泗阳二站轴流泵装置模型流道优化及模型试验分析

[目的]提高泗阳二站改造工程泵装置的水力效率,明确泗阳二站改造后泵装置的水力性能,了解泵站的真实运行情况,便于泵站的安全运行管理.[方法]以泗阳二站的立式轴流泵装置为研究对象,采用数值模拟技术分析了原设计方案(方案1肘形进水流道的流道高度1.707D、长度3.895D、进口面积4.984D2;虹吸式出水流道长度6.14...     

轴流泵装置反转水动力特性研究

为了探究轴流泵装置反转运行条件下的水动力特性,采用试验测量结合数值模拟的方法,对某配有常规单向叶轮的轴流泵装置的反转运行特性进行了研究,分析了轴流泵装置包括反水泵工况、反向发电工况的能量特性和内流特性。结果表明,应用单向叶轮的轴流泵装置进行反转抽水的扬程和效率均较低,高效点的扬程仅为常规泵工况高效点扬程的0.38倍,高效点的效率仅为常规泵工况的0.55倍。反水泵工况下的压力脉动信号成分较为复杂,泵装置出水流道的流态较差,不同流量工况下的叶片非工作面均存在较大范围的回流区。反向发电工况下,最高效率点向大流量偏移,出现在Qd=1.63流量工况,高效区的范围明显增大,达到了泵工况的1.53倍,在大流量工况下仍能维持较高水平的水力效率。反向发电工况下水泵叶片非工作面的极限流线较为平顺,叶片工作面的压力梯度分布较为均匀。研究成果为特殊利用条件下的轴流泵装置的安全稳定运行提供了参考。     

基于正交试验的轴流泵优化设计

对轴流泵进行正交试验法优化设计,为了研究叶轮、导叶、喇叭管对轴流泵性能的影响,设计了一个三因素二水平的正交方案。对每个方案进行试验测试,通过分析每个试验方案的性能曲线图,得到了对于各个性能的最优方案,对各个方案的试验数据进行极差分析,得到了轴流泵叶轮、导叶、喇叭管影响性能的主次顺序。通过分析与比较得出最优参数组合,即叶片角度ψ=0°的叶轮,加导流锥的导叶体,进口直径与叶轮直径比值为DL/D0=1.56、高度HL/D0=0.82的喇叭管。试验结果表明,最优组合方案在额定流量点扬程高于设计值6.16%,效率比规定值高出5.07%,轴流泵的高效区较宽,性能达到设计要求。     

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。     

基于VOF模型的轴流泵机组起动过程数值模拟

为探索轴流泵机组起动过程中外特性参数和机组流道内流态的瞬变特性,建立了包括肘型进水流道、转轮、导叶、虹吸式出水流道与出水池等部件的轴流泵机组三维几何模型,采用VOF气液两相流模型与Realizable k-ε湍流模型相结合的方法,对预开启真空破坏阀及真空破坏阀保持关闭这2种起动方式下的轴流泵机组起动过程进行了三维数值模拟.数值模拟结果显示,水流翻越驼峰之后,出水流道内的空气不断被卷入水中并由下降段流道内的水流旋涡携带排出,出水流道内空气囊体积逐渐减小,从而最终形成虹吸;初始空气囊大小是影响起动过程中排气时间长短的关键因素之一,初始空气囊体积越大,排出气囊所需时间越长,而采用真空破坏阀保持关闭的起动方式会产生较大的初始空气囊,因而起动时间较长;与真空破坏阀保持关闭的起动方法相比,采用预开启真空破坏阀的方法使最大起动扬程下降了30%,起动时间缩短了64%.     

不同空化数下轴流泵叶顶间隙区空化特性

基于修正的SST k-ω湍流模型和空化模型,对叶顶间隙为0.5 mm轴流泵模型进行了数值计算,分析了不同空化数下叶顶区不同圆柱截面的空化面积、叶轮出口轴向速度以及叶顶区空泡体积分数等特性。数值计算与高速摄影试验结果表明,数值模拟方法准确预测了轴流泵NPSH曲线和叶顶区空化流场;轴流泵初生空化出现在叶顶区,其空化类型主要包括刮起涡空化、泄漏流空化、卷吸区空化及叶顶泄漏涡空化;在空化数为0.451时,叶顶泄漏涡具有明显的涡带空化特性,随着空化数的逐渐降低,叶顶泄漏涡卷吸区的空化范围逐渐扩展,并与泄漏流空化区连成一片,且空泡云扩展到整个叶片吸力面;在间隙泄漏流作用下,叶轮出口轴向速度在靠近间隙区域逐渐降低,并随着空化数减小,轴面速度进一步下降;在不同空化数下,叶片吸力面圆周截面空化面积系数从轮毂到轮缘先增大,在叶片中部达到最大值,然后迅速减小,在叶顶区由于受到间隙效应的影响,叶顶区空化面积迅速增大。     

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。     

轴流泵流动噪声数值模拟

为了研究轴流泵内部压力脉动和流动噪声在不同工况下的变化规律及其关系,采用数值模拟方法,应用计算流体动力学软件Fluent和声学软件LMS Virtual Lab分别模拟轴流泵流场和声场分布,并进行时域和频域分析.取叶片非定常脉动力作为声源,运用边界元法对比分析了有泵壳振动影响和无泵壳振动影响下泵壳体边界声场分布的不同.结果表明：叶轮叶片、导叶叶片和动静交界面处监测点的静压均表现出明显的离散频谱特性,叶片通过频率（BPF）是压力脉动和流动噪声的主频,这是由叶轮和导叶之间的动静干涉引起的;而流动噪声在2倍谐频（133.4 Hz）和3倍谐频（200.1 Hz）处也有明显峰值,这是由叶轮叶片和泵壳壳体振动引起的.忽略泵壳振动影响的情况下,噪声水平偏大,考虑声振耦合的噪声情况更接近于实际,所以结构振动是噪声辐射分析的重要因素.噪声指向性分布图表明了叶片噪声辐射具有明显的偶极子特性.     

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.     

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.