偏流对立式轴流泵装置水动力特性影响的数值模拟及试验研究

摘要

进水管路对低扬程的泵装置性能影响较大，尤其是比转速较高的轴流泵和混流泵更加明显。泵站前池可以确保水流逐渐扩散并平稳地进入进水池，为进水池提供良好的入流条件。在地形条件受限无法布置正向进水前池时，往往采用侧向进水前池。侧向进水泵站前池水流入流角度一般与进水池轴线存在一定的夹角，不同入流角度下进水池流态也不尽相同，水流进入进水池后易形成回流或漩涡，随水流发展，进入叶轮后必然危机机组的安全稳定运行。压力脉动是压力作用于被作用对象上随时间变化压力的波动，流态的变化对压力脉动也会产生一定的影响，较大的压力脉动会引起泵的振动噪声，使叶片产生裂纹，降低水泵效率等。
　　本课题叶轮转速2200r/min，在进水流道进口处布置了可模拟侧向进水的偏流板装置，通过调整偏流板角度，为进水池入流提供偏流条件。
　　采用CFX软件对泵装置整体进行数值模拟计算。对比分析了数值模拟与模型试验外特性差异以及随偏流角度变化外特性的变化情况。分析了不同偏流角下，进水流道，叶轮，导叶体，弯管及出水流道三维流场及特征断面流态变化，并绘制了各部件水力损失随偏流角度变化图。采用物理模型试验的方法，分析了进水流道出口与出水流道内压力脉动监测点时域与频域与各频段能量随工况与偏流角度变化情况。
　　通过以上研究及对数据的分析得到以下结论:
　　(1)0°偏流角下进水流道流态较好，泵装置效率最高，随偏流角度增大，最高效率点有所降低。由于偏流板的导向作用，20°，50°，80°偏流角下进水流道流态紊乱，水力损失不断增加，进水流道出口流速均匀度随偏流角度增大先增大后减小。
　　(2)叶轮及导叶体内三维流场受偏流角度变化影响较小。小流量工况下，叶轮轮毂附近及导叶体内存在不稳定流动;不同偏流角下，叶片压力面静压分布规律基本相同，从轮毂到轮缘压力逐渐增大，随着偏流角度的增大，靠近轮缘处的叶片高压区范围有所减小，靠近轮毂压力面有所增大。
　　(3)不同偏流角下，小流量工况，弯管及出水流道水流呈螺旋状;最优工况下，出水流道水流较平顺，流道扩散段贴近壁面的部分区域存在小范围的脱流，但水流仍存在一定的螺旋运动;大流量工况下，流道扩散段近壁面无明显的脱流区，不同偏流角下弯管三维流场差异性较小。
　　(4)进水流道出口段压力脉动监测点时域波形具有明显的周期性，出水流道圆管段监测点波形紊乱。进水流道出口监测点主频为4倍转频，在转频及其谐频处出现明显的峰值，随流量的增大，主频幅值先减小后增大;出水流道监测点频谱图较紊乱，转频对其影响较小，随着流量的增大，各监测点的总体压力幅值不断减小，大流量工况（1.2Qbep）时最小，这与大流量工况下出水流道流态相对平顺存在一定的关系。
　　(5)采用小波包分解重构信号后，小流量工况下，进水流道出口段监测点重构信号中，以节点(4，0)所占比重最大，随着流量的增大节点(4，0)所占比重先减小后增大，最优工况下最小，对应了最优工况下的流态平顺。由于出水流道流态相对紊乱，以节点(4，0)所对应的低频信号为主。采用小波包能量谱求解各节点信号能量变化，不同偏流角下，进水流道监测点受偏流角度的影响能量变化明显，出水流道受偏流角度的影响较小。进水流道监测点在最优工况下叶频所在频段能量占比最大，出水流道监测点能量主要集中在0～31.25Hz，对应流动中的低频大尺度漩涡。

目录

摘要

符号说明

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 泵装置压力脉动产生的原因及方式

1．3 国内外研究现状

1．3．1 泵装置内流场研究

1．3．2 泵装置压力脉动的研究

1．4 本文主要研究内容

2 物理模型试验台的建立及测试方法

2．1 物理模型试验台的构建

2．2 偏流角的定义及布置

2．3．1 能量性能试验

2．3．2 模型泵测试不确定度试验

2．4．1 立式轴流泵装置压力脉动试验

2．4．2 压力脉动试验可靠性分析

2．5 立式轴流泵装置数值计算方法

2．5．1 紊流数值模拟控制方程及模拟方法

2．6 控制方程的离散化

2．7．1 网格的类型

2．7．2 网格的生成

2．8 边界条件

2．8．1 入口边界条件

2．8．2 出口边界条件

2．8．3 壁面边界条件

2．8．4 对称面设置

2．8．5 域交界面设置

2．9．1 傅里叶变换

2．9．2 傅里叶变换的局限性与短时傅里叶变换

2．9．3 小波包分解与重构与能量谱分析

2．10 本章小结

3 不同偏流角时立式轴流泵装置三维定常流场数值模拟

3．1 立式轴流泵装置几何模型

3．1．2 网格剖分

3．1．3 网格数量无关性分析

3．1．4 计算参数选择

3．1．5 边界条件设置

3．1．6 求解计算

3．1．7 泵装置试验与数模外特性对比

3．2．1 内部流动特性分析

3．2．2 流道出口轴向流速均匀度及流道水力损失分布分析

3．3．1 内部流动特性分析

3．4．1 内部流动特性分析

3．5．1 内部流动特性分析

3．6．1 内部流动特性分析

3．7 本章小结

4 不同偏流角时立式轴流泵装置压力脉动试验分析

4．1．1 进水流道出口监测点压力脉动时域分析

4．1．2 出水流道出口监测点压力脉动时域分析

4．2 立式轴流泵装置压力脉动频域分析

4．2．1 进水流道出口监测点压力脉动频域分析

4．2．2 出水流道监测点压力脉动频域分析

4．3 小波包分解与重构与能量谱分析

4．3．1 小波包分解与重构

4．3．2 4层小波包分解系数重构

4．3．3 小波包能量谱

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的相关科研成果

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