轴流泵直管式出水流道内流场数值模拟及PIV测试

为了研究轴流泵装置直管式出水流道结构变化段内部流动特性,采用数值模拟结合PIV流场测试技术,分析了不同工况下直管式出水流道结构变化段进出口面的速度环量,以及特征截面的速度及流线的变化规律;定量分析了不同工况下,直管式出水流道进口面各监测点的速度脉动时域及频谱特征。结果表明:直管式出水流道结构变化段的流量比与流道进口面平均速度环量,均随流量的增加呈先减小后增大的趋势。从出水流道结构变化段出口面平均速度环量分析,中隔墩对出水流道内流场的调整效果随工况的不同而有明显差异。不同工况下出水流道进口面各监测点的速度脉动主频均为0.5倍转频。数值计算和PIV流场测试获得的直管式出水流道内部测试区的流线及速度云图的整体趋势相同。     

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。     

灯泡贯流泵装置的优化水力设计

采用CFD理论应用Fluent软件对某低扬程泵站灯泡贯流泵装置进行了三维湍流数值模拟及其优化水力设计,并采用透明流道模型试验验证了该优化设计.研究结果表明:灯泡贯流泵进、出水流道的控制尺寸及过流边界的形线对贯流泵装置的水力性能具有较为明显的影响;借助于三维湍流数值模拟方法可逐步优化其水力性能,且在设计流量下工作时的流道水力损失可控制在较小的范围内.前置灯泡贯流泵装置具有更好的水流条件,其水力 性能优于后置灯泡贯流泵装置.采用数值模拟得到的贯流泵装置流道的内部流态及其水力损失与流道模型试验得到的结果基本一致,表明采用数值模拟方法得到的灯泡贯流泵装置优化水力设计的结果是可信的.     

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。     

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。     

喇叭口圆角对湿定子贯流泵装置的影响

为探究不同进水流道喇叭口圆角半径对湿定子贯流泵装置的影响,该文以一台比转速ns=850的湿定子贯流泵装置为研究对象,对不同喇叭口圆角半径下的进水流道进行数值分析,并预测泵装置的性能,研究结果表明:喇叭口圆角处的压力值最小,随着圆角半径的增大,低压区域的面积减小,进水流道水力损失减少;圆角半径减小到一定程度会影响进水流道的流态,产生漩涡;增加喇叭口圆弧半径到60mm,泵装置的扬程变化不大,效率提升0. 75%。     

灯泡贯流泵流道模型水力损失的测试

为了配合某大型泵站贯流泵装置的优化水力设计研究工作,本文提出了设计专用模型试验装置,将贯流泵装置进水流道和出水流道从水泵装置模型中分离出来分别进行模型试验及水力损失测试的方法。介绍了新方法所采用的测试装置及测试设备、试验准则、水力损失计算方法等有关问题。采用本文的方法对某泵站前置灯泡和后置灯泡贯流泵的进、出水流道分别进行了模型试验,测试了流道水力损失。试验结果表明:采用新方法进行贯流泵进出水流道水力损失的测试,可以较为方便地得到准确的结果;贯流泵装置进、出水流道的水力损失与灯泡布置的位置密切有关。     

灯泡贯流泵装置的基本流态分析

为了回答灯泡贯流泵装置中的灯泡体究竟应该前置还是应该后置的问题,应用水泵装置三维湍流数值模拟的方法分别研究了南水北调东线工程某泵站前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置两个不同方案的流态,揭示了前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置的基本流动属性;数值模拟的结果得到流道模型试验的验证。研究结果表明:前置灯泡贯流泵装置的进、出水流态均匀平顺,水力损失较小;后置灯泡贯流泵装置的进水流态均匀平顺,但出水流道内存在明显的偏流和旋涡流动,水力损失较大;灯泡体前置符合水力学的基本原理,是获得最佳灯泡贯流泵装置水力性能的必要条件之一。     

箱涵式泵装置的数值模拟研究

采用基于CFD数值模拟计算研究箱涵式泵装置的水力性能,对泵装置不同流量工况点进行数值计算并分析。结果表明:在设计工况下,泵装置运行效率较高,最高效率可达到70.04%,对应的扬程为1.736m,最高运行扬程与最优运行扬程比值达到2.3,说明了该箱涵式泵装置非常适用于扬程变化较大的泵站,同时进水流道的水力损失随着流量的增加而增大,出水流道的水力损失随着流量的增加先减小再增大,在设计工况附近出水流道水力损失最小。     

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。     

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。     

基于熵产理论的竖井贯流泵流动损失特性

为了研究竖井贯流泵流动损失特性,基于URANS方法,采用FBM-CC湍流模型对竖井贯流泵内部流场进行了非定常计算,并利用熵产理论对不同流量工况下竖井贯流泵各部件的流动损失特性进行了定量分析。结果表明:FBM-CC湍流模型能够有效预测竖井贯流泵水力性能,与试验结果较为吻合;竖井贯流泵流动损失从大到小依次为叶轮段、出水流道、导叶体、进水流道;叶轮段能量损失的主要来源是湍流耗散,其熵产比率最高可达92%;涡流和流动分离导致出现局部高熵产区域;临界失速工况叶轮轮毂处存在大量涡流,轮缘处流动相对较稳定;深度失速工况受叶顶间隙泄漏流影响,叶轮进口轮缘处出现流动分离,随着流量进一步减小进水流道流态受到影响,叶片前缘出现分离涡。     

前置竖井式贯流泵装置水力设计标准化可行性研究

前置竖井式贯流泵装置具有水力性能优异、结构简单、电机通风散热条件较好、安装检修较方便和投资较少等优点,近10年来已在低扬程泵站得到十分广泛的应用。为保证前置竖井式贯流泵装置水力设计水平和提高泵站建设质量,提出对前置竖井式贯流泵装置水力设计进行标准化研究。分析了前置竖井式贯流泵装置水力设计标准化的有利条件:(1)前置竖井式贯流泵装置进水流道、竖井和出水流道主要控制尺寸相对值的离散性较小;(2)与前置竖井式贯流泵装置配套应用的4种水泵模型主要尺寸相同;(3)基于CFD的低扬程泵装置进、出水流道优化水力设计理论及方法已较为成熟。因此,对前置竖井式贯流泵装置进行水力设计标准化是可行的。     

轴伸贯流泵装置数值模拟及性能分析

基于标准k-ε紊流模型,雷诺时均N-S方程,运用流体计算CFD软件对卧式轴伸贯流泵装置进行三维流动数值模拟及水力性能分析,计算分析了初始方案、改变水泵安装高程和进出水流道各断面尺寸3个方案的装置水力性能。结果表明这3种方案的水力性能变化很小。最后以方案一为基础对不同流量工况进行全工况装置水力性能计算,并分析了不同流量工况下轴伸贯流泵装置的水力性能变化,该研究可为同类型泵装置的优化设计提供参考。     

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。     

竖井贯流泵装置流道水力性能分析

针对竖井贯流泵装置中,进、出水流道水力损失所占比重较大的问题,通过分析泵装置流道的三维数值模拟结果,对流道型线进行了优化设计,获得了水力性能较好的型线方案。结合模型试验结果,表明流道型线优化后的水泵装置效率较高,具有较好的水力性能。     

低扬程灯泡贯流泵水力特性及内部流场数值模拟

为了更加深入地研究灯泡贯流泵及其后置导叶的水力性能,采用CFD方法,借助于RNG k-ε湍流模型,应用SIMPLIEC算法,对灯泡贯流泵装置全流道进行了数值模拟,分析了其在4种特殊流量工况点下机组后置导叶的流动特性,研究了灯泡贯流泵的内部流动特征。结果表明:在最优工况点时,泵装置的内部流态较好,水流平直顺畅,导叶的导流作用最好;在小流量工况下,泵叶轮进口处出现了大范围的回流、漩涡区,叶轮出口处出水流的流态紊乱,相邻叶片翼型周围有明显的回流区,后置导叶翼型周围的流态紊乱,存在大范围的不良流态区域;在大流量工况下,叶片周围流态较好,出水流态内的回流区较少,但导叶周围的流态较差。可见,后置导叶对叶轮出口处水流的导流作用明显,偏离最优工况时,导叶区的水力损失较大。     

虹吸式出水贯流泵装置结构特点及对比试验研究

广泛应用于低扬程和特低扬程泵站的贯流泵装置,传统设计基本采用平直管出水的结构型式。针对城市防洪泵站扬程低、年运行时间短、安全性和可靠性要求高的特点,提出了5种新型虹吸式出水流道的贯流泵装置结构型式,它们具有结构简单、断流可靠、安装检修方便、维修和养护成本低等优点。在保持模型泵不变的情况下,采用CFD数值模拟技术,进行了不同结构型式的虹吸式出水贯流泵装置数值分析、优化水力设计和性能预测。根据优化设计结果,在高精度试验台上进行了虹吸出水和直管出水的竖井贯流泵装置模型对比试验。试验结果表明,两种竖井贯流泵装置的水力性能基本接近,平直管出水和虹吸式出水都是合适的低扬程泵站出水流道结构型式;在特低扬程情况下,采用虹吸式出水流道的泵装置结构型式具有更明显的优势。     

低扬程泵装置水力损失及水力设计流程分析

水力损失计算是泵装置性能预测的基础,文中给出了低扬程泵装置各过流部件水力损失计算公式,指出非设计工况下进水流道损失修正和出水流道环量损失的概念,有助于理解泵段性能与泵装置性能的差异。系统总结了基于性能预测和流动分析的低扬程泵装置水力设计流程,对南水北调泵站设计和建设具有一定的指导意义。     

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。