大型箱涵式泵装置优化设计与试验

为了研究箱涵式泵装置进、出水流道的水力性能,采用了基于CFD数值模拟计算和模型试验的DOE正交设计试验方法。对进、出水流道进行三维参数化建模,以进水流道出口断面速度均匀度和水力损失为目标函数,针对进水喇叭管、导水锥和出水喇叭管、出水导流墩控制尺寸进行五因素四水平的正交试验设计。通过CFD数值模拟手段,针对设计流量工况点,分别对进水流道和出水流道各16个设计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。数值模拟和试验结果表明,通过DOE正交设计方法进行进水流道优化设计,可以得到各控制参数对进水流道水力损失和出口断面均匀度的主次影响,进水流道最大水力损失达到8.56 cm,最小水力损失为3.91 cm,优化方案水力损失为3.65 cm,出口速度均匀度达到93.07%,较初始方案水力损失降低了1.31 cm,出口速度均匀度提高了1.17个百分点;出水流道最大水力损失为46.07 cm,最优组合出水流道水力损失为32.53 cm,较原始方案水力损失减小了7.96 cm。根据泵装置全特性曲线可知,该泵装置出水流道水力损失在设计工况下最小,最高运行效率达到70.04%,最高运行扬程为4.0 m,在设计扬程1.36 m时,效率为66.82%,对应流量为34.31 m3/s。模型试验最高运行效率达到71.5%,在设计扬程1.36 m时,试验运行效率在64%左右,与数值模拟结果吻合较好。     

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。     

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.     

大型水泵装置全流道数值模拟与性能预测

采用计算流体动力学方法,对某大型混流泵装置进行了全流道数值模拟,对有泵与无泵进、出水流道的内部流动及水力损失进行了对比分析,实现了水泵装置性能预测．研究发现,水泵叶轮旋转和导叶出口剩余环量与进、出水流道的内部流场相互作用,进水流道的出口水流条件和出水流道的进口水流条件与单独计算时的假定有本质不同,对进、出水流道的水力损失和装置性能有显著的影响．在水泵装置中,进水流道的水力损失小于无水泵时的流道水力损失,在一定流量范围内,仍基本符合二次抛物线规律．与此相反,出水流道的水力损失远大于无水泵时的水力损失,在设计流量附近出现局部极小值,不再完全符合二次抛物线规律．数值计算结果得到了模型试验的验证．     

泵站肘型进水流道模型试验研究

根据泵站要求设计了一种新型结构的肘型进水流道,按欧拉相似准则进行模型试验,试验装置采用开敞式进水前池,流道进口不带泵,采用在试验管道上增设循环泵提供所需流量。分别进行了水力损失、流动轨迹和水面漩涡试验,最大流量工况点模型试验的水力损失为0.059mm。经相似换算,得到实型流道的水力损失为0.059 m,损失较小。流动轨迹的模型试验显示流态曲线光滑,没有突变、脱流、涡带等局部损失等现象发生。最低运行水位、最大流量工况下对进水池水面漩涡试验,显示出现了2型水面漩涡,不会对循环水泵产生不良影响。试验结果表明,该肘型进水流道综合性能优良。     

泵站进水流道模型水力损失的测试

根据低扬程水泵装置的研究方法可以多样化的观念,提出了将泵站进水流道模型从水泵装置模型中分离出来单独进行水力损失测试的新方法.介绍了该新方法所采用的测试装置、试验准则、水力损失计算方法及误差分析等有关问题.与传统测试方法相比,新方法具有费用少、周期短、测试准确等特点.采用新方法对2组不同几何形状的肘形进水流道模型进行了水力损失测试及比较,试验结果表明：肘形进水流道的水力损失与其几何形状有密切的关系。     

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．     

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。     

泵站进水流道三维流动及水力损失数值模拟

提出了将进水流道从水泵装置中分解出来单独进行数值计算的研究方法,分析了大型泵站进水流道三维流场及水力损失数值计算的区域、边界条件及网格剖分等有关问题,给出了肘形、钟形和簸箕形等3种形式进水流道三维流场和水力损失数值计算的实例,并与流道模型试验的流场观察及水力损失测试结果进行了比较.结果表明：提出的进水流道三维流动数值计算方法可以较为准确地计算进水流道的水力损失,便于对其进行模型试验验证.应用本方法可以较为方便地对进水流道的水力性能进行考核和评价,从而为进水流道优化水力设计所需的多方案比较创造条件.     

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。     

大型泵站肘形进水流道三维紊流仿真计算

通过肘形进水流道三维紊流仿真计算，定性分析流道内部流态，定量计算流道出口轴向流速分布均匀度、出口水流偏流角和流道的水头损失，能预测肘形进水流道的水力特性，为流道水力设计优化和模型试验提供了依据，可以缩短模型试验周期和试验费用。     

轴流泵导叶进口段调节对其外特性的影响

针对轴流泵在偏离设计工况时,因水流方向的偏离导致其效率急剧下降,在常规导叶的基础上改变导叶进口段的位置,以期能提高轴流泵在非设计工况下的效率,扩大其在高效区的运行范围。将导叶分为进口段、中段和出口段3个部分,并采用数值计算结合模型试验的方法研究了不同导叶进口段位置对轴流泵外特性的影响。结果表明:导叶进口角度的改变影响到导叶体内的流态及其水力损失,从而影响到泵装置的能量性能;在轴流泵导叶原设计进口角度的基础上,沿顺时针方向旋转适当角度,可扩大低扬程泵装置高效运行的范围,显著提高偏离设计工况点的低扬程、大流量区的效率。     

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.     

导叶叶片数及导叶相对位置对低扬程轴流泵装置性能的影响

为研究导叶叶片数及导叶相对位置对轴流泵装置性能的影响,设计了3个不同导叶数方案和4个不同导叶相对位置方案,采用计算流体动力学软件分别对每个模型在0.8Q_d~1.2Q_d之间的5个工况进行计算.根据数值计算结果,选择最优模型,即导叶数为5,叶轮出口距导叶距离为0.086D的泵装置模型进行能量特性试验,并将试验结果与数值计算结果进行对比分析.结果表明:当轴流泵叶轮叶片数一定时,增加导叶数,将使导叶水力损失增大,出水流道水力损失增大,泵装置效率将下降;当叶轮叶片数和导叶数一定时,叶轮出口至导叶进口距离过大或过小时,将使导叶水力损失增大,导叶出口速度环量减小,出水流道水力损失增大,泵装置效率将下降;试验结果与数值计算结果的误差在4%以内,验证了数值计算的可靠性、准确性.研究结果可为泵装置的导叶水力设计和效率提高提供一定参考.     

某艇喷水推进泵优化设计

针对某艇未达到预期航速的问题,采用三元反问题设计与正问题预报相结合的方法对喷泵进行改型设计.建立“喷泵+进水流道+艇体”的CFD计算模型,分析得到当前轴流喷泵存在效率偏低、设计点不匹配、流道流动损失大等问题.基于快速性要求、主机特性和设计水平,对喷泵进行设计参数选型.同时,基于一种叶片三元反设计方法,在多方案对比分析基础上,合理设置轴面形状、叶片数、叶片载荷、叶片积叠和加厚等控制参数,设计得到新型混流喷泵.数值计算结果表明,新喷泵在设计工况下水力效率可达90.0%,高效区流量范围宽,抗空化能力强,“艇-机-泵”匹配良好.喷泵装艇试航结果表明,该艇航速提高了约13%,达到了预期快速性设计要求,验证了喷泵三元反设计方法的准确性.     

多级离心泵叶轮与导叶的匹配特性

基于CFX软件,采用k-ε模型对某一立式三级离心泵全流场进行数值模拟,并进行试验验证,表明在设计工况下数值计算结果与试验结果吻合较好,但泵内流场分析发现,叶轮-导叶间隙及导叶内的流动损失较大.为了减少流动损失,提高多级离心泵叶轮与导叶之间的匹配特性,分别重新设计4种采用不同进口结构形式的导叶.在设计工况下对4种不同进口的导叶模型进行定常数值计算,并对水力性能、内部流动规律及叶片表面压力分布规律进行分析.结果表明:导叶进口采用扩散结构,与叶轮出口边相平行的模型水力性能最好;导叶进口采取扭曲结构时,能够提高叶轮扬程,但也会增大导叶与叶轮间隙的流动损失,并导致导叶进口压力不稳定;当导叶进口与叶轮出口平行时,可以减小导叶内的流动损失,提高导叶的水力性能;当导叶进口与轴线平行时,可以弱化叶轮与导叶之间的干涉作用,提高叶轮的水力性能,但会增大叶轮与导叶间隙处产生的流动损失.     

卧式泵站竖井进水流道三面进水水力特性数值模拟

针对某单向卧式引水泵站采用的竖井式进水流道进行优化设计,提出三面进水竖井进水流道,为分析三面进水下竖井进水流道的水力特性,基于雷诺时均N-S方程和k-ε标准湍流模型,采用CFD技术对该卧式泵站的三面进水竖井流道进行数值模拟,通过控制中墩的线型以及中墩宽度b形成不同的三面进水流道,从而分析不同三面进水流道的水力特性,具体分析不同方案进水流道出口断面的轴向速度分布、水平剖面的流线和速度分布以及流道水力损失的状况.研究结果表明:对于不同中墩宽度下的三面进水流道,流线型中墩较矩形中墩其流速分布均匀度和速度加权平均角均较大,采用流线型中墩可以获得较好的流态;对于流线型中墩,随着中墩宽度b的减小,过水断面面积逐渐增大,各方案流速分布均匀度和速度加权平均角逐渐增大,当b=0.075B时,此时流线型中墩泵进口断面上的压力分布较矩形中墩更为均匀.     

基于正交试验的高扬程混流泵优化设计

为了提高高扬程导叶式混流泵的扬程和效率,选择叶轮叶片进、出口安放角、包角和叶轮外径等4个因素,每个因素取4个水平,利用正交设计软件SPSS进行正交试验方案的设计,应用CFD软件ANSYS CFX对设计的16副叶轮进行三维数值模拟,利用极差分析的方法分析得到各因素对扬程和效率的影响程度,进而得到最优组合方案,最后对比分析原始模型与优化模型的内部流动情况,验证优选方案的可行性.结果表明:叶轮叶片出口安放角对扬程影响程度最大,叶片包角对效率影响程度最大.在设计流量下,兼顾扬程和效率所选出的最优方案扬程和效率均有所提高,泵段内水流流态较好,压力分布均匀,达到优化设计的目的.因此,基于正交试验的高扬程混流泵优化可行,优化方案的参数搭配能够有效地减小高扬程混流泵的水力损失,提高其水力性能,并改善其内部流动.     

基于数值模拟的单叶片离心泵能量损失分析

为揭示单叶片离心泵效率偏低的主要原因,采用数值模拟的方法对单叶片泵的能量损失进行了详细分析,建立了单叶片离心泵水力损失模型.基于SIMPLEC算法和标准k-ε湍流模型,利用ANSYS CFX软件求解三维N-S方程,分析单叶片离心泵在不同流量工况下的湍流耗散损失和壁面摩擦损失,并搭建单叶片离心泵的外性能试验台,验证了数值模拟的准确性.结果表明:单叶片离心泵的能量损失形式主要为耗散损失和摩擦损失,并且泵内的耗散损失明显大于叶片摩擦损失;效率偏低的主要原因是耗散损失较大,具体表现为单叶片离心泵叶轮流道内存在明显的低速区及流动分离区,且压力呈圆周非对称分布;单叶片离心泵从其叶片进口处到出口处的耗散损失、摩擦损失均不断增大;耗散功率、摩擦功率占总功率百分比及叶轮水力效率呈抛物线分布.