轴流泵水力模型设计方法与数值模拟研究

摘要

南水北调等大型水利工程需要0大量效率高、运行稳定的轴流泵，而优秀的轴流泵水力模型是保证实型泵(真机)的能量指标、汽蚀指标和稳定运行的基础。水力设计实践表明，采用传统的设计方法设计的水力模型，其性能指标难以满足使用要求。 本文采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法，采用流线法设计制造了高性能指标的轴流泵水力模型，并已在南水北调东线工程等大型水利工程泵站中得到应用。 主要研究工作和创造性成果有： (1)研究确定了轴流泵水力模型系列的参数。为了方便选择泵型，采用保持轴流泵模型的流量不变，通过改变模型设计扬程以改变比转速的方法，得到轴流泵水力模型系列参数，用于设计不同比转速的水力模型。模型泵的流量为0.35m3、s，扬程范围为2.5～11.0 m，比转速为500～1500。 (2)系统研究了流线法设计轴流泵叶轮的方法。提出了一种从叶轮叶片外缘到轮毂线性修正环量分布的方法，加大叶片外缘侧翼型的环量，减小轮毂侧翼型的环量，在轮毂和轮缘之间的翼型的环量修正系数按线性规律变化。提出了叶轮叶片进口冲角从轮毂到轮缘增加的方法，进一步降低叶轮叶片的扭曲，冲角值选取范围为0°～3°，随比转速增加，冲角减小。 (3)探讨了适合于轴流泵内部三维定常流动的数值计算方法。以比转速为1000的轴流泵水力模型为算例，并以天津同台测试的试验数据为参照，进行了全流场三维定常数值计算。数值计算采用Reynolds时均N—S方程，标准k—ε紊流模型，二阶精度差分格式和SIMPLEC算法。 CFD计算的曲线与试验曲线的趋势基本一致，最优工况点计算扬程相对试验扬程的最大误差为2.52％，误差绝对值的平均值为4.5％。分析了轴流泵叶轮和导叶表面的速度矢量图、压力等值线图。叶轮和导叶叶片工作面和背面的速度、压力分布有着明显的规律，叶片工作面的相对速度分布比较均匀，基本上按圆柱面分布，自轮毂向轮缘相对速度逐渐增加，导叶工作面的速度基本上沿轴向流出。靠近叶轮叶片轮毂处，沿叶片长度方向压力变化较大，而靠近叶轮叶片轮缘处，沿叶片长度方向压力变化平稳，轮缘处的最高压力及平均压力均高于轮毂处的压力，叶片背面的最低压力点在距头部约25％处。叶轮出口速度环量沿半径方向自轮毂向轮缘逐渐增加，这与水力设计时对叶轮出口圆周分速度进行修正的结果一致。 (4)总结了轴流泵水力模型设计中关键参数的选择规律。包括叶轮的叶栅稠密度、轮毂比、叶片数和翼型加厚规律，导叶的叶片数以及与叶轮的轴向间距。 本文所取得的研究成果为轴流泵水力设计方法的深入研究提供了借鉴，所开发的轴流泵水力模型的设计质量和准确性得到了进一步提高，降低了新模型的研发成本，提高了泵站工程中原型泵的效率，既具有较高的学术价值，又对南水北调等重大工程具有重要的应用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究的背景和意义

1.2轴流泵水力模型研究现状

1.2.1设计理论与方法

1.2.2数值模拟应用情况

1.2.3轴流泵水力模型设计现状

1.2.4水力模型设计方面存在的问题

1.3本文主要研究内容

第二章轴流泵水力模型设计方法研究

2.1轴流泵水力模型系列的基本参数

2.1.1轴流泵基本结构图

2.1.2轴流泵水力模型参数的确定

2.1.3水力模型设计参数列表

2.2轴流泵设计理论及设计方法

2.2.1液体在叶轮中的运动分析

2.2.2流动方程和设计理论

2.3线性修正的环量分布规律和叶片进口冲角的选择

2.3.1两种旋涡形式的设计方法存在的问题

2.3.2线性修正的环量分布规律的分析

2.3.3叶片进口冲角的选择

2.4流线法设计轴流泵叶轮的步骤和算例

2.4.1设计步骤

2.4.2叶片绘型步骤

2.5导叶的设计与计算

2.6水力模型系列和同台测试结果

2.6.1叶轮和导叶水力模型

2.6.2天津同台测试结果

2.7本章小结

第三章轴流泵水力模型数值计算方法的研究

3.1流场数值计算的控制方程

3.2紊流数值计算的方法

3.2.1流体流动问题的数值方法

3.2.2紊流运动数值模拟方法

3.2.3紊流时均运动方程(雷诺方程，Reynolds equation)

3.2.4紊流模型

3.2.5流场数值计算的基本方法

3.3确定数值计算的区域

3.4计算网格的研究

3.4.1结构化网格和非结构化网格

3.4.2网格划分原则

3.4.3网格局部加密的研究

3.5边界条件的处理

3.5.1进口边界条件

3.5.2出口边界条件

3.5.3壁面边界条件

3.6流场计算软件的选用和CFD求解过程

3.6.1常用的流场计算软件

3.6.2 FLUENT软件动静耦合模型

3.6.3 CFD求解过程

3.7本章小结

第四章轴流泵水力模型试验研究

4.1轴流泵水力模型试验概述

4.2南水北调工程水泵模型试验台介绍

4.2.1试验台主要技术性能指标

4.2.2试验台系统组成

4.2.3试验台主要参数测量设备与率定

4.3测试方法和误差分析

4.3.1测试方法

4.3.2测量误差分析

4.4轴流泵水力模型试验结果

4.4.1泵段水力模型试验结果

4.4.2轴流泵装置模型试验结果

4.5本章小结

第五章轴流泵水力模型三维定常数值模拟

5.1数值计算模型与流场计算

5.1.1三维实体建模和网格划分

5.1.2控制方程

5.1.3边界条件设置

5.2数值计算结果与试验数据对比

5.3三维流场数值计算结果的分析

5.3.1叶片表面的速度分布

5.3.2叶片表面的压力分布

5.3.3同轴圆柱面的压力分布

5.3.4叶轮出口轴向速度和圆周分速度的分布

5.4本章小结

第六章轴流泵水力设计关键参数的选择规律

6.1叶轮关键参数的选择规律

6.1.1实型泵的叶轮直径Dp

6.1.2叶栅稠密度l/t

6.1.3轮毂比d=dh/D

6.1.4叶片数和翼型厚度

6.1.5翼型的选择

6.2导叶结构参数的选择

6.2.1导叶体的结构参数

6.2.2导叶叶片数

6.2.3导叶与叶轮的轴向间距

6.3本章小结

第七章结论与展望

7.1研究结论

7.2工作展望

参考文献

致谢

作者在攻读博士学位期间取得的科研成果