泵与泵装置特性预测

根据泵和泵站的有关文献及作者提出的泵与泵装置性能（效率及临界汽蚀余量）的表达、换算方法,通过进一步的数学推演,提出了水泵及泵装置性能统一表达式.统一表达式包括：扬程通用式、流量通用式、效率通用式、临界汽蚀余量通用式等.用二次多项式表达了泵及泵装置的扬程特性;根据最小二乘法原理给出了扬程系数计算式.介绍了总效率的表达式,并给出效率常数计算方法.介绍了计及冲击损失的影响,并适用于任意工况点的汽蚀特性表达式;同时给出汽蚀余量系数的计算方法.扬程通用式、流量通用式、效率通用式、汽蚀余量通用式等是在各表达式基础上,根据原模型泵及流道内流动相似,运用水泵相似律、比例律,推导扬程系数、效率常数、汽蚀余量系数的相似关系式;综合各表达式和系数、常数相似关系式即为既适用于模型亦适用于原型的统一表达式,或称通用式.统一表达式既可用于计算,亦可用于原模型的相似换算.     

泵与泵装置特性预测

根据泵和泵站的有关文献及作者提出的泵与泵装置性能(效率及临界汽蚀余量)的表达、换算方法,通过进一步的数学推演,提出了水泵及泵装置性能统一表达式．统一表达式包括:扬程通用式、流量通用式、效率通用式、临界汽蚀余量通用式等．用二次多项式表达了泵及泵装置的扬程特性;根据最小二乘法原理给出了扬程系数计算式．介绍了总效率的表达式,并给出效率常数计算方法．介绍了计及冲击损失的影响,并适用于任意工况点的汽蚀特性表达式;同时给出汽蚀余量系数的计算方法．扬程通用式、流量通用式、效率通用式、汽蚀余量通用式等是在各表达式基础上,根据原模型泵及流道内流动相似,运用水泵相似律、比例律,推导扬程系数、效率常数、汽蚀余量系数的相似关系式;综合各表达式和系数、常数相似关系式即为既适用于模型亦适用于原型的统一表达式,或称通用式．统一表达式既可用于计算,亦可用于原模型的相似换算．     

泵及泵装置效率表达与换算

从理论上分析和表达了水泵机械效率、水力效率、容积效率及总效率;分析和表达了泵效率、泵装置效率的相似性,评价了已见各种泵效率的换算公式,推导并提出了泵效率常数暨新的泵效率、泵装置效率换算方法;所提效率公式、效率换算方法对泵性能参数的可信性有鉴别、评价作用,对开发高效水力模型,提高泵站效率有指明路径作用。针对离心泵(及蜗壳式混流泵)和轴流泵(及导叶式混流泵)所提统一的表达式,既适用于泵,亦适用于泵装置;既适用于模型泵,亦适用相似的任意口径、任意参数的原型泵及原型泵装置。泵及泵装置性能统一表达的研究和实现,对于提高泵的设计水平,对于泵及泵站特性准确预测均有较大的理论意义和实际应用价值。     

低扬程双向流道泵装置研究

针对沿江滨湖地区双向抽水的广泛需要，在分析水力计算的基础上，提出一种新的立式轴流泵出水结构，并辅以适当措施，使立式双向轴流泵装置性能大幅度提高，模型试验高装置效率达到71％以上；所提出的消涡防栅从根本上解决了进水流道内的涡带问题。这两项技术已在工程中成功地推广应用。     

大型低扬程泵装置nD值的选取

从水泵选型、能量性能、汽蚀性能等3个方面,讨论了减小nD值对大型低扬程泵装置水力性能的影响;提出了减小nD值的低扬程泵装置水泵选型设计思路;借助于叶片泵相似律,推导了减小nD值与增径降速的一致关系,在设计流量一定的条件下,若叶轮直径增大5%,则水泵转速和nD值将分别下降13.6%和9.3%;从叶轮直径对流道水力损失的影响上,分析了减小nD值对提高泵装置流道效率的作用;根据nD值与水泵扬程的关系,低扬程泵装置选型时,宜适当减小nD值,以便在较低扬程下选用到更优秀的轴流泵水力模型;根据叶片泵汽蚀相似律,分析了减小nD值对低扬程泵装置汽蚀性能的影响;同时,还讨论了泵装置汽蚀性能的考核指标,以及增径降速对流道控制尺寸及设备投资的影响等问题.结果表明：对于平均扬程为4 m、单泵设计流量为33.5 m3/s的泵站,若将叶轮直径由2.9 m增大至3.1 m,则流道效率可提高2.9%;在设计流量一定的条件下,若将nD值由435降为387.5,由水力模型TJ04-ZL-06换算的原型泵高效区扬程可由5 m左右降为4 m左右,水泵必需汽蚀余量可降低20.6%;对于年运行时数较长的大型低扬程泵站,宜采用较小的nD值.     

大型低扬程泵装置nD值的选取

从水泵选型、能量性能、汽蚀性能等3个方面,讨论了减小nD值对大型低扬程泵装置水力性能的影响;提出了减小nD值的低扬程泵装置水泵选型设计思路;借助于叶片泵相似律,推导了减小nD值与增径降速的一致关系,在设计流量一定的条件下,若叶轮直径增大5%,则水泵转速和nD值将分别下降13.6%和9.3%;从叶轮直径对流道水力损失的影响上,分析了减小nD值对提高泵装置流道效率的作用;根据nD值与水泵扬程的关系,低扬程泵装置选型时,宜适当减小nD值,以便在较低扬程下选用到更优秀的轴流泵水力模型;根据叶片泵汽蚀相似律,分析了减小nD值对低扬程泵装置汽蚀性能的影响;同时,还讨论了泵装置汽蚀性能的考核指标,以及增径降速对流道控制尺寸及设备投资的影响等问题.结果表明：对于平均扬程为4 m、单泵设计流量为33.5 m3/s的泵站,若将叶轮直径由2.9 m增大至3.1 m,则流道效率可提高2.9%;在设计流量一定的条件下,若将nD值由435降为387.5,由水力模型TJ04-ZL-06换算的原型泵高效区扬程可由5 m左右降为4 m左右,水泵必需汽蚀余量可降低20.6%;对于年运行时数较长的大型低扬程泵站,宜采用较小的nD值.     

大型泵与泵装置效率特性预测理论分析

对国内外多种原型泵与模型泵之间的效率换算方法进行了理论分析.Moody等传统公式理论分析不充分、不完整,换算结果精度较差.JIS B 8327-2002推荐式以及本文推荐的新型效率换算公式表达较完善,但JIS B 8327-2002推荐式经验常数过多.本文推荐式是根据较严谨的数理关系推导得出的公式,既能适用于泵,也能适用于泵装置,且能定量表达多种因素对效率换算结果的影响,能够为大型泵与泵装置效率特性预测提供依据.     

水泵及泵装置效率换算方法

分析了传统效率换算公式的理论依据和有关标准推荐的效率换算方法,发现传统水泵效率换算式理论具有表达不完整、经验性重、通用性缺乏等问题;比较了由不同换算公式计算得到的最优工况点泵水力损失比,发现Medici式、Fromm式及两种Moody式原模型效率差值较大,其他各式较小,Ackeret式最小.研究提出了泵及泵装置"分部效率换算方法",从流体流动特性出发,介绍了3种不同流动区摩阻系数表达式,提出经数学处理的便于应用的简化公式;从泵内流动特性出发,分析和论证了摩阻系数的确定依据,研究了泵比例系数和摩阻系数对水泵效率换算的影响;推导提出了另一种效率常数计算方法;针对相同的原、模型水泵及泵装置实例,给出不同方法的效率换算结果,分析不同方法差异的原因及适用性.研究结果表明:相较于Ackeret式和Hutton式,泵比例系数对"分部效率换算法"的影响较小;采用"分部效率换算法"时,以任何流动区的公式计算摩阻系数其总效率并无明显差异.     

低扬程泵装置效率与泵效率关系研究

低扬程泵站的泵效率与装置效率之间关系主要取决于流道的损失,在对现有研究两者关系的主要方法进行总结的基础上,根据大量的试验数据对现有的泵效率与流道效率乘积为装置效率的基本假定进行验证,发现基本假定存在矛盾;进而采用CFD方法对采用不同比转数叶轮的不同装置型式进、出水流道水力损失进行预测,分析流道损失的变化规律,提出装置效率可以采用泵效率与流道效率的乘积表述,但前提条件是流道损失必须是有泵时的水力损失,在泵最优工况点附近流道无泵损失表述的装置效率与实测结果是近似相等,因此在装置水力优化设计中需要考虑叶轮在内的全装置水力优化。     

基于CFD的低扬程泵装置变速特性及相似性

根据南水北调工程中低扬程泵站采用变频调速进行工况调节的运行要求,应用相似准则分别分析了泵和泵装置在不同转速下能量特性的关系,指出不同转速下泵的流量扬程关系特性符合相似律,但由于进、出水流道中的流动受到水泵流动的影响,泵装置的流量扬程关系在不同转速下不完全符合相似律。采用计算流体动力学方法分析了典型灯泡贯流泵装置在3种不同转速下出水流道的流场分布,发现随着转速差距的加大,同一截面上的速度分布甚至出现相反的分布规律,进一步证明了不同转速下的泵装置特性不完全符合相似律,因此变速工况下的低扬程泵装置特性不能采用传统的相似律预测.     

基于CFD的泵装置性能预测方法比较

以某混流泵装置为例,采用CFD技术分别进行包括进出水流道和水泵在内的水泵装置全流道数值模拟的性能预测和由不带泵进出水流道数值模拟得到的流道效率与泵效率乘积的泵装置性能预测,并与模型装置试验结果进行比较。结果表明,根据水泵装置全流道数值模拟方法进行的装置性能与模型试验结果误差较小;以流道效率与泵效率乘积的方法预测装置效率的误差较大,仅在最优工况点附近与模型试验泵装置效率近似相等,引起较大误差的主要原因是基本理论存在不合理性。因此,建议以进水流道、出水流道和水泵作为整体进行内流数值模拟和装置性能预测,并在考虑泵对流道影响的情况下进行流道的水力设计优化。     

水泵综合性能曲线的数字化及还原

编制有关水泵及水泵装置选型设计方面的软件，需将大量的、形状复杂的水泵综合性能曲线数字化以后输入计算机，在经过运算后，还需将数字化的曲线还原为图形。为保证曲线数字化的快速准确，文章提出了“扫描仪输入法”；为保证曲线还原的准确，又提出了“曲线尺连线法”。这两种方法在“水泵装置优化选型设计”软件中得到了成功应用。     

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.     

湍流模型对混流泵性能预测的影响

为研究不同湍流模型对混流泵外特性预测的影响,选取了一比转数为465的混流泵模型,基于SIMPLEC算法与非结构化四面体网格,通过选取标准k-ε、RNG k-ε、k-ω、SST k-ω等湍流模型进行了数值计算。预测了扬程系数、效率和轴功率,与试验数据进行了对比,并分析了压力与相对速度分布。研究表明,基于4种湍流模型预测的性能曲线与试验数据的变化趋势基本一致。基于标准k-ε与RNG k-ε模型预测的结果较为接近,而基于k-ω 与SST k-ω模型预测的结果较为接近。对于扬程系数和效率而言,在（0.6~0.9）Qd 下,k-ω与SST k-ω模型预测更为准确,在（0.9~1.3）Qd 下,标准k-ε与RNG k-ε模型预测更为准确。针对本文设计的混流泵模型,在（0.7~0.9）Qd 下选用k-ω模型,在（0.9~1.2）Qd 下选用标准k-ε模型,则可确保性能预测精度在±5%范围内,满足工程计算的要求。     

大型轴流泵装置性能预测的研究

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,表明计算结果可信.     

高扬程泵站的水泵选型

水泵选型是高扬程泵站设计中的重要环节，文中结合具体泵站的水泵选型，给出了在多种方案中选择最优方案的方法。     

斜流泵性能预测与叶轮进出口环量分析

为了揭示大型高比转数斜流泵内部流动规律,采用商业软件FLUENT,对高比转数斜流泵进行数值模拟。通过计算得到的扬程和效率性能曲线与实验结果基本一致,有效地证明了该数值计算的准确性。同时,还分析了3个工况0.8Qopt、1.0Qopt和1.2Qopt稳态流动下叶轮进出口的轴向速度和环量分布规律。结果表明3个工况下斜流泵内部流动稳定,叶轮叶片背面存在明显的负压区;叶轮进口呈非线性环量流型,出口呈等环量流型,轴向速度均为抛物线分布。