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.     

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。     

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。     

水泵转速变化对进出水流道水力损失的影响

在比较各种进出水流道水力损失研究方法的基础上,运用计算流体动力学方法数值模拟了4种水泵装置内部流动,研究水泵转速变化对进出水流道水力损失的影响.数值计算结果表明,由于水泵装置中进水流道内部流动受水泵叶轮旋转引起的水流预旋的影响,因而小于无泵单独运行时的水力损失.水泵转速变化后,在相同流量下,进水流道的水力损失基本不变.水泵导叶出口水流条件和剩余环量影响出水流道的水力特性,水力损失随流量变化的关系非常复杂.水泵转速变化后,出水流道内部流动不相似,相同流量下的水力损失不相等.装置模型试验结果验证了数值计算结果的有效性和可靠性.     

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。     

不同导叶参数对箱涵式轴流泵装置水力性能的影响

为了研究不同导叶参数对箱涵式轴流泵装置水力性能的影响,采用正交设计的方法,选取导叶叶片数、相对位置及扫掠角作为设计因素,每个因素选取3个水平进行组合,应用数值模拟方法研究3个因素对泵装置效率、出水流道轴向均匀度、导叶体水力损失及出口处平均涡角的影响规律,最终综合确定最优的设计方案.研究结果表明:如果只改变导叶的参数,导叶叶片数对导叶出口处的平均涡角和出水流道轴向均匀度影响较大;导叶相对位置在对泵装置的效率和导叶体水力损失影响中占主导地位;随着导叶扫掠角增大,泵装置效率、出水流道轴向均匀度、导叶体水力损失先增大后减小,平均涡角影响较小;对比数值计算和模型试验的结果,在设计工况附近效率基本吻合,扬程在误差允许范围内.研究结果可为箱涵式轴流泵装置优化设计提供一定的理论依据.     

低扬程泵站进出水流道匹配与装置

结合江苏省无锡市城市防洪排水泵站仙蠡桥泵站的设计，对平面蜗壳式进水流道匹配后壁为半圆型箱式出水流道的新型组合，进行了泵装置特性试验研究。试验结果表明，进出水流道设计匹配合理，在叶片角度-2°，泵装置扬程2.0m时，最优装置效率达到72.5％。     

水泵转速变化对进出水流道水力损失的影

在比较各种进出水流道水力损失研究方法的基础上,运用计算流体动力学方法数值模拟了4种水泵装置内部流动,研究水泵转速变化对进出水流道水力损失的影响。数值计算结果表明,由于水泵装置中进水流道内部流动受水泵叶轮旋转引起的水流预旋的影响,因而小于无泵单独运行时的水力损失。水泵转速变化后,在相同流量下,进水流道的水力损失基本不变。水泵导叶出口水流条件和剩余环量影响出水流道的水力特性,水力损失随流量变化的关系非常复杂。水泵转速变化后,出水流道内部流动不相似,相同流量下的水力损失不相等。装置模型试验结果验证了数值计算结果的有效性和可靠性。     

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．     

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。     

前置导叶对轴流泵马鞍区工况回流涡特性的影响

基于RANS方程和SST k-ω湍流模型,对带前置导叶轴流泵进行三维非定常计算,研究了马鞍区工况进水流道回流涡的特性以及前置导叶对回流涡结构及压力脉动的影响,揭示了前置导叶提高轴流泵马鞍区工况扬程的机理。结果表明,小流量工况,轴流泵进水流道内形成大范围螺旋形回流,其与主流的剪切作用导致回流涡的产生,引起大量低频压力脉动,并造成能量损失,致使泵扬程下降,出现马鞍形;增设前置导叶可打破连续的回流涡,降低低频压力脉动幅值,提高轴流泵运行稳定性;同时,前置导叶可提高轴流泵扬程,消除扬程曲线马鞍形,且随着前置导叶位置不断靠近叶轮进口,泵扬程提高幅值不断增大;最后,前置导叶调角可进一步提高轴流泵扬程。     

轴流泵双驼峰特性与内流场测试研究

为研究轴流泵在小流量工况双驼峰区域下的水力稳定性,探讨轴流泵扬程-流量曲线稳定性与内流场特性的关系,针对一比转数为825的轴流泵进行了测试研究.依次通过外特性能量曲线测试、内流场示踪粒子高速摄像机拍摄、壁面压力脉动采集、叶轮进出口截面速度LDV测试,获取了叶轮在小流量工况下的内外水力特性.由能量特性结果发现轴流泵的扬程...     

刘老涧抽水站轴流泵模型装置的试验研究

通过对刘老涧抽水站立式轴流泵模型装置的试验研究，得出了模型及原型装置的综合特性曲线，该成果可作为刘老涧抽水站设计的重要依据，并对同类型工程具有参考价值。     

轴流泵装置调速性能的非线性回归模型研究

利用理论推导和试验数据相结合的方法,通过多元非线性回归分析得出轴流泵装置调速性能模型。根据水泵基本方程,结合假定条件推导出轴流泵装置扬程、效率关于转速、流量的特性方程。利用高精度水力机械试验台分别对2种不同类型的轴流泵装置试验测试,分析得出效率和扬程特性曲线随转速变化呈非线性变化的结论。利用试验数据作为观测值,特性方程作为预测模型,利用nlinfit函数和遗传算法相结合的多元非线性回归算法计算得出特性方程的待定系数。对2个算法的分析比较发现,单独利用多元非线性回归算法所求得的系数解趋于局部最优,而结合遗传算法后能得到全局最优解。将所求待定系数代入预测模型,分别将2种轴流泵装置的扬程、效率调速特性试验数据与预测值进行比较,得出:全流量范围内扬程误差绝对值在0~0.8 m之间,效率误差绝对值在0~8%之间;设计工况点附近扬程误差绝对值在0~0.5 m之间,效率误差绝对值在0~5%之间。     

大型轴流泵水力不稳定区研究

大型轴流泵的水力不稳定区的存在不仅影响泵站安全启动,而且限制泵站稳定运行的范围。当同一扬程点下对应3个流量点时,轴流泵运行工况点进入水力不稳定区,在闭式试验台条件下,该区范围为谷峰和谷底之间的区域。轴流泵旋转失速与进水条件恶化是导致水力不稳定区产生的二大因素。随着南水北调跨流域调水工程建设和全国大中型泵站改造的实施,如何预防和避免大型轴流泵进入水力不稳定区显得非常迫切和重要。     

不同工况下轴流泵转子径向力及其压力脉动分析

【目的】研究轴流泵转子所受径向力及内部压力脉动。【方法】采用试验以及ANSYS CFX定常计算的方法,研究了轴流泵的外特性;采用ANSYS CFX软件对轴流泵内部流场进行了非定常计算,研究了不同流量工况下轴流泵内部转子径向力的分布情况及内部不同监测点压力脉动的时域和频域特性。【结果】(1)数值计算的外特性结果与试验结果的趋势基本吻合,数值计算具有较高准确度;(2)转子运动时,内部流场关于转动中心呈现不对称性;(3)3种流量工况下径向力的分布均呈现一定的周期性,小流量工况下瞬态径向力最不稳定,波动较大,设计流量工况下瞬态径向力较小,大流量工况呈现较好的平衡状态;(4)不同流量工况下压力脉动受叶片数影响,主要以叶频为主,且随着频率的增加,压力脉动逐渐减小,说明低频信号是引起压力脉动的主要原因,从整体来看,各监测点压力系数随着流量幅值的增大而逐渐减小,但轮缘进口处变化较快,说明轮缘进口压力脉动受流量变化影响最大。【结论】轴流泵内部转子径向力随流量的增大趋于稳定,不同流量下内部不同点的压力脉动存在明显差异。     

低扬程轴流泵模型装置相似换算的研究

简要介绍了低扬程轴流泵模型装置的试验研究，根据试验结果进行了不同转轮直径下实型泵装置特性的相似换算，该成果可以作为低扬程轴流泵站设计的参考。     

溢流孔直径对轴流泵系统过渡过程的影响

沿海泵站使用的大型轴流泵系统(LAPS)往往需要配备溢流孔以提高过渡过程的品质,但由于LAPS过渡过程中增设溢流孔的机理尚不明确,因此在设计和应用上存在很多困难。本文设计了6种不同直径的溢流孔,在Flomaster软件二次开发的基础上,用瞬态模拟方法研究了不同直径的溢流孔对LAPS的同步启动、异步启动、同步停机和异步停机过渡过程的影响。结果表明：在异步启动过程中,当溢流孔直径达到2 m时,最大冲击扬程为1.67H_r,最大冲击功率为1.34P_r,进一步增加溢流孔直径对降低LAPS的最大冲击扬程和功率无明显增益。在异步停机过程中,溢流孔可以有效延缓LAPS流量的衰减,降低瞬时水头和功率,然而,当溢流孔直径达到2 m时,最大冲击扬程为1.18H_r,最大冲击功率为1.1P_r,进一步增加溢流孔直径对降低LAPS异步停机过程中的最大冲击水头和功率没有明显的作用。溢流孔直径越大,对于提高过渡过程质量的效果越好,但是当溢流孔直径增大到一定程度后,继续增加溢流孔直径效果没有明显提高。     

可调导叶式轴流泵压力脉动数值分析

轴流泵叶轮内部的压力脉动是影响其运行稳定性和叶片疲劳破坏的重要因素之一,为了研究压力脉动的特征和根源,探索压力脉动的水力优化方法,应用CFD方法模拟轴流泵内部非定常流动,在模型试验结果验证的基础上,计算了叶轮叶片和导叶表面的压力脉动,采用快速傅里叶变换进行信号处理和分析比较。研究结果表明:叶轮叶片表面压力脉动的主频是导叶通过频率,导叶表面压力脉动的主频是叶片通过频率;在小流量工况下,通过调节导叶角度可以显著降低叶轮叶片和导叶表面因动静干涉引起的压力脉动,从而降低疲劳破坏的风险。