩涡等流动不稳定现象。上述研究结果,揭示了叶顶间隙对斜流泵内部流场和性能的影响机理,为斜流泵叶顶间隙的选择提供了理论依据。     

叶轮中心淹没深度对特低扬程下立式泵装置流道水力性能的影响

为提高特低扬程泵站立式轴流泵装置的水力性能,该研究对叶轮直径为3.0、2.5、2.0、1.5 m的立式轴流泵装置在不同叶轮中心淹没深度下的进、出水流道流场分别进行了三维湍流流动数值计算,并对流道流场和水头损失进行了分析比较;对某特低扬程泵站在叶轮中心淹没深度为3.08、2.38、1.68 m下的立式轴流泵装置水力性能分别进行了数值计算及比较,并进行了泵装置模型试验验证。研究结果表明：叶轮中心淹没深度对肘形进水流道的水流流态及水头损失的影响很小,但对虹吸式出水流道的流态和水头损失影响较大;随着叶轮中心淹没深度的增大,虹吸式出水流道内的流态逐渐改善,流道水头损失基本呈下降趋势,泵装置效率逐渐增大,特低扬程工况下泵装置模型试验最优工况点的效率达75.92%,泵装置能量性能数值模拟结果与模型试验结果基本一致。研究结果可为特低扬程泵站采用立式泵装置的设计提供一定参考依据。     

不同网孔与筒体模型对Y型网式过滤器性能的影响

Y型网式过滤器广泛运用于微灌系统,其良好的水力性能是保证微灌系统稳定运行的关键,为了分析其水力性能,该研究采用数值模拟和物理试验相结合的方法,分析了网式过滤器在3种滤网网孔（正方形、圆形、菱形）以及3种筒体弧线角度（0°、15°、30°）下,过滤器内压降系数、滤芯网面流量分布、内部流场、压力分布等水力特性的变化。结果表明：物理试验与数值模拟之间的水头损失系数平均差异为9%,表明了数值模拟的可靠性,其中圆形网孔过滤器水头损失系数最大,正方形次之,菱形最小;滤网网孔形状对过滤器网面过流量分布的影响较大,正方形网孔过滤器的中速过流量区域占比最高达到了47.5%,圆形次之,菱形最小仅为26.5%。过滤器的水头损失随着筒体弧线角度的增加而逐渐减小,35°的压降系数较0°的减小了73.15%,网面流量的分布也随着角度的增加变得更为均匀,其中35°的中速过流量区域面积较0°增大了71.48%,水力性能明显提高;此外随着筒体弧线角度的增加,出口侧中上段滤网处的内外压差明显减小。因此在实际微灌系统中,选择网孔为正方形、筒体弧线角度30°的过滤器,其内部流场缓和、网面流量分布均匀,提高了过滤器的水力性能和使用寿命。该研究成果可为网式过滤器结构优化提供设计方案与理论依据。     

轴流泵叶轮区域空化特性数值模拟

为了研究轴流泵内部叶轮区域空化特性,该文基于ANSYSCFX软件,分别应用Standardκ-ε,RNGκ-ε,κ-ω和SSTκ-ω湍流模型、均质多相流模型,对比转数ns=1033轴流泵在不同工况下进行全流道数值计算,将模拟值与试验结果进行对比分析,验证不同湍流模型及多相流模型的适应性并探究叶轮区域的空化特性。结果表明:在设计工况下,基于κ-ω湍流模型较其他3种湍流模型计算准确,临界汽蚀余量NPSHc计算值与试验结果误差为6.32%,可以较好反映轴流泵内部空化特性。随着有效汽蚀余量NPSH值的减小,空化首先在叶片背面进口靠近轮缘处发生,然后沿着主流方向往叶片中部发展直至充满整个流道,在临界汽蚀余量工况下,叶片中部区域空化面积较大,空化较严重时,叶片背面流线在叶片后部较紊乱,在靠近轮毂处形成漩涡微团,并向轮缘处移动,同时引起叶轮出口截面处轴面速度分布不均匀,增加了叶轮区域流场的紊乱性,揭示了叶轮区域内部空化流动特性。     

开机组合对泵站进水系统泥沙浓度分布的影响

针对泵站来流含沙条件下不同开机组合对进水系统泥沙浓度分布的影响问题,该研究开展了基于欧拉-欧拉算法的大型泵站进水系统固液两相流数值分析。首先,为了定量描述泥沙对流场均匀性的影响,对比分析了清水和浑水情况下进水流场的流速分布均匀度和回流系数,发现质量浓度10 kg/m3且粒径为25 μm的泥沙会使进水流场内的同轴漩涡变成沿水深方向更大尺度的螺旋状漩涡,进水池内的回流系数增长20.6%,流速分布均匀度下降8%。其次,通过对不同开机台数和机组组合方式下进水系统内泥沙浓度分布的对比分析,发现前池和进水池两侧边壁附近泥沙浓度最高,与引渠等宽的中心区域泥沙浓度最低,两侧边壁的泥沙浓度随开机台数的减少而增大,边机组不运行会破坏流场的对称性并在边机组与边壁区域形成死水区或漩涡区,增大泥沙浓度;基于开机组合的多工况分析,建立来流速度与流场内泥沙沉积效率的二次多项式模型。最后,开展了泥沙浓度与速度之间的相关性分析,发现泥沙浓度与横向速度平方呈幂函数关系,当泥沙粒径为25 μm且质量浓度为10 kg/m3时,进水流场的不淤速度为0.421 m/s,并且不淤速度随开机台数的减少而降低。研究结果可为含沙泵站进水系统防淤措施设计提供依据。     

深井离心泵内部非定常流动的压力脉动特性分析

为了分析深井离心泵内部的非定常压力脉动特性,该文基于标准k-ε湍流模型和滑移网格模型,应用SIMPLEC算法,在CFD软件Fluent中对深井离心泵内部全流场进行三维非定常数值计算,得到了额定工况下流道内不同位置的压力脉动特性,并通过快速傅里叶变换进行了频域分析。结果表明,网格数对数值计算结果影响较大;在叶轮出口与导叶进口交界处,叶轮叶片与导叶叶片的动静耦合是产生压力脉动的原因;压力脉动周期与叶轮叶片数相关,导叶叶片数对压力脉动周期影响较小;叶片通过频率是影响压力脉动的主要因素。该文为改善泵体结构,进一步提高深井离心泵的使用可靠性提供了依据。     

非对称式闸站结合式泵站前池导流墩整流模拟及试验验证

闸站结合式泵站运行时,隔墩前池侧存在严重的不良流态,危害到进水流道进口断面的入流流态。该文采用数值模拟手段对前池内的流动进行预测,并对预测结果进行了试验验证。研究结果表明:原方案靠近隔墩的前池内有大尺度的回流区,该回流从隔墩处一直延伸到靠近流道进口前的横剖面,1#进水流道进口断面上的轴向速度分布较为均匀,呈现出上下、左右对称的趋势,高速区位于断面中心,5#生水流道进口断面上的轴向速度分布不均匀,高速区迁移到断面左侧。分别采取2种导流墩整流措施对前池流态进行调整,与原方案相比,这2种整流措施均能缩小回流区的范围,并改善和提高4#和5#生水流道进口断面上的流速分布和轴向速度分布均匀度。通过定量和定性地对比试验测试结果和数值预测结果发现,二者吻合性较好,数值预测结果得到了验证,这表明该数值计算过程是可靠的,其预测结果是可信的。     

基于 Mixture 多相流模型计算双流道泵全流道内固液两相湍流

采用Mixture多相流模型、扩展的标准k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,应用计算流体力学软件Fluent对双流道泵全流道内的固液两相湍流进行了数值模拟,并将计算结果与清水单相流数值模拟及泵外特性性能试验进行了对比,揭示了不同粒径及颗粒体积浓度条件下双流道泵全流道内的固液两相流动规律.研究结果表明:在叶轮流道内,固相体积浓度分布极不均匀,颗粒主要集中于叶轮出口处的工作面和后盖板上,但是随着颗粒浓度和粒径的减小,会出现颗粒向背面迁移的趋势;在蜗壳流道内,颗粒主要集中于靠近蜗壳出口侧的流道区域,颗粒运动轨迹紊乱,少部分颗粒脱离叶轮后能直接从蜗壳出口流出,大部分颗粒撞击蜗壳壁面,留在蜗壳内转动数圈才能流出;颗粒浓度变化对固相的离析作用影响相对较小;粒径变化对固相的离析作用影响较大,粒径越大,颗粒撞击点愈加集中于叶轮工作面,固相的离析作用越明显;相同体积流量下,泵进出口总压差随颗粒浓度和粒径的增加而减小.     

基于开放边界条件的离心泵自吸过程瞬态流动数值模拟

为探明泵内气液两相瞬态流动特征及自吸过程中吸水管液面震荡上升机理,该研究基于欧拉-欧拉多相流均相模型及标准k-ε湍流模型,采用开放型进、出口边界,对某外混式自吸离心泵在变转速启动条件下的自吸过程进行了数值模拟,分析了吸水管液面变化和主要过流部件内气液两相分布等瞬态特征。结果表明,开放型边界条件可以准确捕捉自吸过程中吸水管内液面震荡上升现象,与试验结果吻合良好。自吸过程包含3个阶段：快速吸入阶段对应吸水室内初始储液被快速吸入叶轮并将叶轮内气体排出,占自吸总用时的11.7%;震荡排气阶段是泵自吸过程的主要阶段,占总自吸时间的61.3%,该阶段内气液分离室内液体反复进入蜗壳和叶轮外缘区域,参与气液掺混及气液分离过程,完成自吸排气,过流部件内气液两相占比及吸水管液面震荡均近似呈0.25 s的周期性变化,叶轮内气相占比周期性变化和液柱惯性是导致该自吸阶段吸水管内液面震荡的主要原因;加速排气阶段为自吸末期,吸水管内液体加速进入叶轮,将泵内气体快速排出,其历时占总自吸时间的27%。研究结果可为自吸泵设计及性能优化提供重要参考。     

进口管壁面轴向开槽消除轴流泵特性曲线驼峰

当轴流泵在小流量工况下运行时,由于叶轮进口的冲角增大,导致在叶轮内产生脱流等不稳定流动结构,降低泵的水力性能。该文采用计算流体动力学分析方法对轴流泵内部流场进行了研究,结果表明:该轴流泵的特性曲线存在明显的驼峰区域,在0.3到0.61倍最优流量工况区间,轴流泵的扬程和效率明显下降。在临界失速工况下(0.61倍最优流量工况),叶片吸力面前缘靠近轮缘处及叶片尾缘靠近轮毂处均出现了脱流;在深度失速工况下(0.45倍最优流量工况),脱流进一步发展,并与来流共同作用形成稳定的涡旋结构,阻塞整个流道。为了提高轴流泵在小流量工况下的水力性能,引入一种轴流泵进口管开槽技术,分析其对轴流泵内部流场的影响及驼峰的改善作用。结果表明:在小流量工况下,轴向开槽可以减小叶轮进口环量和冲角,可以减小叶片背部的脱流,轴流泵的驼峰得到明显的改善。开槽深度是改善轴流泵小流量工况下驼峰的重要因素之一,当槽深与叶轮直径比为0.02时,叶轮内的通道涡几乎完全消除,轴流泵深度失速工况点的扬程、效率分别提高了66%和32%,极大地改善了轴流泵的水力性能。沟槽数目越多,槽长越长,消除驼峰的能力越好,60个沟槽与2/3倍叶轮直径的槽长在其他参数相同的条件下消除驼峰的能力更强。该文可为避免轴流泵内部的失速流动以及消除水力性能曲线上的驼峰相关研究提供参考。