叶轮直径对低扬程立式轴流泵装置水力性能的影响

摘要

南水北调东线泵站工程的主要特点是扬程低、流量大、年运行时间长。如何根据东线泵站工程的特点，合理地选择水泵装置型式、提高泵站的装置效率是东线泵站工程建设中一项极其重要的工作。 立式轴流泵装置作为一种成熟的泵型已在数百座大型泵站中得到了广泛应用。与其它泵装置型式相比，立式轴流泵装置具有运行稳定、可靠性高、安装检修方便和投资省、维护费用少等优点，并且在设计、制造及运行、管理等方面已积累了丰富的经验。为使这种成熟的泵装置型式能在低扬程、大流量泵站中得到更多更好的应用，有必要突破有关水泵nD值的传统观念，对立式轴流泵装置的水力性能进行较为深入、系统的研究。 本文借用某大型低扬程泵站的主要控制尺寸和水位组合，应用CFD理论与技术，对与不同叶轮直径相配套的进、出水流道的内部流动进行了三维湍流流动数值模拟，对进、出水流道内的流态进行了分析，并定量地比较了叶轮直径对进、出水流道水力损失的影响。 应用CFD理论与技术，对模型泵泵段进行了三维湍流流动数值模拟，其结果与模型试验结果的对比表明采用数值模拟的方法模拟泵段内部的流场、预测水泵性能是可行的且具有一定的准确性。这一步骤也为泵装置整体数值模拟作了必要的准备。 应用CFD理论与技术，对不同叶轮直径的泵装置进行了三维湍流流动数值模拟，并将水泵装置整体数值模拟得到的进、出水流道内的流态及水力损失与流道单独数值模拟的结果进行了比较。结果表明：水泵装置整体数值模拟结果与流道单独计算的结果基本一致。 为了验证数值模拟的结果，对不同叶轮直径的进、出水流道进行了模型试验研究，从流道内部流动形态和水力损失两个方面与数值模拟的结果进行了比较。 结果表明：进、出水流道内部三维湍流流动数值模拟结果与模型试验结果基本一致。降低水泵nD值有利于低扬程泵装置汽蚀性能的改善和水力模型的选用。本文研究结果还表明：进、出水流道的水力损失随叶轮直径的增大而显著减少(接近于与叶轮直径的4次方成反比)，适当增大叶轮直径，可显著提高泵装置效率，扬程愈低，叶轮直径对装置效率的影响愈显著。适当增大叶轮直径的立式轴流泵装置可以作为低扬程泵站装置比选方案之一。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章绪论

1.1问题的提出

1.2叶轮直径与转速及nD值之间的关系

1.3关于水泵nD值的研究现状

1.4 CFD方法在水力机械的水力设计中应用概述

1.5水泵装置水力性能的研究方法概述

1.5.1模型试验方法

1.5.2数值模拟方法

1.6本文主要研究内容

第二章湍流流动数值模拟理论

2.1湍流模型理论概述

2.2湍流数值模拟方法

2.2.1直接模拟(direct numerical simulation,DNS)

2.2.2大涡模拟(large eddy simulation,LES)

2.2.3雷诺时均方程法(Reynolds-averaging equations)

2.3常用离散化方法

2.3.1有限差分法

2.3.2有限单元法

2.3.3控制体积法

2.4三维湍流流动的数学模型

2.4.1控制方程

2.4.2边界条件

2.4.3计算区域网格剖分

2.4.4控制方程离散化

2.5 Fluent软件简介

第三章进、出水流道水力优化计算的目标

3.1进水流道水力优化计算的目标

3.2出水流道水力优化计算的目标

第四章进水流道三维湍流流动数值模拟

4.1关于进水流道

4.2肘形进水流道计算方案

4.3进水流道计算区域及边界条件

4.4进水流道计算区域网格剖分

4.5进水流道的数值计算结果

4.6本章小结

第五章出水流道三维湍流流动数值模拟

5.1关于出水流道

5.2虹吸式出水流道计算方案

5.3出水流道计算区域及边界条件

5.4出水流道计算区域网格划分

5.5出水流道的数值计算结果

5.6本章小结

第六章模型泵泵段内部三维湍流流动数值模拟

6.1模型泵水力模型及性能曲线

6.2模型泵泵段计算区域及边界条件

6.3模型泵泵段计算区域网格剖分

6.4模型泵泵段三维湍流流动数值模拟结果及分析

6.4.1模型泵泵段计算流场分析

6.4.2泵段内部能量性能计算结果及分析

6.5本章小结

第七章不同叶轮直径泵装置三维湍流流动数值模拟

7.1泵装置计算区域及边界条件

7.2泵装置计算区域网格剖分

7.3泵装置三维湍流流动数值模拟结果

7.3.1进水流道流场计算结果

7.3.2泵内流场计算结果

7.3.3出水流道流场计算结果

7.3.4流道水力损失计算结果

7.5本章小结

第八章不同叶轮直径进、出水流道模型试验研究

8.1实验内容

8.2进、出水流道模型试验研究

8.2.1进水流道模型试验装置

8.2.2出水流道模型试验装置

8.3试验准则

8.4测试设备及方法

8.4.1流量测试

8.4.2静压测试

8.4.3流道进口平均切向流速测试

8.5水力损失测试计算

8.5.1进水流道水力损失计算

8.5.2出水流道水力损失计算

8.6流道水力损失测试误差分析

8.6.1进水流道水力损失测试误差分析

8.6.2出水流道水力损失测试误差分析

8.7实验结果分析

8.7.1进水流道内的流态

8.7.2出水流道内的流态

8.7.3进、出水流道的水力损失测试结果

8.7.4进、出水流道水力损失计算值和实测值比较

8.8本章小结

第九章叶轮直径对装置水力性能及设备投资的影响

9.1叶轮直径对水泵装置效率的影响

9.2叶轮直径对水泵选型的影响

9.3叶轮直径对水泵汽蚀性能的影响

9.4叶轮直径对流道控制尺寸的影响

9.5叶轮直径对设备投资的影响

第十章全文总结与展望

10.1全文总结

10.2今后工作展望

参考文献

附图

致谢

攻读学位期间发表的学术论文