模型轴流式水轮机飞逸过程三维CFD数值模拟

水轮机飞逸参数的准确计算直接影响水轮发电机组的造价与安全，是水电工程设计的重要内容之一。针对现有数值解法在水轮机飞逸过程计算中，计算精度较低，无法直观反映流场内特性，本文建立了一种非稳态过程三维CFD数值模拟方法，并以某模型轴流式水轮机飞逸过程为例，进行了三维数值湍流计算，获得了模型机组到达最大转速时所需时间、最大飞逸转速值、飞逸过程内特性流场演变规律以及转速、流量、力矩与测点静压随时间变化的曲线。对上述计算结果进行分析比较可知，计算所得最大飞逸转速与试验值非常接近，误差在1.5%以内；所得力矩及流量等外特性参数变化过程均符合高比转速水轮机理论特性；当转速增大到某一数值之后，尾水管水力稳定性急剧恶化是引起机组振动的主因。     

大型双吸离心泵内流场的数值模拟与性能预估

针对高扬程大流量的大型双吸离心泵的汽蚀问题进行了数值模拟。依据k-ε紊流模型加壁面函数法对叶轮内的三维紊流流动进行数值计算与分析,采用雷诺时均Navier-Stokes方程进行模拟并通过压力耦合方程组的半隐式方法进行求解。利用FLUENT软件模拟得到叶片流速分布、压力分布及全流道流线分布图,分析出离心泵叶轮通道内的流动规律,并将模拟结果与试验值进行对比,可知在设计工况点时相对误差最小,扬程相对误差为1.75%,效率相对误差为2.27%。结果表明:利用计算流体动力学进行三维紊流数值模拟可以反映大型双吸离心水泵内部真实流动,效率的变化趋势符合离心泵工作特性的一般规律,模拟结果与试验结果一致。     

轴流式水轮机模型飞逸过程三维湍流数值模拟

通过作者建立的非稳态过程三维湍流数值模拟方法,模拟了轴流式水轮机模型飞逸过程,并进行了其三维数值湍流计算,获得了机组到达最大转速时所需时间、最大飞逸转速值、飞逸过程内特性流场演变规律以及转速、流量、力矩与测点静压随时间变化的曲线。计算结果表明,所得最大飞逸转速与试验值非常接近,误差在1.5%以内;所得力矩及流量等外特性参数变化过程均符合高比转速水轮机理论特性;当转速增大到某一数值之后,尾水管水力稳定性急剧恶化是引起机组振动的主因。     

低比转速水泵水轮机"S"区特性数值模拟

水轮机低水头启动困难问题在目前己投入运行的混流式水泵水轮机组中有较多出现,是抽水蓄能技术研究需要解决的关键问题.采用SST k-ω模型对不同导叶开度下的小流量水轮机工况进行数值计算,在数值计算基础上获得了水泵水轮机"S"区特性单位转速与单位流量的关系曲线,并将"S"特性曲线计算结果与试验结果做了对比分析,提出了影响水泵水轮机"S"特性的转动域流动特征.     

水泵水轮机全流道“S”特性区数值分析

抽水蓄能电站在水电中扮演着极其重要的角色,其机组水泵水轮机的“S”特性区流动情况是研究的重点。以自主研发的某水泵水轮机为研究对象,根据模型试验结果的“S”特性曲线,选取其中小导叶开度的“S”特性曲线,结合SST k-w湍流模型,运用ANSYS-CFX软件对曲线上部分工况点进行了数值分析。数值分析工况包括水轮机工况、飞逸工况、制动工况和反水泵工况,通过计算得到了单位流量和单位转速的关系曲线,所得曲线与模型试验曲线较为吻合。计算结果表明：在制动工况和反水泵工况时,固定导叶、活动导叶和转轮区域内均存在较多的旋涡性回流,为较为不稳定的工况。转轮区域内流动速度极低,叶片中间位置有无规则性回流,相邻的两个叶片头部之间形成横向流动的水环,水环在离心力的作用下阻挡水流进入流道,从而大大减小了转轮的过流能力,这可能是导致水泵水轮机在制动工况下单位转速降低的重要原因。     

基于CFX的中比转速离心泵的性能特性预测

以一给定参数的具有扭曲叶片的中比转速离心泵为研究对象,对其进行水力设计。使用UG NX6.0软件对其三维建模,将由UG导出的parosolid格式的三维流体域模型导入到CFX的网格划分工具ICEM CFD中进行网格划分,采用ANSYS CFX12.1软件对其内部流场进行数值模拟及性能预测,得出离心泵在设计工况及几个典型的非设计工况点的扬程、轴功率等反映离心泵外特性的数值计算结果。该泵流量-扬程、流量-效率曲线符合离心泵的一般规律,可为设计人员提供重要的优化及设计参考。     

基于CFX的离心泵内部流场三维数值模拟

基于三维不可压缩流体的N-S方程和标准k-ε湍流模型,采用隐式修正SIMPLE算法,利用CFX软件,对离心泵装置进行全流场三维数值模拟,共计算额定转速下30～80 m3/h流量范围内8个工况点。对比分析小流量工况、设计工况和大流量工况下泵装置流态和压力分布,并分析叶片表面静压,揭示内部流动规律,所得结果对预测水力性能,提高水泵效率及进一步结构优化具有重要的参考价值。     

水泵水轮机转轮内部三维紊流流场计算与性能分析

水泵水轮机转轮可以在正反两个方向上旋转，用一个转轮分别实现水泵和水轮机工况的运行。在设计阶段提前预知转轮在两种工况下的流场以及能量特性对于提高水泵水轮机的设计水平和运行质量具有重要的意义。本基于三维Navier-Stokes方程和标准k-ε模型，采用贴体坐标和交错网格系统，用SIMPLEC算法分析了水泵水轮机转轮中的三维紊流流场。对比了转轮在水轮机和水泵两种工况下的流场，同时讨论了转轮的能量特性。     

用三维曲面插值技术求解水轮机实时运行参数

针对水利工程中经常遇到的复杂曲线图插值问题,提出了一种提高精度和效率的程序化处理方法。通过提取水轮机运转综合特性曲线上的点坐标生成三维曲面,选择自然邻近内插法或克里格插值方法对曲面进行光滑处理以提高曲面精度,并根据精度要求离散至网格单元处,输出网格化的水轮机参数数据,再与实时工况进行匹配,获得水轮机的实时效率和过流量参数。     

导叶开度对水泵水轮机泵工况导叶区流场影响的试验研究

针对活动导叶开度对水泵水轮机泵工况导叶区流场和模型性能的影响,在高精度模型通用试验台上对一低比转速模型水泵水轮机导叶区的流场运用粒子图像测速(PIV)系统进行了测量。测量结果显示,同一开度下随着流量减小,无叶区内的流速出现增大的趋势;同一流量随着开度的减小,导叶前流速明显增大,模型效率下降。模型试验在转轮无空化条件下进行,但在8 mm开度83%最优流量工况,由于流速高、冲角大,造成位于高压侧的导叶头部发生了明显的绕流空化现象,并引起了固定导叶流道宽频带的压力脉动。研究成果可为水泵水轮机的优化设计和安全稳定运行提供试验依据。     

引江济淮二期工程小庙泵站水泵选型研究

为解决半地下式厂房机组运行维护不便的问题,对卧式双吸离心泵、立式单级单吸离心泵、立式抽芯斜流泵三种泵型综合性能、安装与维护等方面进行比较,结果表明：立式抽芯斜流泵转动部件和内接管可被抽出,与出水管相连的整个泵外筒体依然固定在泵基础上,结构简单,安装检修方便,且能大大改善泵房的通风、采光条件,可为同类型泵站的水泵选型提供参考。     

基于流固耦合及Kriging模型的离心泵叶轮优化

为提高离心泵叶轮的水力效率及结构性能,提出了流固耦合仿真技术与代理模型相结合的优化设计方法。通过均匀试验设计与CFD/CSD单向耦合仿真获得了样本数据,进而运用Kriging方法,分别建立离心泵叶轮效率、离心泵叶轮最大变形、离心泵叶轮最大应力与影响因素之间的代理模型。在此基础上,采用SQP算法求解以水力效率最大为目标函数,且考虑了离心泵叶轮的强度和刚度约束的优化模型。将该方法用于某离心泵叶轮的优化设计,结果表明取得了很好的效果。     

基于反问题设计的离心泵叶轮泥沙磨损特性优化研究

离心泵被广泛应用于我国黄河沿岸的提灌泵站中。黄河水中的泥沙对离心泵造成的泥沙磨损问题严重影响离心泵的安全高效运行。反问题设计是离心泵叶轮优化设计的常用方法，但作为其关键设计参数的叶片载荷加载方式对离心泵磨损性能的影响尚不清楚。针对叶片载荷加载方式对离心泵叶轮泥沙磨损特性影响的问题，采用固液两相流数值计算的方法，研究了前盖板前加载后盖板后加载、前后盖板均偏中加载以及前后盖板均偏后加载3种不同叶片载荷加载方式对离心泵水力性能、叶轮磨损特性和固液两相流流场特性的影响。结果表明：相比于其它方案，前后盖板均偏中加载方案得到的离心泵具有较优的水力性能。在各工况下，相比于原叶轮，前后盖板均偏中加载方案的叶片最大磨损率减小25%~73%，小流量工况下可减小73%，大流量工况下可减小25%，明显提高了叶片的磨损性能。相比于原叶轮，3种优化方案在前盖板背面流线上的压力分布更均匀光顺;在小流量工况下，前后盖板均偏中加载方案和前后盖板均偏后加载方案叶片表面的固相体积分数较小，各种方案得到的叶片表面的速度分布基本相同;在额定流量工况下，原叶轮的叶片表面体积分数较小，前后盖板均偏中加载方案和前后盖板均偏后加载方案的叶片工作面固相速度大的区域相对较小，固相速度也有所减小。因此，前后盖板均偏中加载方案具有较优的水力性能和磨损特性，可为离心泵叶轮磨损特性的优化提供参考。     

基于CFD的高海拔地区某型号离心泵水力性能优化

离心泵已在工农业生产过程中得到了广泛的应用,因此,水泵的高效运行非常重要。但是到目前为止,对高海拔地区水泵的高效率运行研究几乎是空白。为了解决某型号离心泵在高海拔地区长期运行后出现的效率明显降低的问题,基于CFD数值模拟软件,运用SST湍流模型,对该型号的离心泵在不同叶片数下的流场进行了数值模拟,并将模拟结果与试验数据进行了比对分析,以探索添加叶片对提升该型号离心泵效率的影响。结果表明:模拟结果与试验数据误差在允许范围内(3%),将叶片数从4增加到6时,运行效率提升到89%,但叶片数增加到8时,并不利于离心泵效率的提升。研究结果可为该型水泵运行效率的提升和改型提供借鉴与理论参考。     

南水北调中线天津段泵站输水方案水击等效管计算方法

通过研究了解水击条件下k条特性相同管道并联的等效计算模型，在特征线法的基础上，导出了用一条等效管代替并联管道的等效模型：等效管的直径和沿程阻力系数分别是实际管道直径和沿程阻力系数的√k倍，等效管的长度和水击波速等于任一实际管道的水击波速和长度；等效泵的机组惯性时间常数、扬程、出口阀门特性与实际泵相同，等效泵的Suter变换流量、力矩特性与实际泵相同，但等效泵的流量等于并联各泵流量之和。     

高扬程大流量离心泵导叶优化及流动特性研究

为使离心泵满足高扬程大流量抽水的需求,设计了一种高效率的高扬程大流量的导叶式离心泵,并对其内部流场进行分析。为了提高效率,采用CFD数值模拟方法对设计得到的离心泵进行单因素试验,通过试验优选出了导叶形式、导叶入流角角度以及导叶数量。实践证明:优化后离心泵的效率提升了5.01%且具有较宽的高效区;同时,流场分析结果发现:小流量工况与大流量工况时离心泵内部流场流态呈现为不同的趋势,在小流量工况下,漩涡往往小而密集;而在大流量工况时则表现为大而疏散。研究结果可为今后导叶式离心泵的研究和设计提供一定的参考。     

双吸泵小流量工况下的空化特性研究

为研究双吸泵在小流量工况下叶轮内部空化特性,同时进一步说明小流量工况相比于设计工况时的空化特性差异,结合均质两相流模型和SST k-ω湍流模型,对双吸泵小流量工况和设计工况下的全流道空化流场进行数值模拟,以分析不同流量工况下空化分布与发展情况,以及空化对各叶片载荷造成的影响。研究结果表明:适当减小双吸泵进口流量,有助于改善双吸泵的空化性能;在小流量工况下空化首先发生于叶片吸力面头部靠后盖板附近,而且此处的空泡体积分数最大,这一空化特征同设计工况有所差异;随着NPSH的降低,叶轮内空化不断加强,但是小流量工况下的空化强度始终不及设计工况;不同空化状态会导致叶片吸力面压力的变化,从而表现为叶片表面载荷分布的变化。     

离心叶轮的叶片数效应研究

叶轮叶片数是离心叶轮的一个重要结构参数,对叶轮外特性与内流场特征都有着直接的影响。利用计算流体动力学软件,生成了叶片数分别为5和6的2个叶轮,然后在相同工况下,计算了这2个叶轮的内外力学性能;通过对2个叶轮的流量-扬程、流量-效率曲线及叶轮内压力、相对速度进行比较,分析了不同叶片数对叶轮性能产生的影响及其成因。比较分析结果有助于设计人员深入了解不同叶片数叶轮的不同流动机理,并可为他们在设计实践中正确选用叶片数提供参考。