立式轴流泵装置试验研究及进出水流道内流特性分析

摘要

我国地域广阔，江河大川遍布，但是我国的水资源在地域上的分布有差异，在季节上的分布也存在较大的不平衡性。在水利工程中，兴建泵站工程是实现跨地域、跨流域调度和合理配置水资源，满足农业、工业、城市生活用水和改善生态环境的重要措施。在泵站工程中，低扬程立式轴流泵装置由于技术成熟全面，安装、检修便捷，应用于很多泵站当中。水流从进入立式轴流泵装置，到离开泵装置会在流道中进行两次 90 度转向，流道内极易产生脱流、旋涡等不稳定流动，从而影响泵装置整体的运行特性。因此，本文针对某配备肘形进水流道和平管式出水流道的立式轴流泵装置进行了不同工况下全流道数值计算研究，并结合泵装置模型试验，对肘形进水流道和平管式出水流道的内部流动特性进行深入研究分析，本文的主要研究内容和创新点如下： （1）总结了目前国内外泵装置进出水流道数值模拟和试验研究的现状。 （2）在高精度试验台上对该立式轴流泵装置进行模型试验，测试了 5 个不同叶片安放角（-6°，-4°，-2°，0°，+2°）下泵装置的能量特性、进出水流道损失、空化余量、飞逸转速，对泵装置整体运行特性进行了分析。试验结果表明，随着泵装置叶片安放角的增大，泵装置的效率和扬程均往大流量方向偏移；泵装置在0度叶片安放角下具有最高效率，泵装置的效率最高可达80.35%。 （3）建立包含泵段、进出水流道的全流道轴流泵装置三维计算模型，基于不同的湍流模型对0度叶片安放角下泵装置外特性进行定常数值模拟，将得到的扬程值和效率值与试验得到的结果进行对比分析，发现小流量工况下模拟扬程低于试验扬程，最优工况下RNG k-ε湍流模型模拟的外特性数值与试验值误差最小，效率误差仅为1.51%，0.8Qd和 1.2Qd流量工况下效率误差分别为 4.16%和3.75%，数值模拟结果基本满足计算精度要求。对泵装置不同叶片安放角下效率进行计算，并与试验的效率曲线进行对比，各角度下模拟值和试验值误差较小。 （4）基于全流道数值模拟，对不同工况下（0.8Qd,1.0 Qd ,1.2Qd）进水流道的内流特性进行研究分析，通过进水流道中截面压力分布、流线分布分析了进水流道内的基本流态。首次基于两种不同的涡识别技术，即Q准则和λ2准则，对进水流道弯曲渐缩段横截面进行涡量分析，发现在截面近壁区出现了明显涡量场，在同一工况下λ2准则在流道近壁区捕捉到的涡的结构更多。 （5）基于全流道数值模拟，结合湍动能和流线分布以及压力分布，分析了平管式出水流道的内流特性。利用Q准则等值面，针对小流量工况下流道内涡旋结构进行分析，结果表明在流道入口出现涡团最多。对比同一时刻不同 Q 取值的情况下流道内涡团的分布，发现在Q值较小时，涡团在流道内占据了很大位置，随着Q值的增加，涡团分布位置减少。 基于特征分析法和涡量法，首次对泵装置不同工况下一个非定常旋转周期内平管式出水流道内部的涡核进行提取分析。结果表明：出水流道内的涡核强度从流道入口随着流动方向逐渐减弱，两种方法均在额定工况下提取到的涡核数量最少，小流量工况下提取的涡核最多，并且额定工况下流道中后部均未出现涡核。 （6）在泵装置进水流道内、叶轮与进水流道交界面及出水流道入口处设置压力脉动监测点，以研究泵装置进出水流道内的压力脉动特性。主要结论有：进水流道内的压力脉动受叶轮预旋影响较大，每个周期的时域图呈正弦分布，有3个波峰和3个波谷；进水流道内越靠近叶轮的监测点压力脉动越强烈，且小流量下的压力脉动幅值最大；在出水流道入口处，压力脉动的强度要远小于进水流道，并且压力脉动受叶轮旋转影响很小。 （7）通过改变导叶体叶片数，导叶体相对位置以及隔墩起始位置，在不同工况下对不同方案进行数值计算，从压力分布，流速分布及水力损失等多个方面揭示其对平管式出水流道内流特性的影响。由结果可以发现当导叶叶片数为5片，导叶和叶轮相对位置为 8mm时，平管式出水流道内流态最好，损失最小，隔墩会导致流道水力损失增大，但是有较好的导流效果。

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