灯泡贯流式水轮机全流道压力脉动数值模拟

采用大涡模拟方法对灯泡贯流式水轮机全流道非定常湍流进行数值模拟,分析了额定工况和小流量工况下的压力脉动特征。计算结果表明:额定工况下,导叶前后、转轮出口的压力脉动主频为叶片频率,振幅最大值出现在转轮出口,尾水管内的压力脉动主频为转轮的转动频率,幅值相对较小;小流量工况下转轮出口产生偏心涡带,涡带旋转导致尾水管内产生低频压力脉动,低频压力脉动由尾水管向上游传递,幅值逐渐减小;额定工况下叶片上监测点的压力脉动频率为转轮转动频率的整数倍,幅值较小;小流量工况下,叶片上监测的点压力脉动幅值显著增大,脉动主频与次主频之和约为转轮的转动频率。     

贯流泵内部压力脉动特性的数值计算

压力脉动是影响贯流泵稳定运行的关键因素之一,本文采用大涡模拟对其内部流场进行分析总结,研究表明：压力脉动主要受叶轮旋转及动静相互干扰的影响;叶轮外缘与壁面间隙的存在,使小部分流体会从高压压力面流向低压吸入面出现回流,而加剧了压力脉动的影响,其幅值为进口压力脉动幅值的38倍;在大流量和小流量下压力脉动幅值均大于设计工况下的压力脉动幅值,导叶的整流特性减弱了叶轮压力脉动的影响;非设计工况下,在叶片进口边处,压力脉动幅频谱幅值最大,水力激振与叶轮旋转的影响相互叠加,在小流量下幅频谱幅值最大约为设计工况的1.5倍,在大流量下约为1.1倍。     

基于弱可压缩的水泵水轮机S区压力脉动分析

高水头水泵水轮机S特性会导致其在水轮机工况并网困难,严重时会引起机组的振动,对电站的安全稳定运行产生不利影响。为了研究水泵水轮机S特性工作区域的压力脉动情况,本文以国内某抽水蓄能电站水泵水轮机为研究对象,对水泵水轮机内部流动进行了全流道定常和非定常数值模拟,并分析了其稳定工况、小转矩工况、小流量工况以及反水泵工况无叶区和尾水管内的压力脉动特性。结果表明:S特性区静压波动比较大;在活动导叶与转轮之间的无叶区,考虑可压缩性的主频均为叶片通过频率,而不考虑可压缩性时,小转矩工况的主频为2倍频;考虑可压缩性的幅值稍大,但无论是否考虑可压缩性,特征幅值都是随着单位流量的减小先增大后减小,同时该区域14fn和21fn等高频压力脉动的幅值较小;尾水管内压力脉动的主频为fn、3fn和4fn,稳定工况的幅值最小,弯肘段和出口段其他工况的幅值为稳定工况的十几倍,与回流涡结构有关。     

S形轴伸贯流泵装置时变湍流场的脉动特性分析

为研究S形轴伸贯流泵装置时变湍流场内部压力脉动规律,应用CFD技术对S形轴伸贯流泵装置流道内部流动开展了三维非定常数值模拟,并将泵装置性能预测结果与模型试验结果进行了对比。获取了3种特征工况(小流量工况KQ=0.368,高效工况KQ=0.460,大流量工况KQ=0.552)时泵装置流道内部关键位置处21个监测点的压力脉动信息,并对其进行了时域和频谱分析。结果表明:进水流道出口处水流的脉动以叶片通过的频率为主,压力脉动幅值从流道壁面侧向轮毂侧逐渐减小。流量系数KQ从0.368增至0.552时,进水流道出口各监测点的脉动幅值随之减小。出水流道弯管段进口的平均压力系数幅值与流道中部的平均压力系数幅值相差不大,最大差值仅为0.0005,水流诱发的出水流道内部压力脉动较小。受导叶体出口环量的影响,相同流量系数时出水流道内各监测点的脉动主频差异较大,不同流量系数时相同测点的脉动主频也略有差异。     

双向轴流泵装置双向发电水力特性分析EI北大核心CSCD

轴流泵在反向发电时,不同运行工况和几何过流形式可能会导致一定的水力不稳定现象。以某泵站双向轴流泵装置为研究对象,应用SST k-ω模型,对其开展双向发电全流道数值模拟。结果表明:额定转速下,轴流泵装置反向发电效率整体高于正向发电;最优工况下,与正向发电相比,反向发电在泵段有较合理的压力分布,流线相对平顺。正向发电导叶出口压力脉动稳定性较差,对比导叶段漩涡演变和叶轮受力变化规律得出,正向发电导叶内部的大尺度漩涡是引起导叶出口压力脉动不规律以及最优工况效率更低的原因,且是引起叶轮径向力更大的本质原因。研究结果可为泵站双向轴流泵装置及前(后)置固定导叶轴流泵装置在发电工况下的运行稳定性提供理论支撑和工程参考。     

轴流泵偏工况压力脉动和内流特性分析

轴流泵在偏离设计工况特别是小流量工况马鞍区附近运行时,流道内部强烈涡旋会造成剧烈的压力脉动,影响了泵组的安全稳定运行。本文以高比转速轴流泵为研究对象,对轴流泵5个流量工况点进行了整体流道三维流动计算,探讨该轴流泵运行时的非定常流动特性。数值计算采用RNG k-ε湍流模型,5个定常工况点计算的外特性曲线与轴流泵性能特点研究结果一致。对0.2Q_d和1.0Q_d工况进行非定常计算,结果显示,相同位置测点间的压力脉动混频幅值和频率均存在明显差异,0.2Q_d工况下相同位置测点间的压力脉动峰峰值最大超过1.0Q_d工况下4倍,说明此时流道内的流态分布很不均匀。测点离叶轮和导叶越近,低频脉动的主频受动静干涉引起的3fn和5fn脉动幅值就会明显增强,0.2Q_d工况下流道内测点受动静干涉作用的影响更强,脉动幅值为1.0Q_d工况下相同位置测点的3～5倍,且在转轮和导叶流道内影响的范围更广。结果表明,0.2Q_d小流量工况运行时压力脉动比1.0Q_d     

超低扬程双向流道泵装置压力脉动特性研究

沿江泵站承担了灌溉、排涝、水环境治理等双向引排水任务，受长江潮位影响，双向水泵装置经常运行至零扬程附近，实际流量超过设计值30%以上，流道水力损失增大，流态紊乱，易引起水力振动，影响机组运行安全。采用CFD技术对沿江某低扬程双向流道泵装置进行水流流动及压力脉动特性研究，并结合模型试验进行验证。研究表明：超低扬程工况下，泵装置进出水流道盲端存在较大回流，出水流道内回流强度较大，导致水力损失增加；进水流道内测点主频为6倍转频，次主频为1/8倍转频；出水流道内测点主频无明显规律，但幅值相近，低频脉动占主导地位。研究成果可为沿江泵站超低扬程工况下水泵装置水力振动研究提供参考。     

大型立式蜗壳混流泵装置非定常湍流特性分析

采用RNG k-ε湍流模型封闭三维N-S方程,并在转动部件与静止部件间采用瞬态冻结转子技术(TRS)建立交界面,基于ANSYS CFX对大型立式蜗壳混流泵装置内湍流场进行非定常数值计算。通过非定常数值计算,获得了蜗壳压水室内部的非定常流动及漩涡情况,通过设置若干监测点分析了各过流部件内压力场的脉动幅值和频率,获得了作用于叶轮的径向力特性,并将定常计算、非定常计算预测的泵装置性能数据与试验结果进行了对比分析。结果表明:设计工况时泵装置内的脉动幅值及叶轮所受径向力相比大流量与小流量工况时均较小,各工况时进水流道出口断面的脉动主频为叶频,进水流道"ω"后壁对称测点的脉动情况基本相同,非定常计算预测的泵装置性能相比定常计算预测结果更接近于模型试验结果,但两者差异性较小。     

甩负荷过程水泵水轮机流激振动数值模拟研究

抽水蓄能电站甩负荷过渡过程中机组振动剧烈,有导致转轮疲劳破坏风险。为探究转轮流激振动特性,对水泵水轮机在甩负荷中的典型工况（时刻）进行CFD-FEM数值模拟,分析了压力脉动、转轮动应力和振动模态。结果表明：转速是影响转轮压力脉动和动应力的最重要因素,最大转速工况最危险,转轮内压力脉动最剧烈,叶片动应力值和振幅均大于其他工况;压力脉动导致转轮动应力波动,两者频谱特征一致;转轮最大动应力出现在叶片进口与上冠“T型”连接处,过渡过程中最大值均超过材料许用应力;水力激励力频率与转轮固有频率相差较大,转轮在计算工况发生共振的可能性较小。     

低水头下水泵水轮机水轮机工况压力脉动研究

基于Realizable k-ε湍流模型,对某蓄能电站模型水泵水轮机进行几何建模,设定压力脉动监测点,进行三维全流道水轮机工况非定常数值计算,分析导叶开度为29mm,33mm,37mm和41mm四个工况下各监测点的压力变化,并与模型试验结果进行对比,研究水泵水轮机在低水头下的压力脉动特性。结果表明:Realizable k-ε湍流模型对低水头下水泵水轮机压力脉动的数值模拟可行,在大开度工况时更加精确;导叶开度为29mm时水泵水轮机内部监测点压力脉动最强,随着导叶开度的增加压力脉动在逐渐的减弱;转轮旋转形成的"活动导叶-转轮-尾水管"两级动静干涉,使活动导叶与转轮之间无叶区内监测点的压力脉动时域图呈现周期性变化规律,对应主频为叶频,尾水管锥管段时域图也呈现周期性变化,并在其频域图叶频处出现一个峰值;肘管内监测点压力脉动由于尾水涡带的影响主频为0.17~0.56倍转频的低频分量。     

不同步导叶对混流式水轮机压力脉动的影响分析

采用Realizable k-ε模型,对混流式模型水轮机三维全流道非定常湍流进行模拟,在实验验证的基础上,对不同步导叶(MGV)作用下的压力脉动进行了分析.选择部分负荷工况,分别研究MGV在5种不同开度下水轮机各过流部件的压力脉动特征.计算和实验结果表明:MGV不改变尾水涡带的旋转频率,随着MGV开度的变化,尾水管内主频和非主频的变化规律不同,甚至可能相反;转轮内的脉动主频为转轮转频与尾水涡带的旋转频率之差,其幅值变化规律与尾水管内脉动主频相同;MGV使转轮上出现了新的压力脉动频率,其值为转频与MGV数量的乘积,不同步导叶的开度偏离同步导叶开度越大,该频率的振动越强;在MGV作用下,各点主频脉动变化规律与采用同步导叶调节反映的规律是相似的,使用MGV装置可以在保证机组出力的条件下避开有害的压力脉动区.     

基于动网格水泵水轮机泵工况的压力脉动分析

为研究水泵水轮机活动导叶运动过程中泵工况的压力脉动特性,本文基于动网格技术对泵工况导叶运动过程进行瞬态数值模拟,得出了各个区域的压力脉动幅值与频率特性,并与导叶固定工况的数值模拟结果进行了比较。分析表明,泵工况中活动导叶启动过程中低频压力脉动成分复杂且幅值较高,主要受到由导叶运动引起的复杂流动的影响。本文的结论对泵工况导叶启动过渡过程的稳定性研究具有一定参考价值。     

多振源激励下水电机组轴系振动智能分析

针对水电机组轴系统在电磁、机械和水力振源共同激励下振动的复杂特性，该文采用CFD数值模拟水力振源，分析水力振源荷载幅值和频谱特性，开展了水力振源施加方式的研究；分析水电机组轴系统在3种振源共同激励下的振动，研究了不同水头工况下的转子、转轮的轴心运动轨迹。结果表明，通过CFD数值模拟获得转轮处脉动水压力时程是可行且必要的，水力脉动振源对转轮振动有重要影响。     

中高比转速转轮内部流态与外特性的关系

为了更有效的发挥流动计算技术在转轮优化,性能预测和新产品设计方面的作用,深入探讨内部流态与外特性间的关系是十分必要的。本文选择具有实测结果的混流式转轮进行了内部流场计算。首先对不同工况下计算的能量特性与试验进行了细致的比较,结果表明,计算预测的转轮流量,效率等与试验曲线在设计工况附近时十分接近,在偏工况计算结果与实测结果虽有差别,但仍能反映转轮的主要特性;在此基础上,重点讨论了转轮内流场与外特性间的联系,分析表明：转轮的最优效率区的位置和形状与进口冲角和出口环量密切相关,即小进口冲角区与小出口环量区的交集形成了水轮机的最优效率区,尾水管的压力脉动与转轮出口环量的大小密切联系,大的转轮出口正环量区对应着强度较大的尾水管的压力脉动,较大的进口负冲角易在叶片正面形成较大旋涡,转轮进口压力脉动可能与进口处该旋涡区的不稳定性有关。     

海水淡化高转速泵作透平的压力脉动分析北大核心CSCD

离心泵反转作透平是海水淡化能量回收一体机的核心动力部件之一,运行时的压力脉动是机组产生振动和噪声的主要因素之一。本文以高转速离心泵反转作透平为研究对象,采用SAS-SST-CC湍流模型,对其进行整机流道三维非定常流动数值计算,通过流场分析及压力脉动频谱分析,探讨该透平在运行时的非定常流动特性。非定常数值计算结果显示,蜗壳内多测点的压力脉动主频均为叶片通过频率,说明蜗壳内压力脉动主要由转轮和蜗壳隔舌间的动静干涉引起;旋转转轮域内8个叶片间流道中各布置了6个测点,各相似位置测点间的压力脉动峰峰值最大相差10.3%,说明对称的旋转转轮内的流动分布严重不均,这些旋转测点的脉动频率主要为叶频8倍频附近的主频或次主频,说明转轮与蜗壳间的动静干涉、叶片流道间的漩涡是引起转轮内压力脉动的主要因素,且局部漩涡引起的压力脉动强于转轮动静干涉造成的。结果表明,转轮内压力脉动比蜗壳内明显剧烈,旋转转轮内的压力脉动是机组振动主要水力原因。     

核主泵内部流动干涉的瞬态效应研究

为了揭示核主泵叶轮和导叶的流动干涉效应,采用相似换算法和多参数匹配法,基于RNG k-ε湍流模型与块结构化网格,对缩比系数为0.5的模型泵进行非定常数值模拟。结果表明:扬程脉动幅值与运行工况有关,额定工况时扬程脉动的幅值最小,偏离最优工况时,扬程脉动幅值逐渐增大。导叶内部流道产生不稳定的流量脉动效应,大于0.8Qd工况时,导叶内流量脉动瞬态效应不明显;小于0.8Qd工况时,导叶内流量脉动趋于不稳定。考虑到机组的水力稳定性,运行工况应大于0.8Qd。动静干涉使导叶内静压分布呈现周期性脉动,导叶压力面平均脉动幅值最大,吸力面平均脉动幅值最小,压力脉动的周期与叶轮叶片数有关;导叶内静压分布与叶轮尾缘和导叶前缘相对位置有关,叶轮尾缘对导叶入口流动的阻塞效应,是诱发导叶内静压脉动的主要原因。     

绩溪电站机组运行稳定性分析

绩溪抽水蓄能电站是我国自主研发长短叶片技术首次在抽水蓄能机组中应用,受到多方关注。在绩溪电站首台机组调试过程中,多方组织对包含机组振动、摆度、压力脉动等测点的机组稳定性进行了全面测试,采用时域特征值和频谱分析技术对试验数据进行分析,获得了机组在抽水启动、稳定抽水、稳定发电和发电启动带负荷过程等工况下的机组稳定性特征。测试结果表明：稳定工况下,绩溪首台机组振动和摆度混频幅值均在相关规范限定的A区范围内,满足机组稳定运行的需要;相较常规混流式水泵水轮机,采用长短叶片设计转轮设计时,各测点压力脉动频率成分更加复杂;协联抽水情况下,某些测点的主频有随扬程变化而改变。抽水启动和发电带负荷过程,机组稳定性参数能够满足运行需要。     

超低比转速离心泵非定常流动压力脉动特性研究

超低比转速离心泵内部非定常流场导致的压力脉动问题是影响其安全稳定运行的重要因素。本文研究了“S”型叶片超低比转速离心泵内压力脉动的分布特征及其对安全稳定运行的改善效果，采用SST k-ω湍流模型，对“S”型叶片和直叶片两种形式分别进行定常以及非定常数值模拟，得到泵内叶轮叶片及隔舌处的压力脉动特征，并进行时域及频域分析。结果表明：直叶片小流量工况下压力脉动幅值最小，而“S”型叶片在额定工况压力脉动幅值最小；两种叶轮均以叶片通过频率为主，低频特征明显。“S”型叶片叶轮在0.6Q_d(Q_d为设计流量)、0.8Q_d、1.0Q_d、1.2Q_d四种工况下叶轮出口及隔舌处监测点压力脉动幅值均有不同程度的下降，下降幅度达23%～47%,说明与直叶片相比，采用“S”型叶片能有效降低超低比转速离心泵的压力脉动幅值，提高超低比转速离心泵运行稳定性。     

设平衡孔时气液混输泵内部流动及轴向力分析

本文采用两相混合模型进行数值模拟计算,探究了不同进口含气率条件下,设置平衡孔对气液混输泵外特性、内部流动及轴向力的影响。研究发现：各工况条件下,设置平衡孔后该混输泵的轴向力均明显减小;从平衡系统回流的高压流体对转轮内部流动状态产生扰动,同时能破坏和夹带转轮流道内聚集的气泡;综合考虑对混输泵的性能和轴向力的影响,在较低进口含气率时采用平衡孔方法平衡混输泵轴向力的方法是可行的;平衡系统进出口压力系数随比面积系数增大而非线性减小,平衡孔的直径过大会导致混输泵的容积损失问题,因此平衡孔直径设计存在最佳值;对比发现平衡孔设在转轮叶片吸力面时转轮的轴向力幅值和脉动相对较小。研究结论可为后期多级气液混输泵平衡孔平衡轴向力系统的设计和优化提供思路和借鉴。     

小流量工况下混流式核主泵叶轮压力脉动分析

为探究小流量工况下混流式核主泵叶轮的压力脉动特性,基于计算流体力学方法,对核主泵迚行全流道定常与非定常数值模拟。寻找叶轮压力脉动的觃律,分析压力脉动的时域与频域特性,探究产生压力脉动的原因。结果表明,叶轮内压力脉动主要表现为叶频及其谐频诱发的振动,叶轮与导叶之间的动静干涉作用是叶轮内产生压力脉动的主要原因。叶轮叶片静压值以近似正弦的觃律变化,且主要集中于中低频压力脉动。随着流量的减少,叶轮叶片迚口处中低频压力脉动的幅值增大。若流量过小,整个叶轮的振动都将明显加剧。