虹吸出水双向立式轴流泵装置水力特性

论文摘要

在沿江或滨湖地区,河道水位变化情况较为复杂,单向泵站不足以有效满足引排水需要,而双向流道泵系统是满足引排水需要,最大程度减少土地资源使用的泵系统形式。考虑到轴流泵配双向流道的装置断流方式单一,闸门承担的断流任务过重等问题,结合虹吸式出水流道可以通过真空破坏阀断流的特点,伞形双向立式泵装置应运而生。伞形双向立式轴流泵装置是一种综合双向出水流道和虹吸式真空破坏阀断流优点的新型双向泵装置形式。解决了双向流道断流方式单一的问题,减少了工作闸门,改快速闸门断流为虹吸断流。虹吸式流道断流可靠,操作简单,维护方便。本文通过数值模拟计算对这种采用虹吸出水的双向立式轴流泵装置的水力特性进行分析,并比较环形虹吸出水室的结构和出水流道的底部抬升高度分别对于泵装置水力特性的影响。对于虹吸出水的瞬态过程进行了非定常计算,分析了虹吸形成的过程,并比较了不同工况下的虹吸形成过程时间。采用CFX软件进行定常原型数值计算,对带有两种不同结构的环形虹吸出水室的泵装置进行对比分析,发现曲线扩管的虹吸出水室的回流区较小,前部流量占比较高,水力损失比直锥扩管式的虹吸出水室小0.18m左右。曲线扩管虹吸出水室的设计工况下最高效率比直锥扩管虹吸出水室高了 4.12个百分点,差距较明显。对三种带有不同底部抬升高度的出水流道的泵装置进行定常数值模拟计算,发现出水流道的底部抬升高度对于出水流道内流态的变化影响较小,但会使得断面的流速略微加大。分析设计工况、大流量和小流量工况下的数据,得到水力损失在底部高度抬升时会有所增大,不抬升时最小;三种装置效率相差甚微,可以认为出水流道底部抬升高度对水力特性影响较小。综合考虑性能和检修空间等,选出了最优方案,分析多叶片角度下的水力特性。在叶片角度为0°时,在Q=7.25m3/s的工况下达到最高效率72.13%。在其他三种叶片角度下最高效率也超过了 71%。在各个角度下,叶轮进口断面流速分布均匀度都大于90%,进水流态良好。对于采用虹吸出水的双向立式轴流泵装置的水力过渡过程进行非定常数值计算。虹吸形成的水力瞬态过程可以分为水流压气,混掺排气,虹吸形成等三个阶段,整个过程在100s左右完成。其中水流压气阶段时长为2.5s,混掺排气阶段时间长达87.5s。驼峰顶部附近的压力随着时间先上升后下降,最终形成了较大的负压。驼峰顶部压力的变化规律是在初始时刻迅速增大,到水流压气阶段结束时达到最大值。驼峰顶部压力在混掺排气阶段开始逐渐下降,在24～25s左右压力的大小已经为负值,此时还处于混掺排气阶段的中期,此时环形虹吸出水室内的水位已经上升到一定高度,存在剩余空气的主要区域是驼峰顶部。后续过程中驼峰顶部压力继续降低,到60s时压力为-0.9kpa,此后趋于稳定,虹吸形成。计算结果表明,驼峰顶部压力变化平稳,能满足泵装置的运行要求。将出水水位降低0.5m时,即扬程降低0.5m时,虹吸形成的速度较快,压力变化的速度也较快,并且最终虹吸顶部压力值降低了 5kpa。数值模拟计算结果表明,预测的双向立式轴流泵装置的最高效率达到72%以上,性能优良;泵装置的虹吸形成过程较短,驼峰顶部压力变化平稳,能满足泵装置的运行要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 1 绪论
•   1.1 研究目的和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 双向流道
•     1.2.2 虹吸式出水流道
•     1.2.3 研究方法
•   1.3 本文的研究思路和内容
• 2 数值模拟计算方法、建模及网格划分
•   2.1 三维湍流数值模拟计算方法
•     2.1.1 控制方程
•     2.1.2 紊流模型
•     2.1.3 离散与求解方法
•     2.1.4 泵装置水力特性计算公式
•   2.2 数值模拟软件介绍
•     2.2.1 UGNX
•     2.2.2 ICEM
•     2.2.3 ANSYS CFX
•     2.2.4 Tecplot
•   2.3 泵装置三维建模
•   2.4 网格划分
•   2.5 定常模拟的计算参数
•   2.6 非定常的计算参数
•   2.7 定常模拟边界条件设置
•     2.7.1 进口边界条件
•     2.7.2 出口边界条件
•     2.7.3 固体壁面边界条件
•     2.7.4 交界面
•   2.8 非定常边界条件设置
•     2.8.1 进口边界条件
•     2.8.2 出口边界条件
•     2.8.3 固体边壁边界条件
•     2.8.4 交界面边界条件
•   2.9 本章小结
• 3 流动特性定常计算和性能预测
•   3.1 引言
•   3.2 环形虹吸出水室结构
•     3.2.1 计算方案
•     3.2.2 整体流态
•     3.2.3 环形虹吸出水室内典型断面平均涡量
•     3.2.4 环形虹吸出水室内截面流态分析
•     3.2.5 前后流量分布图
•     3.2.6 出水流道水力损失
•     3.2.7 泵装置性能预测曲线
•   3.3 出水流道底部抬升高度
•     3.3.1 计算方案
•     3.3.2 出水流道流态分析
•     3.3.3 出水流道内典型断面平均涡量
•     3.3.4 虹吸出水室出口流量分布图
•     3.3.5 出水流道水力损失图
•     3.3.6 泵装置性能预测曲线
•   3.4 正常运行后不同角度性能预测
•     3.4.1 多角度性能预测
•     3.4.2 流速均匀度
•   3.5 本章小结
• 4 虹吸出水瞬态过程非定常计算
•   4.1 泵装置气液流动特性
•     4.1.1 水流压气阶段
•     4.1.2 混掺排气阶段
•     4.1.3 虹吸形成阶段
•   4.2 监测点压力变化
•   4.3 出水流道上部气液运动状态
•   4.4 出水流道典型截面气液运动状态
•   4.5 不同转速下形成虹吸的时间长短
•   4.6 不同转速下的环形虹吸出水室内水流分布差异
•   4.7 不同扬程下虹吸形成过程差异
•   4.8 本章小结
• 5 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间获得的相关科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 查智力

导师: 刘超

关键词: 虹吸,泵装置,双向流道,水力特性,瞬态过程

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,水利水电工程

单位: 扬州大学

分类号: TV675;TV135

DOI: 10.27441/d.cnki.gyzdu.2019.000793

总页数: 80

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