双吸离心泵站水力稳定性研究

摘要

双吸离心泵作为离心泵的一种重要形式，因具有流量人、扬程高的特点，在调水工程等重要场合得到广泛应用。双吸泵内部湍流的压力脉动会引起机组的振动和噪声，进一步将导致泵站系统的管路和元件损坏：泵站进水池往往存在不良流态并伴随着漩涡，导致水泵进口处流态恶化，从而引发机组汽蚀或效率下降，严重时导致泵站不能正常运行；泵站管路系统的水力损失计算对于泵站的设计及运行具有重要意义，若管路系统水力损失计算偏差较大，将导致水泵机组在偏离设计流量下工作。本文针对双吸离心泵站存在的上述问题，采用数值方法进行了深入研究。 对于双吸离心泵在不同工况及不同隔舌间隙下的内部流场，采用大涡模拟方法进行了非定常数值模拟，并在此基础上预测了泵的外特性，预测得到的效率值与试验结果之间相对误差不超过3％。计算得到的内特性信息显示双吸离心泵内部流场呈现强烈的非定常特性，隔舌区的压力脉动频率以叶片的通过频率为主，而叶片区的压力脉动频率则是以叶轮转频为主，泵内压力脉动幅值随着偏离设计工况程度的增加而显著增加；在0.62、0.8和1.2倍设计流量工况下，隔舌处的压力脉动幅值分别比设计工况大219％、105％和205％；设计工况不同隔舌间隙下，隔舌区压力脉动幅值在1倍叶片通过频率处的变化不明显，但是在2倍叶片通过频率处随着隔舌间隙增大，压力脉动最大幅值随之减小，隔舌间隙在增加大约4％时，2倍叶片通过频率处的脉动幅值降低了约33％。 采用三种不同的湍流模型模拟了泵站进水池模型内部流态，并与试验结果进行漩涡大小、形状和强度的比较，结果表明，Realizable k-ε模型的模拟结果与试验结果最为接近。在此基础上，对正在建设中的惠南庄泵站进水池流态进行了数值模拟，得到了进水池内部流动特征，对进水池内部漩涡的产生及其强度进行了分析，研究表明，随着水位升高，泵站进水池内的附壁漩涡强度会降低。多台泵的联合运行对于泵站前池及进水池内流态影响较大。文中设计了三种降低进水池旋涡强度的除涡装置，并对除涡效果进行了分析，发现在进水池底部增加圆锥形凸台，可有效减弱泵站进水池内的漩涡强度。 采用CFD方法计算了惠南庄泵站管路系统的水力损失，据此确定了惠南庄泵站水泵运行工况点，并与传统水力学方法计算的结果进行了比较。结果表明，惠南庄泵站水泵的实际运行工况点有可能偏向于大流量工况，由此带来的机组超载等问题需要引起惠南庄泵站有关设计和运行部门的注意。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2离心泵内部流动研究概述

1.3泵站进水池流态研究概述

1.4大型泵站中水泵工作点确定方法研究概述

1.5湍流数值模拟研究概述

1.6本文主要工作

第二章三维粘性流动的数值计算方法

2.1控制方程

2.2大涡模拟方法

2.2.1基本思想

2.2.2滤波方法

2.2.3亚格子尺度模型

2.2.4近壁区处理

2.3k-ε系列双方程湍流模型

2.3.1标准k-ε模型

2.3.2 RNG k-ε模型

2.3.3 Realizable k-ε模型

2.4控制方程求解方法

2.4.1控制方程离散

2.4.2离散方程组的数值解法

2.5本章小结

第三章双吸离心泵三维非定常流动研究

3.1研究对象

3.2数值计算

3.2.1控制方程和湍流模型

3.2.2计算域和网格

3.2.3边界条件

3.2.4时间步长的选取

3.2.5计算方法

3.2.6计算工况点及压力脉动监测点

3.3结果与分析

3.3.1外特性预测

3.3.2内部流场分析

3.3.3隔舌区压力脉动分析

3.3.4叶片区压力脉动分析

3.4本章小结

第四章湍流模型对进水池内流动数值模拟精度影响研究

4.1研究对象

4.2试验介绍

4.3数值计算

4.3.1控制方程和湍流模型

4.3.2计算域及网格

4.3.3边界条件及求解方法

4.4结果与分析

4.4.1漩涡形状大小及强度分析

4.4.2漩涡的切向速度及环量分布分析

4.5本章小结

第五章泵站进水池流动及水泵工作点研究

5.1研究对象

5.2数值计算

5.2.1控制方程和湍流模型

5.2.2计算区域及网格

5.2.3边界条件及求解方法

5.2.4计算工况

5.3结果与分析

5.3.1水位对泵站进水池内漩涡影响

5.3.2多泵运行对泵站前池及进水池流动影响

5.3.3除涡装置效果分析

5.4泵站管路系统水力损失计算及水泵工作点确定

5.5本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.1.1主要成果

6.1.2主要创新点

6.2未来工作展望

参考文献

致谢

作者简介