轴流泵装置模型试验压力脉动特性研究

结合南水北调某轴流泵装置模型试验,研究了泵站机组的压力脉动情况。研究表明：设计工况时,压力脉动的频率脉动相对幅值较小,一旦偏离设计工况,随着扬程的减小,脉动相对幅值增大,叶轮进口处存在比较明显的压力脉动,叶轮出口处压力脉动相对幅值比进口处减小,出水流道处的压力脉动相对幅值比叶轮出口处又有所增加。在小扬程工况下,压力脉动的频率值以叶片通过频率为主;在大扬程工况下,由于泵内湍流强烈的不规则运动,低于1倍叶片通过频率的低频脉动会随着流量的减小幅值越来越大并占据主导地位。     

不同空化条件下轴流泵反向发电压力脉动特性研究

以南水北调某泵站为模型,对该泵站大型轴流泵反向发电发生空化条件现象进行全流道数值模拟。对反向发电工况下空化现象进行定常与非定常研究,并与试验结果做比较,得出了水泵反向发电时发生不同空化条件下的气泡体积分布规律,并预测了叶片发生空化的发展特性。在反向发电工况下对三个监测面的压力脉动进行研究,得出压力脉动幅值在导叶进口处最小,转轮出口处幅值最大,约为转轮进口处7倍,水流受转轮转动影响严重,主频为转频。不同空化数下转轮前后的压力脉动幅值随着空化系数减小而增大,压力脉动主频不受空化系数影响。空化数越小,叶片受到的径向力减小,轴向力增加,加剧转轮的不稳定性。为确保轴流泵反向发电运行的稳定与高效,应使得装置在较高的空化系数下运行。     

混流式水轮机大负荷压力脉动模型试验研究

混流式水轮机涡带压力脉动是引起水电机组剧烈振动的主要水力因素之一,其关注重点是低负荷偏心涡带,对大负荷直涡则研究较少.但是,在部分水电站大负荷压力脉动很严重,有的甚至引起尾水管底板撕裂、转轮掉块等问题,严重影响电站运行安全.本文重点介绍了某混流式模型水轮机进行大负荷压力脉动试验的方法及结果.试验过程中,在测量压力脉动的...     

水下航行体壁面脉动压力的大涡模拟研究

湍流壁面脉动压力是重要的水动力噪声源,开展相应的计算与试验研究十分必要。作者在大涡模拟的理论框架下,结合精细网格生成技术,对于水下航行体的壁面脉动压力进行了数值预报。首先,详细描述了所使用的大涡模拟方程与动态Smagorinsky亚格子模型,介绍了离散求解的数值方法。其次,利用大涡模拟计算了SUBOFF模型主体与附体上的表面压力分布,并利用试验结果进行了验证,分析了大涡模拟方法计算定常流动的可靠性。再次,计算了平板的湍流壁面脉动压力,并与CSSRC的消音风洞试验结果进行了对比,分析了大涡模拟方法计算非定常流动的可靠性。最后,对于水下航行体模型主体上三个位置与围壳上四个位置处的壁面脉动压力进行了大涡模拟,得到了脉动压力1/3OCT频谱,分析了频谱高频与低频特性以及衰减特性,并用试验结果进行了验证。研究表明,本文建立的水下航行体壁面脉动压力的数值预报方法是可靠的。     

混流式水轮机压力脉动特性研究

为探究不同长短叶片比例对混流式水轮机压力脉动特性的影响,基于流场数值模拟的计算方法,对不同长短叶片比例的混流式水轮机进行全流道三维非定常湍流计算。计算结果表明,混流式水轮机内部的压力脉动主要由转轮和导叶的动静干扰以及尾水管的低频压力脉动所致;当短叶片出口离转轮旋转轴最近点处与长叶片直径之比为0.6时,混流式水轮机效率最高,为92.66%,且该混流式水轮机各过流部件对应的压力脉动幅值以及振动幅值也最小,水力稳定性最好。对研究背景、计算方法与步骤,以及计算结果的分析等情况均作了较为详细的介绍。     

尾水管压力脉动试验分析

借助于模型转轮流态观测系统，对模型转轮尾水涡带宽度的变化规律进行了研究，并与压力脉动测量值进行了比较，研究试验中各工况参数，涡带宽度，压力脉动之间的关系，从而进一步分析水轮机的振动特性，其中发现了尾水压力脉动平缓区现象，这在研究水轮机的水力振动现象中还是新发展。     

单气泡在压力脉动场中运动的数值计算

本文对地均匀规则脉动场中的单气泡运动进行了数值计算，采用不做线化假定而直接对文献[1]中提出的气泡在自由流场中运动的控制方程进行计算，得出了一些很有意义的结论。     

叶顶间隙对轴流泵轮缘泄漏流动影响的大涡模拟

为揭示不同尺寸叶顶间隙下轴流泵轮缘区湍流特征,采用大涡模拟方法对轴流泵在设计流量下的内部非定常流动进行了数值计算,分析了5种叶顶间隙下泵轮缘间隙区的流场结构。通过泵外特性参数预测值与实验结果的对比,证实本文所提出的方法可较准确反映泵内流动特征。结果表明:随轮缘间隙增加,泵扬程、功率和效率均呈下降趋势;叶顶间隙内泄漏流速度沿径向逐渐增大;随间隙尺寸增加,轮缘间隙主泄漏涡强度及与叶片夹角均增大,泄漏涡的非稳定性增强;当间隙δ/D2大于1.0‰,间隙主泄漏涡发展至相邻叶片正面;当δ/D2大于1.5‰,叶顶间隙内出现间隙分离涡,间隙区形成多个次泄漏涡,其影响范围随间隙尺寸的增加而增大。     

消力池导墙脉动压力特性的研究

通过对泄洪底孔平底消力池中六种导墙型式与三级流量的模型试验成果的分析,初步获得了消力池导墙脉动压力沿水流方向和沿水深方向的分布规律、导墙型式与其脉动压力之间的关系、脉动频率的统计特性及紊动比尺。同时介绍了部分原型观测资料。     

关于水轮机尾水管涡带压力脉动的允许值

水轮发电机组部分负荷时，尾水管压力脉动是反映水轮机水力稳定性的重要指标．这种压力脉动的允许值方案，也说明了用△H／H判断原型水轮机的振动稳定性的局限性和不确定性，还提出了在进行模型水轮机验收试验及利用本方案进行稳定性评价时需注意的问题．     

蜗壳式混流泵压力脉动特性研究

基于雷诺时均方程和RNG k-ε湍流模型,应用SIMPLE算法,对混流泵内部流场进行非定常数值模拟,分析不同工况监测点上压力脉动的时域特性和频域特性。取定常计算的外特性与实验值对比,对比结果为不同工况的扬程偏差均小于5%,证明该数值模型能准确地描述泵内流场特征。结果表明:叶片进口处水流冲击产生的回流和漩涡是引起叶轮内压力脉动的主要动力源,叶轮与蜗壳间的动静相干作用是产生蜗壳内压力脉动的主要动力,并且在向下游传播过程中,压力脉动逐渐减弱,叶频占主导地位,在小流量工况运行时,主频有向叶轮转频迁移的趋势,大流量工况下最大压力脉动发生在转轮中间位置;叶轮内的压力脉动要远远高于蜗壳,这是引起机组振动和噪声的主要来源。     

离心泵蜗壳内压力脉动特性数值分析

为揭示离心泵蜗壳流道内的压力脉动变化规律,采用雷诺时均方法(RANS),对3种工况下的离心泵内部三维非定常湍流流场进行数值计算,分析同一蜗壳断面不同位置以及沿蜗壳周向不同点的压力脉动特性。结果表明:蜗壳流道内具有非常明显的压力脉动,在各种工况下压力脉动的主频均是叶片通过频率;同一蜗壳断面上的压力脉动从蜗壳底部到蜗壳背面先减小后增大,蜗壳底部监测点的高频脉动成分较多;沿蜗壳周向,随着圆周角的增大,压力脉动减弱,隔舌附近压力脉动幅度最大,且高频脉动成分明显增加。     

后置灯泡贯流泵压力脉动特性数值模拟

为研究不同工况下某南水北调泵站后置灯泡贯流泵叶轮导叶压力脉动规律,通过计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD)对偏流量、偏水位工况叶轮导叶区压力脉动进行计算与分析,结果表明：叶轮导叶区压力脉动时域图周期性明显,叶轮叶片个数对压力脉动主次频有一定影响,叶轮导叶区主次频均为整倍数叶频,叶轮导叶区压力脉动幅值整体从轮缘到轮毂呈减小趋势,叶轮区的压力脉动幅值明显大于导叶区。非设计水位工况下叶轮导叶区压力脉动幅值略大于设计工况,主次频未发生明显变化;非设计流量工况中小流量工况与大流量工况压力脉动幅值均大于设计工况,各个监测点的小流量工况压力脉动幅值为设计工况的2~3倍,且在此工况下低频脉动明显。可见非设计工况运行对机组压力脉动幅值的影响较大,长期在非设计工况下运行严重影响机组运行效率,泵站运行应尽量避免非设计工况运行的情况。研究结论可为泵站日常运维和研究异常水力振动提参考。     

UNSTEADY FLOW ANALYSIS AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF AXIAL-FLOW PUMP

The three-dimensional unsteady turbulent flow in axial-flow pumps was simulated based on Navier-Stoke solver embedded with k-ε RNG turbulence model and SIMPLEC algorithm.Numerical results show that the unsteady prediction results are more accurate than the steady results,and the maximal error of unsteady prediction is only 4.54%.The time-domain spectrums show that the static pressure fluctuation curves at the inlet and outlet of the rotor and the outlet of the stator are periodic,and all have four peaks and four valleys.The pressure fluctuation amplitude increases from the hub to the tip at the inlet and outlet of the rotor,but decreases at the outlet of the stator.The pressure fluctuation amplitude is the greatest at the inlet of the rotor,and the average amplitude decreases sharply from the inlet to the outlet.The frequency spectrums obtained by Fast Fourier Transform(FFT) show that the dominant frequency is approximately equal to the blade passing frequency.The static pressure on the pressure side of hydrofoil on different stream surfaces remains almost consistent,and increases gradually from the blade inlet to the exit on the suction side at different time steps.The axial velocity distribution is periodic and is affected by the stator blade number at the rotor exit.The experimental results show that the flow is almost axial and the pre-rotation is very small at the rotor inlet under the conditions of 0.8 QN -1.2 QN.Due to the clearance leakage,the pressure,circulation and meridional velocity at the rotor outlet all decrease near the hub leakage and tip clearance regions.     

用大涡模拟方法计算尾水管内非定常周期性湍流

本文运用大涡模拟-双方程模型进行尾水管内部非定常周期性湍流计算。而且本文对尾水管复杂计算域的网格划分，提出一种更加合理的多块结构网格。计算结果用波形显示了尾水涡带和压力脉动的主要性质和运动特征。     

自吸泵内能量损失及非定常流动特性研究

自吸泵由于其特有的气液分离腔和回流孔结构使得其内部流动更为复杂,本文针对自吸泵内能量损失及非定常流动特性开展实验和数值研究。通过开展模型泵水力性能实验,发现数值计算结果与实验结果具有较好一致性。利用熵产理论和Q准则定量分析了不同工况下自吸泵内不同区域的能量损失特性及涡核分布特征,结果表明:泵内熵产分布特征与水力损失分布特征基本一致,叶轮、蜗壳和气液分离腔是自吸泵内能量损失的主要区域。蜗壳内部的压力脉动强度在靠近隔舌区域较大,蜗壳中段处变弱,蜗壳出口扩散段处又进一步增强。在小流量工况下,叶轮和蜗壳内部涡核分布面积较大,涡核主要分布在叶轮的进口处和出口处。     

绕方柱流脉动压力场的大涡模拟

采用有限差分法，对雷诺数为22000的绕方柱流的脉动压力场进行了三维大涡模拟。采用时间分解算子法，将N－S方程分为对流分步、扩散分步和传播分步，再分别进行计算，在大涡模拟中，用两层模型处理Smagorinsky模型在近壁区模拟结果的发散问题。计算的压力场以及阻力系数、升力系数和Strouhal数均与试验结果较为吻合。     

混流式水轮机尾水管非定常流动模拟及不规则压力脉动预测

混流式水轮机尾水管内螺旋形涡带引起的压力脉动是造成混流式水轮机组振动的主要根源之一,严重威胁机组的安全运行.本文基于CFD技术对一大型混流式水轮机尾水管压力脉动进行了数字化预测,文中首先对该水轮机在典型偏工况下尾水管的内流进行了长时间非定常计算,然后详细讨论该工况下尾水管内死水域与涡带的运动规律,并预测了尾水管的不规则压力脉动,最后对压力脉动预测值进行了分析,结果表明其波形、频率、相位与实际基本一致,证明文中压力脉动的预测方法是可行的.     

流道喷涂对双吸离心泵压力脉动特性影响研究

流道喷涂技术能有效提高水泵过流部件抗磨损能力并降低水力损失,但其对压力脉动特性的影响并不明确。本文采用试验的方法,对一双吸离心泵流道喷涂前后的压力脉动进行同台测试,并分析了混频幅值和频谱特性。结果表明:流道喷涂处理降低了流道粗糙度,减小了水力损失,提高了效率,但同时也改变了水泵固有的压力脉动特性。对于吸水室,喷涂处理缩小了压力脉动稳定区的范围,使小流量工况区的压力脉动峰峰值达到喷涂处理前的2.8倍,加剧了水泵在小流量工况下运行的不稳定性。对于压水室,喷涂处理使靠近隔舌区域在小流量区的压力脉动明显增加,使远离隔舌区域在大流量区的压力脉动增加。而在设计流量区域,喷涂对各个位置压力脉动影响不明显。为了使喷涂技术发挥综合效果,保证水泵运行稳定,应该尽量避免喷涂后的水泵在偏离设计流量工况运行,特别是严格避免水泵在低于0.75倍设计流量工况运行。     

直导叶几何参数对双向泵内流场及水力性能的影响

直导叶因其易于加工而广泛应用于轴流式叶片机械。为研究直导叶内的流动特性及其设计方法,以高比转速双向泵为研究对象,基于全结构化网格,采用SST k-ω湍流模型分析了加直导叶时泵内流动损失机理及直导叶几何参数对泵外特性和内流场的影响,总结了直导叶的设计方法。结果表明:直导叶弦长和叶片数增加会扩大发生流动分离的区域,形成大尺度回流;减小导叶-叶片轴向间距会增大直导叶进口冲角,加大分离强度,因此应在结构强度允许的情况下尽可能减小弦长及叶片数并适当增加轴向间距。研究结果可为轴流式叶片机械的直导叶设计提供一定参考。