双向潜水贯流泵装置内流及水力性能分析

为明晰双向运行时潜水贯流泵装置的内流特征及水力性能,采用数值模拟技术对双向潜水贯流泵装置进行全流道计算,通过模型试验验证数值计算的有效性。结果表明：在叶轮的叶片安放角0°、双侧可调导叶的叶片调节角0°且灯泡体位于内河侧时,泵装置在排涝工况时最高效率为59.29%,引水工况时泵装置最高效率为58.41%;双向运行各流量工况时,叶轮进水侧的过流结构内部流线均平顺流态较好,叶轮出流侧的过流结构内部流态相对紊乱;在双向运行时,直管式流道的出口面轴向速度分布均匀度均大于92%,速度加权平均角均大于89°,直管式进水流道为叶轮提供良好的入流速度分布;在高效工况时,泵装置出水流道进口的偏流角均低于导叶体出口;叶轮所受的轴向力均随着流量的增大而减小。研究成果为双向潜水贯流泵装置的结构优化提供了一定的参考价值。     

进水流道对泵装置性能影响的数值模拟分析

为了研究进水流道内部流态对泵装置性能的影响,采用CFX三维软件对高度及喉部高度大、高度及喉部高度小的两种肘形进水流道装置的三维流场进行数值模拟,分析比较了这两种肘形进水流道与泵装置的水力特性。方案1肘形进水流道的高度大,挖深大,土建投资大,且喉部高度大,弯肘段脱流严重;方案2肘形进水流道高度小,土建投资小,同时喉部高度小,有效抑制了弯管脱流问题。结果表明:在最优工况下(Q=320 L/s),肘形进水流道方案2比方案1的流道出口断面速度均匀度高1. 6%;速度加权平均角度高7. 34°;进水流道水力损失降低0. 128 m;装置效率提高4. 22%;装置高效区流量范围拓宽40%。因此,为了保证泵装置高效、安全地运行,应充分重视在实际工程中进水流道对泵装置性能的影响以及肘形进水流道喉部高度对进水流道流态的影响。     

大寨河闸站立式双向流道轴流泵装置CFD分析

针对大闸河闸站双向流道泵装置进行CFD数值模拟计算。在设计流量工况下,对包括进水流道及延长段、叶轮、导叶,出水流道及延长段在内的泵装置全流道进行计算分析。计算结果表明,大寨河闸站双向流道泵装置整体性能较优,进水流道水力性能较好,入泵水流流态较好,出水流道内流态受到速度环量影响较大,需多加关注。     

望江县合成圩幸福河南站水泵进水流道的优化设计

为了优化望江县合成圩幸福河南站工程进水流道,根据原型泵主要设计参数,开展进水流道优化设计,实现进水流道CFD优化设计方案。结果表明：对比多个方案肘形进水流道平均流速及断面面积变化情况,方案4进水流道流速分布更均匀,最高效率点效率高,水力损失较小,流道出口断面轴向速度分布均匀度达91.26%,出口断面速度加权平均角达84.38°,推荐有隔墩肘形进水流道方案。     

北坍泵站流道优化及泵装置模型试验分析

流道对于泵装置的高效稳定运行具有至关重要的影响。为减小流道的水力损失并保证北坍泵站机组运行的安全稳定性,采用数值模拟技术对北坍泵站的肘形进水流道和低驼峰出水流道进行几何尺寸优化。通过对不同尺寸方案的流道水力性能进行分析比较,确定流道的优化方案并对最终优化方案组合的泵装置进行物理模型试验。结果表明：优化后肘形进水流道出口面的轴向流速均匀度提高0.10%,低驼峰出水流道水力损失降低23.91%。在不同叶片安放角（-4°、-2°、0°、+2°和+4°）,模型泵装置的最高效率均超过72.00%;叶片安放角为+2°时,泵装置的最高效率为74.97%。在灌溉设计净扬程和排涝设计净扬程条件下,泵装置均保持高效率运行。优化后的泵装置水力效率和运行稳定性较高,可为同类型泵站的流道优化提供借鉴。     

立式轴流泵装置虹吸式出水流道水力特性CFD研究

虹吸式出水流道结构形式及内部流动特性对立式轴流泵装置水力性能影响较大,基于定常不可压缩流体的控制方程和重整化群湍流模型应用SIMPLEC算法,模拟了不同型式的虹吸式出水流道轴流泵装置内流动特性。定性地分析了几种经过型线优化的虹吸式出水流道内流场特征,定量地研究了多工况条件下虹吸式出水流道内水力损失及特征断面水流流态的差异。研究表明,在导叶体出口剩余还量的影响下,不同工况下虹吸式出水流道内水流流态存在明显差异;同一工况条件下,不同型式虹吸式出水流道内水流流态也存在一定差异;虹吸式出水流道内水力损失主要集中在驼峰断面前的流道上升段,流道整体水力损失与流量未呈二次方关系;轴向速度分布均匀度与速度加权平均角随着流量的变化呈现相同的波动趋势;随流道上升段倾角的增大(下降段倾角减小),驼峰断面速度加权平均角均值呈逐渐减小的趋势,变化范围在0.1°~2.8°之间,不同方案的驼峰断面轴向速度分布均匀性较好,均值的变化范围较小,在0.1%~2%之间。     

轴流泵装置分部结构对装置性能的影响分析

基于k-ε紊流模型和雷诺时均N-S方程,运用CFX软件对轴流泵装置进行三维流动数值仿真计算,分析各分部结构对水泵性能及泵装置性能的影响,以找寻泵装置优化设计中的关键部件。计算结果表明,肘形进水流道能保证良好的进水条件,使叶轮进口流速均匀度达到90%以上,叶轮效率达到92%左右的较高数值。肘形进水流道的水力损失取决于弯肘段的水力损失;出水流道产生的水力损失在整个泵装置中占比最大,出水流道弯段和出口的水力损失为主要部分;因此进水流道弯段和出水流道是泵装置优化设计的关键部件。出水流道中涡量沿程减小,在流道弯段涡量下降最大,且流量越小下降的越大。     

低扬程立式泵进水流道基本流态及水力性能的比较

采用数值计算和模型试验的方法分别研究了低扬程立式泵装置常用的肘形、钟形和簸箕形等三种形式进水流道的基本流态,给出了表达这三种形式进水流道水力性能的主要指标。结果表明:三种形式进水流道都可为水泵叶轮室进口提供良好的进水流态,但流道水力损失差别较大;肘形进水流道流态简单、水力损失小,钟形和簸箕形进水流道的流态较复杂、水力损失较大;对于年运行时数较多的大型泵站,宜优先选用水力性能最好的肘形进水流道。     

大型双向流道泵装置优化与试验研究

双向进出水流道泵装置可以同时满足引、排水功能,被广泛应用于沿江滨湖地区。但是由于双向进水流道形状功能的特殊性,进水喇叭管型线和悬空高度的匹配直接影响到流道出口水流的流态,严重影响泵装置的效率和运行稳定性。本文共设计了6种喇叭管高度,并通过不同喇叭管高度对水力损失、出口流速均匀度以及出口水流平均偏流角的影响,选择了最优喇叭管高度。对优化后的泵装置模型进行全流场计算,验证优化后的进水流道与水泵匹配性。对优化后的泵装置模型进行外特性试验。试验结果表明,计算结果与试验值吻合较好,优化后的泵装置在不同工况下均可以稳定运行,最高装置效率可达76%,达到或接近单向立式泵装置的效率水平。     

45°斜式轴流泵装置的流动特性分析与实验

基于三维不可压缩流体的雷诺平均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,采用CFX软件计算了对某一45°斜式轴流泵装置在额定转速下210 L/s~370 L/s流量范围内多个工况点的内部。分析了进、出水流道的流动特性,重点研究了旋转叶轮对进、出水流道内流场及水力性能的影响,预测了泵装置的水力性能。通过计算得出泵装置的水力性能,并与泵装置模型试验结果比较,表明斜式轴流泵在低扬程泵站中具有较优的性能特性。研究结果对低扬程泵站的水力设计具有重要的参考价值。更多还原     

H/D值对肘形进水流道水力特性影响的数值模拟

水泵叶轮中心线到进水流道底板的距离H与水泵叶轮直径D之比值(H/D),是进水流道的一个重要的设计参数,直接影响到泵站工程土建投资和水泵装置性能。本文采用有限体积法和非结构化网格,数值模拟了大型泵站肘形进水流道内部流场,并以水泵进口水流条件为目标函数,分析了不同H/D值对其水力特性的影响。计算结果表明,H/D值对肘形进水流道出口水流轴向流速分布均匀度影响较小,但随着H/D值的减小,流道的水力损失迅速增加,出口水流偏流角迅速增大,对水泵的进水条件产生不利影响,是制约H/D值进一步减小的重要因素。     

辐条控制技术对竖井贯流泵马鞍区水力特性影响的数值模拟

基于非定常雷诺时均(URANS)方法,采用曲率修正的SST k-ω湍流模型,对竖井贯流泵内部流场进行非定常计算,研究辐条控制技术对不同工况下竖井贯流泵水力性能以及水泵叶轮进口流场和压力脉动特性的影响。结果表明:在设计工况下,辐条控制技术对竖井贯流泵的水力性能和叶轮进口流场、压力脉动特性的影响不大;在马鞍区工况下,竖井贯流泵叶轮前进水流道的轴向速度降低,速度环量增大,并随着流量减小而产生大范围回旋流,造成进水流道堵塞,引起低频压力脉动幅值增大;辐条控制技术可有效抑制回旋流的强度,提高叶轮入流的均匀度,降低压力脉动幅值,有效改善竖井贯流泵马鞍区工况的水力性能。     

泵站钟形进水流道吸水室后壁形状的研究

基于三维不可压缩流体的雷诺平均N-S方程和RNGk-ε紊流模型,对矩形、半圆形和"ω"吸水室后壁形状的钟形进水流道泵装置进行了三维紊流数值模拟,并分析了钟形进水流道后壁形状对泵装置水力特性的影响。相同流量下,"ω"形吸水室进水流道流线分布最规则,漩涡比其他形状的进水流道小,"ω"形吸水室进水流道水力损失比矩形吸水室进水流道小1cm;出口断面的流速均匀度达到93%,比矩形和半圆形吸水室进水流道高约2个百分点;出口断面速度加权平均角度达到83.5°,比矩形吸水室进水流道高0.6°,比半圆形吸水室进水流道高0.2°;泵装置运行高效区流量范围比半圆形的拓宽了7.3%,比矩形的拓宽了30%。该研究对于完善泵站钟型进水流道吸水室优化设计具有一定意义。     

泵站“S”型进、出水流道优化设计研究

为提高王道泵站泵装置的效率和运行稳定性,本文通过CFD软件对不同流道设计方案的流态进行模拟计算,根据模拟计算结果评价、比选流道方案。模拟计算结果较好地揭示了不同方案泵装置的外特性及内流性能,通过对比可以发现：经优化后的泵装置进、出水流道无漩涡、脱流等不良流态;水泵叶轮进口断面流速均匀度经优化后达96.45%,流速加权平均角达86.87°;泵装置水头损失较小且仅为0.419 m,装置水力效率高达78.1%。经优化后的泵装置效率高、运行稳定性好,各项水力性能指标均达到同类型国内泵站的先进水平,优化过程可以为同类型泵站的设计选型提供参考和指导。     

立式轴流泵装置进出水流道多方案优选

为了提高立式轴流泵装置的水力性能,基于雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型,采用CFD技术对轴流泵装置肘形进水流道和虹吸式出水流道进行多方案的数值优选,获得了不同方案各流量工况时流道的内流场和静压分布图,对比分析了不同方案进出水流道的水力损失。结果表明:在叶片安放角为-4°,最优工况Q_d=214.3 r/min时,肘形进水流道加长1.0 m,流道最低点高程下降0.2 m为优选方案,进水流道出口流速均匀度最高,水力损失相对较小;虹吸式出水流道长度不变,驼峰位置不变,驼峰高度降低,流道出口流速加大,流道出口底部高程抬高0.45 m为优选方案,该方案消除了虹吸式出水流道下降段的回流现象,同时水力损失相对较小。     

中隔墩对大型泵站进水流道水力性能的影响

运用数值计算和模型试验相结合的方法,研究了在进水流道进口水流方向偏斜时,中隔墩对进水流道水力损失及流道出口断面的水流均匀度、水流入泵平均角度的影响,并对影响机理进行了初步分析。研究结果表明:在进水流道中设置中隔墩对进水流道的流态影响较小,设计流量时的流道水力损失增加约0.005m;当前池存在横向流速时,中隔墩对改善进水流道内的流态是有利的;进水流道水力损失的增加主要是由于隔墩的存在减小了过流面积,使得水流流速增加所引起的。数值计算和模型试验的结果基本一致。     

基于CFD方法的竖井贯流泵装置进出水流道优化设计

运用计算流体动力学方法,基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,针对通吕运河水利枢纽工程贯流泵装置特征扬程和设计参数对全流道进行数值模拟,在给定的水位资料和土建控制尺寸范围内,对竖井贯流泵装置进、出水流道进行了CFD分析和水力设计优化。通过对三种不同竖井宽度的进水流道内部流态分析、水力损失计算和泵装置效率预测,优选竖井最大宽度确定为5.4 m,该方案设计工况下进水流道水力损失为0.053 m。通过对三种不同出水流道设计方案内部流态分析、对水泵的效率影响和水力损失计算,上翘角对直管出水流道内部流态、水力损失和泵装置效率产生一定的影响,对比分析采用底部上翘角为3.56°的直管式出水流道具有较优的水力性能,且采用该方案时挡土翼墙高度可减少约1 m。竖井贯流泵装置内流CFD分析与进出水流道优化设计可为同类型泵站的设计提供优化参考。     

叶轮直径对立式泵装置流道水力损失的影响

采用数值计算的方法，分别计算了与不同叶轮直径的立式轴流泵配套使用的肘形进水流道和虹吸式出水流道在一定设计流量下的水力损失，并采用模型试验的方法对流道水力损失数值计算的结果进行了验证，得到了叶轮直径对流道水力损失具有显著影响的明确结论；在流道水力损失研究结果的基础上，为便于对具有不同叶轮直径和不同设计流量泵装置的流道水力损失进行较为客观的比较和评价，提出了名义平均流速的概念。     

泵站斜式进水流道水力特性试验

由斜式进水流道模型水力特性试验得到了进水流道的水力损失和出口流场的分布，分析了进水流道出口流场对水泵及其装置性能的影响。     

基于全模拟的水泵装置模型虹吸出水流道水力特性分析

虹吸式出水流道是大型泵站出水流道的主要形式之一,由于实际工程地形条件的限制,南水北调东线水源工程江都一站所采用的虹吸出水流道在工程设计中并不常见。针对江都一站泵装置模型虹吸出水流道,通过CFX软件对该泵装置全流道进行数值模拟,研究虹吸出水流道内部水流的运动特性、预测水力性能。计算结果表明管路水头损失主要来自于弯管段的水头损失,从出水流道进口至出水流道出口涡量呈现下降趋势,但是在出水流道出口,由于截面面积过大导致出口截面速度分布不均且引起了涡量的增加。对该泵装置进行外特性预测得到的结果与试验数据的整体趋势基本一致,表明计算结果真实可信。