水泵水轮机在水轮机工况下导叶水力矩试验研究

为分析水泵水轮机在水轮机工况下导叶水力矩大小及其变化规律,针对国内某抽水蓄能电站的水泵水轮机模型,基于电测应力分析方法,对活动导叶轴进行特殊加工处理,分别进行水轮机工况下同步导叶和非同步导叶的水力矩试验。对试验结果分析得出:在不使用非同步导叶时,随着导叶开度的增大所有被测导叶的导叶水力矩因数变化保持一致,并且水力矩的方向从导叶关闭方向逐渐转向导叶开启方向;设置10~#导叶为非同步导叶后,在非同步导叶开度与同步导叶开度值相差小于16.4%时,被测导叶的水力矩因数趋于均匀分布,差值大于16.4%时随着开度值的增大水力矩急剧增大,并且不同导叶的水力矩因数差别较大。     

基于CFD的水泵水轮机水泵工况驼峰性能评判研究

以两个水泵水轮机模型转轮为研究对象,联合分析了单流道计算结果与模型试验结果,形成了不同转轮方案“驼峰”性能比较的CFD评判方法,对水力设计时“驼峰”性能的优化提供了理论指导,同时对转轮和活动导叶在压力系数“转折点”和“驼峰”谷点工况下进行了内部流态分析,对“驼峰”现象的产生原因有了更加深入的了解。结果表明：转轮对比时,压力系数“转折点”流量系数越小,模型试验得到的“驼峰”谷点流量系数越小,压力系数越高,“驼峰”裕度越大;活动导叶近顶盖区域的不稳定流动是单流道计算时压力系数曲线出现“转折点”的主要原因;转轮内部分流体从低压边近上冠侧向高压边近下环侧的流动导致活动导叶近底环区域产生复杂的紊流,严重堵塞了流道,导叶的过流能力下降,是水泵工况出现“驼峰”现象的内因。     

水泵水轮机导叶间不同周向偏距对水力效率的影响研究

通过三维定常数值模拟方法,分析混流式水泵水轮机导叶间不同周向偏距RCP对水力效率的影响研究。选取9种不同的周向偏距RCP,对4种不同工况的计算,得到周向偏距RCP对水泵水轮机各工况效率影响规律。考虑机组设计工况和非设计工况下机组性能,周向偏距RCP在0-4/18之间比较合理。周向偏距RCP的变化引起水力效率下降的因素为:造成活动导叶出口处速度分布不均匀,进而活动导叶出口后的过流部件流速分布不均匀使得损失增大,导致水力效率降低。     

运行工况对多沙河流水轮机导叶区磨损影响研究

多沙河流上具有调峰功能的水轮发电机组运行工况转换非常频繁,水轮机经常偏离最优工况运行,导致活动导叶磨损破坏严重。为揭示运行工况对水轮机活动导叶区域固液两相流动规律的影响,建立了黄河某多沙电站原型水轮机全流道三维水体模型,采用欧拉-欧拉两相流模型和RNG k-ε湍流模型对水轮机不同出力工况进行了固液两相流数值模拟计算,对不同运行工况下导叶区域的压力、流速、含沙量等进行了分析。结果表明：含沙水流会使导叶区域最小压力减小,从而增加空化发生机率;出力工况对导叶区固液两相流动影响较大,随着水轮机出力减小,导叶区最大流速反而增大,活动导叶迎水面与背水面的速度差也逐渐增大,小出力工况下,座环靠近鼻端位置高泥沙浓度区域扩散变大,活动导叶表面泥沙浓度由顶端至底部逐渐增加,活动导叶头部位置泥沙浓度最高。研究结果能够为预测多沙河流水轮机活动导叶易磨损位置和研究抗磨蚀对策提供技术支撑。     

运行工况对水轮机活动导叶表面泥沙浓度分布的影响

采用标准k-ε模型对水轮机内部沙水流动进行数值模拟,研究了不同工况下映秀湾电站活动导叶泥沙分布情况.研究结果表明,活动导叶磨损主要集中在头部且工作面比背面磨损量大,泥沙颗粒在活动导叶底部有堆积.活动导叶泥沙绕流速度分布规律相似,并随着出力的增加头部绕流速度明显增大.     

水轮机导叶漏水量计算

在水轮发电机组检修前都要测量导叶在关闭状态下的漏水量,以便评定其检修工作量;检修后也要测量一下漏水量以检查检修质量;同时也便于确定机组在停机工况下的耗水量和检查快速闸门的启闭状态。 本厂导叶漏水量以往采用容积法测量,但结果误差较大,无法比较验证。采用计算导叶漏水量和工作闸门充水阀充水能力计算漏水量,两者差异较大,为了缩小两者差值采用统一计算方法,本文作者经过研究与实测对照提出如下简易计算方法。     

水泵水轮机泵工况旋转失速压力脉动特性及转动机理

水泵水轮机在泵工况部分负荷下运行,叶道内易发生旋转失速,可诱发剧烈的低频压力脉动,严重影响水电站的安全稳定运行。本文采用尺度自适应(SST-SAS)湍流模型对某模型水泵水轮机泵工况进行全流道非定常数值模拟,得到不同工况点下旋转失速引起的压力脉动特性及失速涡团的周向转动机理。结果显示,在40%~80%设计流量下运行时,导叶区发生旋转失速,失速涡团的转动频率为叶轮转频的3.3%~8.1%。旋转失速发展强度越剧烈,转动越慢。旋转失速周向转动的机理是:失速与非失速相邻导叶流道内存在较大压力梯度,在其作用下,失速流道内流体从活动导叶与固定导叶之间通道流向非失速流道,加剧非失速流道内流动分离。被阻碍的水流与无叶区主流叠加流向下一流道,并在活动导叶吸力面进口前缘产生局部低压,导致当前非失速活动导叶流道在进口与出口之间的逆压梯度增强,使流体反向流动,流道产生失速。     

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

为研究水泵水轮机在泵工况下的内部流态变化对压力脉动和转轮叶片受力的影响,采用SAS-SST湍流模型对某一模型水泵水轮机的多个非设计工况进行非定常数值模拟,分析了水轮机内部流态对导叶与转轮之间无叶区、尾水管内的压力脉动和转轮叶片径向受力的影响。结果表明:在流量为40%～80%设计流量时,导叶区内产生旋转失速,转失速涡团初生于固定导叶进口,并随着流量的降低向活动导叶进口发展,且覆盖区域逐渐增大。旋转失速使压力和过流沿周向不均匀分布,导致压力脉动和转轮径向受力波动大幅上升。在40%设计流量时,失速涡团发展最为充分,无叶区压力脉动和转轮受力波动的低频分量幅值最高。旋转失速产生的低频脉动可向尾水管传播,形成的低频压力脉动幅值约为无叶区低频脉动幅值的10%。当流量低于40%设计流量时,导叶区旋转失速消失,复杂的涡结构形成的压力脉动低频成分没有周期性。此外,转轮进口的流动分离使尾水管内产生复杂的回流涡结构,导致尾水管内形成频谱丰富的压力脉动;流量降低使转轮进口回流涡结构的湍动能增加,导致尾水管内压力脉动幅值大幅上升。小流量工况下,转轮进口的涡结构演变是转轮径向力波动的主要影响因素。     

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

为研究水泵水轮机在泵工况下的内部流态变化对压力脉动和转轮叶片受力的影响,采用 SAS－SST 湍流模型对某一模型水泵水轮机的多个非设计工况进行非定常数值模拟,分析了水轮机 内部流态对导叶与转轮之间无叶区、尾水管内的压力脉动和转轮叶片径向受力的影响。结果表明: 在流量为 40% ～80%设计流量时,导叶区内产生旋转失速,转失速涡团初生于固定导叶进口,并随着流量的降低向活动导叶进口发展,且覆盖区域逐渐增大。旋转失速使压力和过流沿周向不均匀分布, 导致压力脉动和转轮径向受力波动大幅上升。在40%设计流量时,失速涡团发展最为充分,无叶区 压力脉动和转轮受力波动的低频分量幅值最高。旋转失速产生的低频脉动可向尾水管传播,形成的低 频压力脉动幅值约为无叶区低频脉动幅值的10%。当流量低于 40%设计流量时,导叶区旋转失速消失,复杂的涡结构形成的压力脉动低频成分没有周期性。此外,转轮进口的流动分离使尾水管内产生复杂的回流涡结构,导致尾水管内形成频谱丰富的压力脉动; 流量降低使转轮进口回流涡结构的湍动 能增加,导致尾水管内压力脉动幅值大幅上升。小流量工况下,转轮进口的涡结构演变是转轮径向力波动的主要影响因素。     

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。     

导叶开度对混流式水轮机压力脉动特性及流动诱导噪声的影响

为研究导叶开度对混流式水轮机压力脉动特性及流动诱导噪声的影响,应用CFD和LMS Virtual Lab软件分别对混流式水轮机在三种导叶开度下进行非定常流场和声场数值计算。结果表明:混流式水轮机内压力脉动主要受到叶片通过频率(108.33Hz)以及低频脉动(4.15Hz)的影响;随着导叶开度的增大,叶频对转轮进口和蜗壳内压力脉动的影响逐渐增加;外场噪声的分布与混流式水轮机的几何轮廓相吻合;尾水管弯肘段有助于减弱混流式水轮机流动噪声声压;导叶开度越大,混流式水轮机辐射出的外场噪声声压值越大,偶极子特性越明显。研究结果可为混流式水轮机组的稳定运行及流动诱导噪声的控制提供参考。     

循环流化床环核结构速度分布PIV测试

利用粒子图像测速仪（PIV）对循环流化床中颗粒流场进行了系统的实验研究。运用适合于高粒子浓度的最小方差法（MQD）图像处理算法得到了截面内典型环核流动颗粒速度矢量场。采用速度矢量场的方法可以确定出环核结构分界。定量上获得了不同时刻颗粒轴向上升和下落平均速度大小及沿床径向分布特性。在统计颗粒轴向上升速度和下落速度代数和基础上,获得了总体上颗粒轴向速度沿床径向在整个截面内形成抛物线型的环核分布规律。     

叶轮与导叶匹配关系对立式离心泵水力特性影响的实验研究

大型含导叶立式离心泵广泛应用于高扬程远距离调水,旋转叶轮与静止导叶动静干涉引起的无叶区内高幅值压力脉动是影响其稳定运行的关键因素.为研究叶轮与导叶匹配关系对水泵水力特性的影响,对3台模型泵开展能量特性与压力脉动同台对比实验,分别监测了进水流道、无叶区和压水室的压力脉动信号,并进行时域和频域分析.结果表明:泵运行流量越靠...     

Experimental study by PIV of swirling flow induced by trapezoid-winglets

The characteristics of the longitudinal vortex induced by trapezoid-winglets in a circular tube are investigated by the Particle Image Velocimetry （PIV） Technique with flow Reynolds number in the range of 500-13 000. In the experimental test section, four trapezoid-winglets are fixed symmetrically on the tube wall in two different ways： up-flow and down-flow. The results show that a counter-rotating vortex pair is formed behind each winglet and they distribute as a symmetrical vortex array in the transverse section. Between the two vortexes in a vortex pair the fluid flows towards the wall in the up-flow winglet case and away from the wall in the down-flow winglet case, corresponding also to the regions of peak values of the velocity components normal to the mainstream. Both of the flow patterns enhance the velocity in the near wall region, leading to the intensification of the transverse mixing and the mass transfer in the tube. With Reynolds number increasing, the flow maintains the vortex pattern in the case of the up-flow winglets, indicating better persistence of the longitudinal vortex, while the vortexes in the case of the down-flow winglets are more scattered and tend to breaking into small eddies. The trapezoid winglet shows the preferable turbulent disturbance characteristics in the tube and the experimental results provide benchmark data for further CFD studies.     

Experimental Research of Flow Structure in A Gas-Solid Circulating Fluidized Bed Riser by PIV

Particle Imaging Velocimetry (PIV) techniques were applied to investigate the particle motion and cluster properties in a gas-solid two-phase flow in a circulating fluidized bed riser. Visual images and micro-structure of various clusters were captured. After the boundary of clusters was determined by the gray level threshold method, clusters were classified by the distance between particles and the shape and position of clusters. In addition, the process of clusters forming and breaking up was described, and the sizes of clusters were also obtained. With the Minimum Quadric Difference (MQD) cross-correlation algorithm suitable for high-density particles, the axial velocities of the particles were obtained in the dilute phase section. The features of particle motion were revealed by investigating statistically the magnitude and distribution of particle axial velocity in the radial direction. At most radial cross-sections, there exists a parabola-shaped distribution of upward axial velocity of particles, namely, the magnitude of axial velocity in the core region is higher than that near the wall region of the riser.     

The flow patterns of bubble plume in an MBBR

The flow patterns of the gas-liquid two-phase flow in a Moving-Bed Biofilm Reactor (MBBR) have a critical effect upon the mass transfer by the convection.Bubble plumes promote unsteadily fluctuating two-phase flows during the aeration.This article studies the unsteady structure of bubble plumes through experiments.The time-serial bubble plume images in various cases of the tank are analyzed.The Recursive Cross Correlation-Particle Image Velocimetry (RCC-PIV) is used to calculate the velocities in those cases, and then the time-serial vortex, the total turbulence intensity, the time-serial streamline are obtained.It is shown that the aspect ratio and the void fraction are the dominant factors influencing the unsteady structure of bubble plumes.When the aspect ratio is unity and the void fraction is high, the bubble plumes see a symmetrical vortex structure with a long residence time, which is beneficial for optimizing the aeration system and enhancing the applied range of bubble plumes.     

内联式脱液器导叶几何参数优化的数值研究

对于低含液浓度的气液两相流,内联式脱液器具有良好的分离性能,导流叶片的几何尺寸是影响内联式脱液器分离性能的重要因素。该文借助ANSYS FLUENT软件,在建立稳定可靠计算模型的基础上,分析了不同导叶个数(6、8和10个)及导叶出口角(25°、30°、40°、45°、50°和55°)对内联式脱液器气液分离性能的影响。数值模拟结果表明:在稀相时,8个导叶的内联式脱液器分离效果最好;在一定条件下,内联式脱液器的分离效率随导叶出口角度的增大而增大,其中当液滴粒径大于30mm且导叶出口角度为45°时,分离效率已接近98%,此时再增大导叶出口角度对分离效率提升并不大,反而会增加压能损失,消耗能量;同时研究还发现当导叶出口角度一定时,脱液器的气体进出口压降随入口速度的增大呈抛物线上升,与局部压降公式吻合,且可以用能量损耗系数K表征内联式脱液器单元运行过程中的能量损耗。