非设计工况下潜水贯流泵内部流动数值模拟及试验研究

论文摘要

潜水贯流泵是将潜水电机与贯流泵技术相结合的一种装置型式,由于其水力性能优良、结构形式紧凑、抗噪性良好和运行费用低等特点,在城市雨水泵站、防洪排涝和灌溉方面有良好的应用前景。潜水贯流泵装置适用于低扬程泵站,低扬程泵站对水位、流量等条件的变化比较敏感,水泵在实际应用中并不一定在设计工况下运行。为了深入研究潜水贯流泵装置在非设计工况下的内部流动情况,进一步提高泵装置的水力性能和效率,本文运用数值模拟和试验研究方法,对潜水贯流泵装置内部流动特性进行研究,对于理解并掌握非设计工况下潜水贯流泵装置内部流动具有一定现实意义。利用ANSYS CFX软件对潜水贯流泵装置进行三维非定常数值模拟计算,分析了非设计工况下泵装置内部流动情况和压力脉动特性。由于叶片旋转的影响,叶轮进口截面和叶轮出口截面的轴向速度分布、静压分布呈现和叶片数对应的周期性。小流量工况下,水流对叶轮叶片冲角较大,叶片表面和轮毂附近存在脱流、回流和漩涡等不稳定流动现象;导叶体叶片吸力面和导叶体轮毂附近存在回流、脱流和漩涡等不稳定流动现象,在导叶体中间截面达到最大范围,此时导叶体未完全回收环量,水流经导叶体通道后做轴向流动和环向旋转的螺旋流动。大流量工况下,叶轮内水流流态较好;导叶体内流线分布均匀性较高,漩涡区存在导叶体通道内叶片压力面附近。潜水贯流泵装置叶轮室和导叶体附近脉动主频以叶频及其倍频为主,同一工况下,从叶轮进口到灯泡体尾部,压力脉动幅值不断减小。小流量工况下压力脉动较设计工况和大流量工况大,因此应尽可能避免潜水贯流泵装置在小流量工况下运行。不同流量工况下,叶轮进口和叶轮出口截面,压力脉动从轮毂到轮缘逐渐增大。通过潜水贯流泵闭式试验台进行不同转速下外特性和压力脉动测量,对比分析了不同转速下数值模拟和模型试验外特性差异,分析了不同转速、不同监测点、不同流量工况下泵装置轴向监测点时域与频域变化情况。潜水贯流泵装置3次重复性试验外特性趋势完全一致,相近工况下数值结果非常接近,表明试验台测试结果的稳定性和可靠性。对比泵装置数值模拟结果和试验结果可以发现,外特性趋势基本一致,数值模拟和试验的Q-H曲线吻合较好。小流量工况下,数值模拟算得效率高于试验,大流量工况则相反。通过幅值分析可以看出,当转速为1200 r/min和1450 r/min时,随着流量的增大,潜水贯流泵装置脉动轴向脉动监测点均方根值呈不断减小趋势,导叶体出口偶有增大情况;当转速为900 r/min时,随着流量的增大,叶轮出口脉动均方根值不断减小,导叶体中间截面脉动均方根值先减小后增大,从导叶体中间截面往后4个轴向脉动监测点均方根值不断增大。通过频域图分析可以看出,不同转速下,受到旋转叶轮的影响,叶轮出口截面的脉动主频为叶频。随着转速的增大,泵装置6个轴向监测点次主频范围往小频率方向偏移。比较同一转速、不同流量工况下,叶轮出口脉动主频幅值随着流量的增大而减小,其余监测点脉动主频幅值变化未有明显规律性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 不稳定流动研究现状
•     1.2.2 压力脉动研究现状
•   1.3 本文主要研究内容
• 第2章 数值模拟方法
•   2.1 泵装置几何模型
•   2.2 网格模型
•   2.3 控制方程及其离散化
•     2.3.1 连续方程
•     2.3.2 动量方程
•     2.3.3 控制方程离散化
•   2.4 湍流数值模拟方法及湍流模型
•     2.4.1 湍流数值模拟方法
•     2.4.2 湍流模型
•   2.5 边界条件设置
•     2.5.1 进口边界条件
•     2.5.2 出口边界条件
•     2.5.3 壁面边界条件
•     2.5.4 交界面设置
•   2.6 网格无关性分析
•   2.7 本章小结
• 第3章 不同流量工况下泵装置内部流动分析
•   3.1 不同流量工况对叶轮内部流动的影响
•     3.1.1 叶轮内流速分布
•     3.1.2 叶轮内特征截面轴向速度分布
•     3.1.3 叶轮内不稳定流动发展过程
•   3.2 不同流量工况对导叶体内部流动的影响
•     3.2.1 导叶体内特征截面静压分布
•     3.2.2 导叶体纵剖面静压云图
•     3.2.3 导叶体内不稳定流动的发展过程
•   3.3 泵装置数值模拟压力脉动分析
•     3.3.1 压力脉动监测点位置的选取
•     3.3.2 压力脉动分析方法
•     3.3.3 不同流量工况对叶轮进出口压力脉动的影响
•     3.3.4 不同流量工况对导叶体内压力脉动的影响
•     3.3.5 不同流量工况对灯泡体内压力脉动的影响
•   3.4 本章小结
• 第4章 泵装置外特性及压力脉动试验分析
•   4.1 外特性试验
•     4.1.1 试验装置及仪器
•     4.1.2 外特性试验步骤及方法
•     4.1.3 外特性重复性试验
•     4.1.4 外特性数值模拟和试验结果对比
•   4.2 压力脉动试验
•     4.2.1 试验装置及仪器
•     4.2.2 压力脉动试验方法及内容
•     4.2.3 压力脉动幅值分析
•     4.2.4 不同转速下压力脉动频域分析
•   4.3 本章小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间获得的相关科研成果
•   一、发表的学术论文和申请的专利
•   二、参与的科研项目
•   三、获得荣誉及奖励

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴俊欣

导师: 金燕,张仁田

关键词: 潜水贯流泵,非设计工况,非定常,模型试验,压力脉动

来源: 扬州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 扬州大学

分类号: TV136.2

总页数: 74

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