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。     

轴流泵水力模型同台测试结果及选型分析

通过对天津同台测试结果进行分析总结，可为泵站设计中的水泵选型提供参考．根据叶轮主要几何尺寸和扬程流量性能曲线的斜率来划分轴流泵水力模型的扬程范围。能简化水力模型的比较方案．为了兼顾各种特征扬程工况下的运行效率和可靠性，在水力模型初选阶段提出了选型名义扬程的概念．针对选型名义扬程。采用等扬程和加大流量的方法，并参照南水北调东线泵站工程规划和初步设计成果进行水力模型的选择，能确保泵装置获得更高的加权平均效率、分析了模型泵装置安装精度、叶轮叶片厚度，以及叶轮叶片叶尖径向间隙对试验结果的影响，在分析试验数据可比性的基础上提出了方案比较时应注意的问题．随着水泵CAD和CFD技术的发展。不同泵站水泵水力模型应更多地考虑进行针对性设计．     

斜式轴流泵装置进水流道的正交优化设计

为改善小流量工况下大型斜式轴流泵装置的水力性能,利用J-Groove流动控制手段对泵装置进水流道进行结构改进.利用正交试验设计方法,确定J-Groove的厚度、长度、个数以及分布角等4个几何因素,分别选取3个水平,建立9组正交试验方案.结合滤波器湍流模型(FBM)的非定常雷诺方程,利用Ansys CFX软件对斜式轴流泵装置三维模型进行非定常计算,获得正交方案在小流量工况下的扬程和效率.采用极差分析方法对正交试验方案的数值结果进行分析,研究各几何因素对轴流泵水力性能的影响规律.结果表明:影响扬程指标的几何因素主次关系为厚度、长度、个数和分布角;影响效率指标的几何因素主次关系为厚度、个数、分布角和长度.最后,通过再设计分析确定了最优方案,并与原始方案的流场进行对比分析,验证了J-Groove技术在小流量工况下抑制轴流泵叶轮进口非稳定流态并改善其水力性能的作用.     

轴流泵装置导叶出口水流速度环量对出水流道水力损失的影响

为了定量研究大型泵装置导叶出口水流的速度环量对出水流道水力性能的影响,提出了泵装置导叶出口断面水流的速度环量定量表示方法和平均角速度的测量方法,分别采用数值计算和模型试验的方法研究了导叶出口水流的剩余环量对虹吸式出水流道和直管式出水流道水力损失的影响。结果表明:导叶出口水流的环量对出水流道水力损失的影响较为明显,存在使出水流道水力损失最小的最优环量,虹吸式和直管式出水流道的最优环量分别为0.972和1.308 m2/s;虹吸式出水流道和直管式出水流道最优环量时的水力损失计算值较零环量时的水力损失计算值分别小0.126和0.180 m。研究结果不仅有助于改进低扬程泵装置出水流道的优化水力设计,同时对改进轴流泵导叶的优化水力设计也有重要意义。     

轴流泵叶轮区域空化特性数值模拟

为了研究轴流泵内部叶轮区域空化特性,该文基于ANSYSCFX软件,分别应用Standardκ-ε,RNGκ-ε,κ-ω和SSTκ-ω湍流模型、均质多相流模型,对比转数ns=1033轴流泵在不同工况下进行全流道数值计算,将模拟值与试验结果进行对比分析,验证不同湍流模型及多相流模型的适应性并探究叶轮区域的空化特性。结果表明:在设计工况下,基于κ-ω湍流模型较其他3种湍流模型计算准确,临界汽蚀余量NPSHc计算值与试验结果误差为6.32%,可以较好反映轴流泵内部空化特性。随着有效汽蚀余量NPSH值的减小,空化首先在叶片背面进口靠近轮缘处发生,然后沿着主流方向往叶片中部发展直至充满整个流道,在临界汽蚀余量工况下,叶片中部区域空化面积较大,空化较严重时,叶片背面流线在叶片后部较紊乱,在靠近轮毂处形成漩涡微团,并向轮缘处移动,同时引起叶轮出口截面处轴面速度分布不均匀,增加了叶轮区域流场的紊乱性,揭示了叶轮区域内部空化流动特性。     

轴流泵叶轮出口尾迹区非定常压力和速度场特性

为了分析轴流泵叶轮出口尾迹和势流交替干扰特性,基于RNGk-ε湍流模型和SIMPLE算法,对南水北调工程用轴流泵模型进行了数值计算。通过定常预测的外特性结果与试验值进行比较,验证了计算网格和湍流模型的适用性,并在此基础上计算了轴流泵叶轮出口尾迹区非定常流场特性。研究结果表明,通过轴流泵全流场数值计算结果与试验值对比,在最优工况下计算扬程相对误差为4.56%,效率相对误差为2.78%,较好反映了轴流泵内部流动特性;在小流量工况下,轴流泵叶轮出口圆周方向轴面速度存在与叶片数相同的3个主波峰和3个次波峰;随着流量增大,叶轮出口圆周方向速度分布图中的波峰与导叶叶片数相同。在小流量工况和设计工况下,叶轮出口尾迹区压力脉动时域图出现3个主波峰,随着流量增大,额外产生了3个次波峰。基于FFT变换发现不同流量工况下的压力脉动主频均以叶频为主,其他谐频以叶频为基频,呈倍数出现,且主频的幅值随着流量减小而迅速上升。     

轴流泵装置反向发电的水力特性

为探究某泵站轴流泵装置反向发电的水力特性,对该轴流泵装置反向发电工况进行全流道数值模拟分析.结果表明：轴流泵装置在额定转速进行反向发电时,其最优工况相比于水泵模式,水头和流量分别提高43%和38%;随着转速增大,效率-流量曲线呈现向大流量方向偏移趋势,高效区范围逐渐增大;导叶进口、转轮进出口压力脉动呈周期性,转轮进出口压力脉动受转轮旋转影响更为显著;压力脉动系数幅值沿径向由轮毂至轮缘逐渐增大,转轮出口的压力脉动幅值最大,约为转轮进口的2倍;在频域方面,压力脉动主频为叶频,次频为2倍叶频,在转轮进出口主频所对应的压力脉动系数幅值沿径向由轮毂至轮缘逐渐增大;在小流量工况,随着轴流泵反向发电运行时的流量越小,出水流道流线越混乱且涡带越明显.研究结果可为泵站轴流泵装置反向发电提供一定的理论支撑和工程运行参考.     

不同翼型轴向积叠的轴流泵水力性能及内部流态

为了研究叶轮翼型轴向积叠方式对轴流泵水力性能和内部流场的影响,以轴流泵模型ZM25为基础,设计了5种不同方式的翼型积叠方案.保持轮缘处的翼型断面不变,其他翼型断面中心沿斜向直线积叠,积叠角度分别为-8°,-4°,0°,+4°和+8°.基于CFX对5种方案在不同运行工况下的水力性能与内部流态进行预测模拟,并将计算结果与试验测量值进行对比验证.研究结果表明：翼型由负角度积叠时,可以提高泵的扬程,但泵的效率降低;翼型由正角度积叠时,泵的效率提高,但扬程减小;对于泵的内部流场,翼型由负角度积叠时,可以改善叶片背面的压力分布,同时改善泵的空化性能和泵内部沿轴线方向的轴向速度分布,减小泵内的径向流动;翼型由正角度积叠时,可以使轴流泵出口的轴向流动更加均匀.研究结果可为轴流泵的设计提供一定的参考.     

基于载荷分布的潜水轴流泵叶轮与导叶水力设计

对潜水轴流泵进行三维反问题设计,以水力效率为设计目标,提出叶轮、导叶适合的载荷分布形式。通过正交试验设计、单因素分析和数值模拟的方法研究载荷参数对潜水轴流泵内外特性的影响,得到水力效率较优的载荷分布形式:叶轮叶片为前载型,导叶叶片为轮毂中载、轮缘前载型。具体的载荷参数取值范围:对于叶轮,斜率取值范围为-1~0,前载点取值范围为0.25~0.45,后载点取值范围为0.55~0.75;对于导叶,轮毂斜率在0附近取值,轮缘斜率取值范围为0~0.75,轮毂前载点取值范围为0.25~0.45,轮缘前载点在0.25附近取值,轮毂后载点取值范围为0.55~0.75。叶轮设计中发现:前载型叶片对原泵叶根尾缘的二次流有改善作用。导叶设计中发现:由于潜水轴流泵导叶的扩散式结构特点,导叶近壁面易出现分离涡,轮毂中载、轮缘前载型叶片能够有效地抑制导叶近壁面的涡分离。     

立式轴流泵等圆出水管内流场试验

采用五孔探针对轴流泵圆形出水室和出水管内流场进行详细测试,研究了后导叶出流环量、泵轴旋转诱导和出水弯管二次流对流态的影响,分析流场形成机理,揭示流动规律．结果表明：后导叶出流环量较大,旋转方向与叶轮相同,泵轴对附近水体有明显的诱导作用,泵轴附近环量明显增大,出水室和出水管内的环量沿流程逐渐衰减,但衰减速度渐慢,整个出水管内水流都具有一定的环量．出水管内为复杂的螺旋流,断面轴向流速和周向流速分布不均匀、不对称,轴向均匀流和对称流的常规假定与实际不符．研究成果对轴流泵装置的优化水力设计,提高泵装置效率有重大意义．