贯流泵内部流动的数值模拟与三维LDV测量研究

摘要

贯流泵是南水北调东线工程中低扬程、大流量泵站的优选泵型，特别是适用于大型泵站的灯泡贯流泵型式，成为近年来南水北调泵装置研究的热点。目前对于不同型式灯泡贯流泵装置进行全流道数值模拟和针对灯泡贯流泵的过流部件单独进行模拟分析的研究相对较少。本文采用数值模拟、模型试验和流场测试的方法对不同型式的灯泡贯流泵装置进行了全面的研究，主要有以下几个方面：
　　 对不同紊流模型及其应用范围进行了比较，针对贯流泵内部流动的特点，确定其内部流动模拟采用考虑分离流动和涡旋效应的RNG k-ε紊流模型对贯流泵内部流动进行数值模拟。
　　 分析了不同工况下后置灯泡贯流泵装置和前置灯泡贯流泵装置内的流动状况，并计算了两者的外特性，性能曲线比较结果表明：本文所研究的前、后置灯泡贯流泵装置的高效点出现在同一个流量点，后置的装置效率比前置高一个百分点左右，但在非设计工况两者的效率最大相差达5％左右，且后置灯泡贯流泵装置的高效区要比前置灯泡贯流泵装置的高效区宽。
　　 通过计算后置灯泡贯流泵装置各部分的水力损失，发现导叶体和灯泡段在水力损失中所占的比重比较大，针对这一情况重点研究了导叶的设计参数、进人孔和灯泡体形状以及灯泡体支撑形式对装置性能的影响，采用CFD技术对导叶和灯泡段过流部件进行了优化。结果表明：导叶设计中的主要几何参数如导叶体长度、导叶轮毂单边扩散角以及导叶体内水流当量扩散角等都对装置性能有影响，要根据实际情况合理选择其参数值；对于确定叶片形状和基本尺寸的导叶体，其叶片稠密度会影响整个泵装置的水力性能。叶片数过少，稠密度过小就会影响导叶回收环量的效果；而导叶数过多，稠密度过大会增大摩擦损失和排挤系数从而影响整个装置的效率，所以在设计导叶时要认真考虑与叶轮叶片数匹配的导叶叶片数；根据流线型物体的水力阻力最小这一规律，将有可能的地方(如灯泡体尾部、进人孔和灯泡体支撑等)均改为流线型，选用优良的流线型面可以将脱离点推向物体后缘，甚至完全避免脱离现象的发生。
　　 对配有“S”翼型叶轮的双向灯泡贯流泵装置内流场进行了分析，叶轮正、反向运行时，其叶片表面的压力分布相似，说明双向叶轮具有相同的正、反向性能。但是加上了其他过流部件组成泵装置后，由于进、出水结构不对称，而使得双向贯流泵装置的正、反向性能有差别。本文主要研究了轴承支撑件对这种双向灯泡贯流泵装置性能的影响，结果表明：轴承支撑件的布置位置对装置正、反向运行的性能有一定的影响。正向运行工况，轴承支撑件与灯泡体在叶轮两侧的方案其装置效率高于轴承支撑件与灯泡体在叶轮同侧的方案；反向运行时，则是同侧方案的效率要略高于两侧方案的效率；两种方案的正向运行的效率均高于反向运行的效率。
　　 采用三维LDV技术首次对灯泡贯流泵装置叶轮出口和导叶体内的流场进行了测量研究，获得了叶轮出口断面和导叶体内周向速度、轴向速度和径向速度的分布规律，并将测试结果对数值计算结果进行了验证，两者的周向速度和轴向速度分布比较接近，径向速度的偏差比较大，分析了产生的原因。测试结果可以为贯流泵水力模型的设计研究提供参考依据。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:符号说明

声明

1绪论

1.1概述

1.2贯流泵装置研究现状及进展

1.2.1贯流泵水力模型的研究

1.2.2进、出水流道的研究

1.2.3贯流泵装置整体性能研究

1.3贯流泵的应用

1.4本文的研究内容

2泵内三维流动数值计算方法

2.1控制方程

2.2控制方程空间离散的方法

2.2.1离散的数值方法

2.2.2空间离散格式

2.2.3控制方程组的求解

2.3素流模型

2.3.1直接数值模拟方法(DNS)

2.3.2大涡模拟(LES)

2.3.3 Reynolds平均法(RANS)

2.4计算区域

2.5计算网格的生成

2.5.1结构化网格

2.5.2非结构化网格

2.6边界条件的设置

2.6.1进口边界条件

2.6.2出口边界条件

2.6.3壁面边界条件

2.6.4动静交界面处理

2.7计算软件介绍及其应用

2.8本章小结

3后置灯泡贯流泵装置内部流动数值模拟及结构优化

3.1模型装置及其三维建模

3.1.1后置灯泡贯流泵装置参数

3.1.2三维实体建模

3.2数值计算

3.2.1控制方程和紊流模型

3.2.2网恪生成

3.2.3边界条件

3.3装置内部流场计算结果与分析

3.3.1装置垂直纵剖面流线、压力分布

3.3.2断面流速分布

3.3.3叶片表面压力分布

3.3.4叶片表面流速分布

3.4水力损失计算

3.5泵装置外特性

3.6结构优化方案

3.6.1扩散导叶对泵装置性能的影响

3.6.2灯泡段结构对贯流泵水力性能的影响

3.7本章小结

4前置灯泡贯流泵和灯泡式双向贯流泵装置内部流动数值模拟

4.1前置灯泡贯流泵内部流场的数值模拟

4.1.1模型装置

4.1.2数值计算

4.1.3计算结果分析

4.1.4前置灯泡贯流泵装置外特性曲线

4.2灯泡式双向贯流泵内部流动数值模拟

4.2.1对称翼型叶轮及装置

4.2.2数值计算方法

4.2.3计算结果及分析

4.2.4水力损失计算及装置外特性

4.3本章小结

5工程应用实例

5.1装置基本参数

5.2数值计算

5.2.1控制方程和边界条件

5.2.2计算域

5.2.3计算结果

5.3过流部件结构优化

5.3.1优化方案

5.3.2优化结果分析

5.4水力损失和外特性

5.4.1水力损失计算

5.4.2后置灯泡贯流泵装置外特性

5.5模型试验验证

5.6本章小结

6贯流泵内部流场的三维LDV测量

6.1 LDV的测量原理及系统组成

6.1.1 LDV基本原理

6.1.2三维LDV系统

6.2试验装置与测点布置

6.2.1模型贯流泵装置试验台的设计

6.2.2测试窗口和测点布置

6.2.3 LDV实验参数的选择

6.3性能试验

6.3.1性能试验主要仪器设备

6.3.2试验方法和步骤

6.3.3试验台测量不确定度分析

6.4三维LDV测量

6.4.1激光能量调节

6.4.2测量步骤

6.4.3数据处理

6.5实验结果与计算结果对比

6.5.1叶轮出口流速分布

6.5.2导叶体内流速分布

6.6本章小结

7总结与展望

7.1全文总结和创新点

7.2展望

参考文献

致 谢

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发表的学术论文

主持和参加的项目