魏村枢纽扩容改建工程双向立式泵装置模型试验及流场分析

为明确魏村枢纽扩容改建工程泵站的双向立式轴流泵装置的水力特性,对该泵站的泵装置物理模型开展了能量性能、空化性能及飞逸性能的试验和泵装置内流场的数值分析。结果表明：在叶片安放角-8°～+4°时,泵装置最高效率为74.26%,此时叶片安放角为-6°、泵装置扬程为3.981 m;在泵装置扬程2.72～5.25 m范围内模型泵装置运行平稳,无明显不良噪音和振动。在最大泵装置扬程5.25 m、叶片安放角+2°时,水泵的淹没深度满足最大必需汽蚀余量9.35 m的要求。在叶片安放角-8°时,原型泵的飞逸转速是其额定转速的1.705倍。箱涵式双向出水流道的水力损失是影响此类泵装置水力效率的主要因素。     

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。     

灌排双向立式泵装置内部水流压力脉动特性

通过物理模型试验方法研究灌排双向立式轴流泵装置内部压力脉动特性.在进水流道前端、导叶体出口和出水流道后端壁面上布置3个压力脉动测点.在额定转速为1 450 r/min时,对5个不同叶片安放角度下能量试验的压力脉动、叶片安放角为-4°时不同特征工况点空化试验的压力脉动,以及3种不同转速的压力脉动等进行了测试和分析.测试结果表明：进水流道前端、出水流道后端和导叶体出口处的最大压力脉动相对幅值分别为0.22,1.10和1.20.在不同叶片安放角度时,进水流道前端和出水流道后端的压力脉动相对幅值随流量的增大而增大;而导叶体出口处的压力脉动相对幅值随流量的增大,先减小后增大,其最小值出现在最优工况点对应的区域.在空化试验情况下,当泵装置进口压力降低至某一值后,导叶体出口处的压力脉动相对幅值开始增大.不同转速时,各测点的压力脉动相对幅值随扬程的变化趋势相同.在相同扬程时,进水流道前端和出水流道后端的压力脉动相对幅值随转速的增大而增大,然而未发现导叶体出口处的压力脉动相对幅值与转速的变化有明显的规律.     

叶片角度对输水泵站泵装置水力性能影响分析

为研究输水泵站泵装置水力性能受叶片角度变化的影响,采用CFD方法模拟全流道泵装置水力性能,分析设计流量工况下叶片角度变化对进水流道、出水流道流动及叶轮内部流动特性和水力性能的影响.结果表明:在设计流量工况下,叶片角度偏离设计工况角度,叶轮进口近轮毂区存在回流、脱流;叶片角度偏离设计工况角度越大,进水流道、出水流道内水流流态越差,水力损失越大.当叶片角度调节为-8°工况时,与叶片角度-0°工况比较,进水流道和出水流道水力损失相对值最大,分别为1.28和2.89.即叶片同等偏离角度下,出水流道水力损失增大幅度较进水流道更加明显.对比数值模拟结果与模型试验结果得出,在设计流量工况,叶片角度为0°时,扬程相对误差为1.2%,效率相对误差为2.1%,两者吻合较好.     

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。     

立式轴流泵装置进口导水锥支架对马鞍区性能影响研究

【目的】研究进口导水锥支架对"马鞍区"和设计流量工况下立式轴流泵装置水力性能以及水泵内部流场的影响。【方法】基于RANS方程和SST k-ω湍流模型进行三维计算,选择立式轴流泵装置进行有无进口导水锥支架方案的对比分析,通过模型试验验证了数值计算的可靠性。【结果】小流量工况下,无进口导水锥支架方案立式轴流泵装置进水流道出口出现流动回流,形成大范围回流漩涡,造成进水流道堵塞,引起大量低频压力脉动,并产生能量损失,致使扬程突降,出现马鞍区。有进口导水锥支架方案可以有效抑制回流漩涡的范围和强度,降低低频压力脉动,提高泵装置稳定性。马鞍区最低点扬程上升5.5%,明显消除马鞍形。设计流量工况,进口导水锥支架的设置增加了叶片做功能力,抵消了支架的部分水力损失,使得扬程下降较小,约1.3%,内流场较为均匀。【结论】进口导水锥支架在工程应用中具备改善立式轴流泵装置马鞍区的巨大潜力。     

基于CFD的樊口泵站泵装置性能预测

以樊口泵站的工程实际为背景,运用CFD数值模拟技术和方法,以肘型进水流道、屈膝式出水流道及40CJ-95型轴流泵为具体对象,对泵装置整体进行全面系统的研究.在额定转速下,改变叶片安装角,分别模拟各种不同叶片安装角下的工况,预测水泵性能,并和实际特性曲线进行比较;分别改变转速和叶片安装角,针对模拟结果分析预测装置性能,与模型试验值进行对比.结果表明:用基于有限体积法的双方程紊流模型对泵装置整体进行数值仿真研究是可行有效的;并且通过与已有实验成果比较,得出模拟计算结果与试验值吻合较好的结论,表明计算结果真实可信.     

立式轴流泵装置的三维湍流流动数值模拟

采用三维湍流数值模拟方法对南水北调东线工程某泵站立式轴流泵装置进行了优化水力设计研究工作;分别建立了轴流泵模型和立式轴流泵装置几何型体数学模型,并分别对轴流泵模型和立式轴流泵装置的内部流动进行了三维湍流数值模拟,计算所得的轴流泵模型的水力性能与模型试验的结果一致;轴流泵装置数值计算所得的水力性能与装置模型试验结果的基本规律相符。计算结果表明:采用数值计算的方法研究立式轴流泵装置内部的三维湍流流动及其水力性能是可行的,在此基础上对立式轴流泵装置进行深入的优化水力设计,可以最大限度地提高泵装置的水力性能。     

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.     

对称翼型转轮双向竖井贯流泵装置

为了使转轮具有相同的正向和反向性能,可采用压力面和吸力面相同的翼型即对称翼型.针对城市水环境治理工程中超低扬程双向抽水的要求,对基于对称翼型转轮的双向竖井贯流泵形式的装置,研究了其水力性能.运用三维数值模拟技术优化获得了泵装置进、出水流道型线和控制尺寸.依据国家相关试验方法和规程,基于高精度水力机械试验台,从大流量到小流量依次测试了正反向工况下各5个叶片角度下的水力性能.模型试验结果表明,该装置形式可以获得较好的正反向能量特性.根据莫迪公式换算的原型性能结果表明,裴家圩泵站中采用的对称翼型转轮双向竖井贯流泵装置,可以保证正反向工况下均能高效运行,运行效率均超过了60%.该研究成果对同类双向超低扬程泵站的选型和设计有着重要参考价值.     

大型双向流道泵装置优化匹配与试验研究

研究了一种双向流道立式泵装置,综合考虑了进水流道出口流速分布均匀度和进水流道水力损失2个目标函数,应用CFD技术对双向进水流道喇叭口悬空高度进行了多方案的优化比选,当悬空高等于0.57D(D为水泵叶轮直径)时进水流道水力损失增加较小,且流道出口流速分布均匀度最好.通过对出水流道喇叭管出口高度的多方案计算比较,得到双向出水流道扩散喇叭管出口高度对流道水力性能的影响规律:当出水流道扩散喇叭管的高度较高时,流速较大,流道水力损失较大;随着扩散喇叭管高度的逐渐降低,出水流道水力损失逐渐减小;当喇叭管的高度降低到一定程度,水力扩散损失占据主导作用,随着喇叭管高度的进一步降低,其水力扩散损失越来越大;当喇叭管出口至流道顶板高度等于0.48D时,对应的出水喇叭管高度为最优.将优化匹配的双向进出水流道配置优选的水泵模型,进行泵装置模型试验,在低扬程3.26 m时,装置效率可达71.2%,可为同类型泵装置的优化设计提供参考.     

后置灯泡式贯流泵装置水力模型

为了能够满足在南水北调东线一期工程中低扬程大流量工况的要求,针对南水北调金湖等泵站研制开发的贯流泵装置水力模型,利用FLUENT软件进行了CFD流场计算分析,并进行了反复试验和优化设计.经过江苏大学初试和河海大学复试,结果基本相符.模型在2.82 m扬程下,流量为342 L/s,效率达到79.05%,汽蚀比转速为1 105;装置模型流量大,效率高,综合性能指标达到南水北调工程经国际招标的同类装置模型的先进水平;在3 m扬程下和相同性能的立式轴流泵相比,效率约提高5%,流量提高10%以上,综合性能优势明显.     

双向潜水贯流泵装置水力模型研究

基于常规潜水轴流泵的结构组成双向贯流泵装置 ,双向抽水功能通过潜水泵整体掉头和采用双向叶轮这两种方式来实现。通过模型试验掌握导叶和流道结构尺寸对潜水贯流泵装置水动力性能的影响。研究表明 ,这两种双向贯流泵装置的性能均优于目前常用的井筒式装置 ,特别是双向叶轮潜水贯流泵装置具有结构简单、维护管理方便的优点 ,适合于低扬程双向泵站使用。     

基于全流道模拟的泵装置出水流道水力特性分析

为研究低扬程泵装置出水流道的水力性能,采用CFD方法对泵装置进行全流道数值计算,并通过模型试验对数值计算结果的准确性进行验证。分析了隔墩对出水流道水力性能和泵装置能量特性的影响,阐述了出水流道流量不平衡的问题以及环量对出水流道内部流动特性的影响。结果表明:对于低扬程泵装置,出水流道的隔墩对泵装置能量性能的影响较大,应尽量避免设置隔墩;在出水流道中,隔墩前伸会增加出水流道的水力损失,导致两孔流量分配更加不相等,隔墩后伸对两孔流量的分配无影响但会增加出水流道的水力损失,从而降低泵装置的水力性能。无环量时出水流道的水力损失与流量呈二次方关系,有环量时出水流道的水力损失增大,且内部流态变得复杂。出水流道的内外特性与泵装置的运行工况有关系,应避免将出水流道独立地从泵装置系统中脱离出来进行水力性能的计算分析。     

平面S形流道双向轴流泵装置水力模型研究

采用双向对称翼型设计轴流泵叶轮，配合平面S形布置的进出水流道组成双向抽水装置。通过不同的导叶及布置方式来适应泵站不同的正反向运行工况的要求。该装置只要改变电机的转向即能实现双向抽水，结构简单、运行管理方便。净扬程在3m左右时，泵装置正向最高效率可达到62％～66％，反向装置效率可达到550～62％，汽蚀性能接近普通单向泵装置的水平。     

双向贯流泵装置水力性能的数值分析

在不同直导叶下，应用全流场三维湍流数值模拟方法，进行了轴伸式贯流泵站双向运行的三维湍流内部流动研究及性能预测，探讨了导叶型式对泵站性能的影响，并与弯导叶进行了比较。结果显示，导叶对改进流道内的流态有明显效果，可消除流道内的反向流动，使流动变化均匀；弯导叶对泵站正、反向运行性能反应敏感，直导叶下泵站正、反向运行性能较为接近，对泵站性能影响较小，为双向运行时间较为接近的泵站可选方案。     

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。     

低扬程泵装置性能的决定因素

阐述了进水流道上引起的泵性能变化和出水流道回收能量作用对泵装置性能的影响，并提出了装置中泵的等扬程加大流量设计方法。     

基于FD的大型轴流泵装置性能预

以樊口泵站的工程实际为背景,运用CFD数值模拟技术和方法,以肘型进水流道,屈膝式出水流道及40CJ-95型轴流泵为具体对象,对泵装置整体进行全面系统的研究。在额定转速下,改变叶片安装角,分别模拟各种不同叶片安装角下的工况,预测水泵性能,并和实际特性曲线进行比较;分别改变转速和叶片安装角,针对模拟结果分析预测装置性能,与模型试验值进行对比。结果表明：用基于有限体积法的双方程紊流模型对泵装置整体进行数值仿真研究,是可行、有效的;并且通过与已有实验成果比较,得出模拟计算结果与试验值吻合较好,表明计算结果真实可信。