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。     

整流罩在泵站肘形进水流道中的应用效果分析

肘形进水流道广泛应用于大型低扬程泵站,其弯曲段的内侧与外侧曲率半径相差较大,故流道出口存在较严重的流动不均匀性,从而影响泵站工作效率。针对此问题,本文设计了一种装在肘形进水流道末端的整流罩,并采用计算流体力学方法对传统肘形进水流道和加装整流罩的进水流道进行了对比分析。研究发现,传统肘形进水流道在弯曲段内,内侧流速比外侧流速高28.4%。在进水流道末端加装整流罩之后,进水流道出口速度分布均匀度基本保持不变,但设计工况下出口水流平均偏流角由原来的13.1°减小至4.3°,降低70%以上,水泵扬程增加2.3%,水泵效率增大2.5%。上述结果表明,整流罩在减小了进水流道出口水流平均偏流角之后,使水泵进口流态得到改善,从而降低了泵内流动损失,提高了水泵扬程和效率。该项研究工作对改善大型泵站水力设计,提高泵站运行效率具有参考价值。     

立式泵肘形进水流道喉部高度对性能的影响

为保证水流进入弯道时的流态良好,肘形进水流道进口段末端断面的高度通常较小,被称为"喉部"。基于CFD数值模拟进行方案设计和建模计算,对流道喉部断面的高度定量分析,对各方案的内部流态和泵系统性能进行研究。结果表明,喉部高度大的方案进入弯道的流速慢,水力损失小,但流速变化快,分布不均匀;高度小的方案进入弯道流速快,水力损失大,但流速变化慢,流道出口流速均匀性好;文中喉部高度的最优方案为0.8倍叶轮直径,此方案的泵系统效率在340L/s达到79.08%。     

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。     

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。     

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。     

立式混流泵站进出水流道水力优化

为得到某大型混流泵站进出水流道最优设计方案, 基于 CFX 软件, 对进出水流道内水流流态进行数值模拟研究。以泵站进出水流道初步设计方案为基础, 对流道型线进行优化研究: 通过调整进水流道断面参数, 得出进水流道优化方案; 通过改变虹吸式出水流道上升角与下降角, 得到水力损失最小的出水流道型式。最终结果表明: 当进水流道流速和流道长度、断面面积和流道长度的关系曲线光滑无突变时, 流道内无不良流态, 符合优化设计要求; 当出水流道上升角为22°下降角为 29°时, 泵站出水流道流速分布较为均匀、水力损失最小。由此得出所选泵站最优设计方案。所得结果对大中型泵站的流道优化有指导作用。     

竖井贯流泵进水流道的数值模拟研究

基于标准k-ε湍流模型,采用雷诺时均N-S方程和SIMPLE算法,通过针对不同竖井线型参数下竖井贯流泵进水流道进行三维数值模拟,展现了各方案进水流道出口断面的轴向速度分布、水平剖面的流线和压力分布以及流道水力损失的状况.通过比较发现:流道过渡平缓时,流道的水力损失性能较好;各方案出口断面上的速度分布呈现为对称分布;由于3种方案的水力损失性能相差不大,考虑到工程的经济性,选择方案1作为最终方案.     

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。     

簸箕形进水流道宽度对流道水流流态的影响

为了分析簸箕形进水流道的进口收缩段宽度变化对流道内水流流态的影响,设计了进口收缩段为渐扩形、直线形和渐缩形三种宽度变化的簸箕形进水流道方案。基于三维不可压缩流体的雷诺平均N-S方程,选择VOF模型和RNG k-ε模型,采用SIMPLEC算法,模拟了设计工况下三种簸箕形进水流道方案的三维流场。结果表明:三种流道形式设计都是合理的,其中渐扩形簸箕形进水流道水流流态稍优于直线形簸箕形进水流道,而直线形稍优于渐缩形簸箕形进水流道水流流态。在相同运行工况下,三种簸箕形进水流道进口收缩段流道宽度变化影响了流道内的水流速度、流线和涡量的分布,且均能保证进水流道内良好的水流特性,经过喇叭管的整流,达到了较为理想的水力优化目标值。     

大型直联式潜水泵选型及装置水力性能研究

拟拆除重建的新洲电排站老站位于南昌市名胜风景区, 该站场地布置紧张, 对水泵机组噪音和可靠性要求高。 经比选确定选用立式潜水泵装置, 采用簸箕形进水流道和井筒式出水流道, 水泵与潜水电机直联。为提高该站泵装 置水力性能, 应用基于 CFD 的方法对该站簸箕形进水流道和井筒式出水流道内水流流动分别进行了数值模拟和优 化水力设计研究, 结果表明: 经过水力优化的簸箕形进水流道出口断面的水流入泵流速分布均匀度和平均角度分别 为 96 1 6%和 88 1 7 b, 进水流道和出水流道在设计流量时的水头损失分别为 01145 m 和 0 1 385 m, 可满足潜水泵装置 高效运行的要求。采用泵装置模型试验方法对数值模拟结果进行了检验, 结果表明立式潜水泵装置最优工况的泵 装置效率达到 65%。     

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。     

前置竖井式贯流泵装置进出水流道水力设计标准化

借鉴水轮机尾水管水力设计标准化的成功经验, 为使优秀的前置竖井式贯流泵装置在我国低扬程及特低扬程 泵站得到更多更好地应用, 对前置竖井式贯流泵装置流道水力设计标准化进行了较为深入地研究。按满足工程应 用实际需要和分档方案不过于繁多的原则, 在常用值取值范围内对进、出水流道水力设计系列方案进行合理分档; 以竖井宽度和水泵名义平均流速为关键参数, 将进水流道划分为 24 种水力设计标准化方案; 以出水流道出口断面宽度和水泵名义平均流速为关键参数, 将出水流道划分为 17 种水力设计标准化方案; 经优化水力设计计算, 所述进水流道 24 种方案和出水流道 17 种方案的水力性能优异。前置竖井式贯流泵装置流道水力设计标准化研究工作在国内外尚属首次, 对提高低扬程泵站的设计水平具有重要意义。     

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。     

大型轴流泵站肘形进水流道CAD研究

肘形进水流道是大型轴流泵站的主要过流部件,其结构形式与尺寸对水泵机组的性能有重要影响。本文在总结国内外进水流道模型试验成果和已建工程经验的基础上,提出了大型轴流泵站肘形进水流道设计的数学模型及其计算机辅助设计方法,可由计算机直接进行进水流道的设计和绘图。应用本文研究的CAD系统具有速度快,精度高、通用性能好,便于人机交互,根据水泵型式和泵站基础地质条件优化进水流道设计的特点。     

竖井式进水流道尺寸对水力性能的影响

根据南水北调东线工程邳州泵站的基本参数,基于进水流道三维湍流流动数值模拟方法,研究了竖井式进水流道控制尺寸对其水力性能的影响。揭示了竖井式进水流道长度、宽度和高度等控制尺寸对进水流道出口流速分布均匀度、流速加权平均角度和水头损失的影响规律和原因,并分析了流道内的流速分布情况。研究结果表明:控制尺寸对竖井式进水流道水力性能影响较为显著;控制尺寸的增加明显提高了竖井式进水流道的水力性能,当增加至一定值后,影响趋于平缓;邳州泵站竖井式进水流道方案控制尺寸取值合理,水流收缩平顺均匀、流线层次分明,流道内无任何脱流或旋涡等不良流态,水头损失小。本项研究结果可为竖井式进水流道的水力设计、控制尺寸的合理确定提供理论依据。     

三维激光扫描仪在泵站流道施工质量控制中的应用

针对泵站肘形进水流道结构复杂、施工质量较难控制的特点,利用三维激光扫描仪进行流道曲面扫测,获取流道三维场景,与设计三维模型进行整体对比和典型断面与设计断面比较,分析曲面误差整体分布及典型断面误差分布情况,为泵站工程下一步施工、流道流线平顺及泵装置稳定运行提供技术支撑。     

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。     

宝应泵站流道优化计算与模型试验研究

为确保宝应泵站的进、出水流道实现水力性能的最优化，采用三维紊流数值模拟计算和透明流道模型试验的方法，根据日立公司的水泵尺寸对宝应泵站肘形进水流道和虹吸式出水流道进行了水力设计和优化，并与日立公司提出的进水流道和虹吸式出水流道进行了性能比较，取得了较为理想的结果。     

大型立式轴流泵进水流道两点压差式测流法研究

水泵流量是确定泵站装置效率和能源单耗的关键参数,研究大型立式轴流泵进水流道两点压差式测流法具有非常重要的意义。应用基于Standard k-ε、RNGk-ε和Realizable k-ε湍流模型的RANS方法分别对肘形进水流道的水流流动进行数值模拟,研究了不同湍流模型在数值计算中对壁面压强的预测能力,并与物理模型试验数据进行对比,结果表明Realizable k-ε湍流模型所预测的进水流道压差与试验结果最为接近。对肘形进水流道模型在不同的流量条件下进行数值模拟,分析了壁面的压强分布规律并确定了测压点的具体位置。在肘形进水流道原型的数值计算中,采用了与模型数值计算相同的数值方法,同时引入大并行的云计算技术,预测了大型立式轴流泵现场实测流量与压差的函数关系。