【摘 要】
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虹吸式出水流道是连接水泵与出水池的衔接通道,使水流在导叶体出口流入出水池的过程中更好地转向和扩散,在不发生脱流或旋涡的条件下最大限度地回收动能,是低扬程泵站的关键组成部分且在实际工程中应用广泛,对泵装置效率与安全稳定运行有较大影响。本文采用物理模型试验和数值模拟相结合的方法,以采用虹吸式出水流道的立式轴流泵装置作为研究对象,对不同流量工况下立式轴流泵装置水力特性进行分析,重点分析了不同流量工况下出
【基金项目】
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国家自然科学基金（51609210）； 江苏省高等学校自然科学研究重大项目（20KJA570001）；
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虹吸式出水流道是连接水泵与出水池的衔接通道,使水流在导叶体出口流入出水池的过程中更好地转向和扩散,在不发生脱流或旋涡的条件下最大限度地回收动能,是低扬程泵站的关键组成部分且在实际工程中应用广泛,对泵装置效率与安全稳定运行有较大影响。本文采用物理模型试验和数值模拟相结合的方法,以采用虹吸式出水流道的立式轴流泵装置作为研究对象,对不同流量工况下立式轴流泵装置水力特性进行分析,重点分析了不同流量工况下出水流道压力脉动频率分布、能量分布和内流变化特征,得到的主要研究工作和结论如下:（1）计算得到不同流量工况时,采用虹吸式出水流道的立式轴流泵装置各过流部件内部流动特性。叶轮进口断面的压力和速度分布随叶片逆时针旋转,在叶轮进口Span=0.5处圆周测线上轴向速度分布为类正弦分布,呈现为4个高速波峰与4个低速波谷,与叶片数对应。叶轮进口断面速度加权偏流角在一个周期内变化较为稳定,仅存在小范围波动;随着流量的增大,速度加权偏流角逐渐减小。导叶体出口断面平均涡角在一个周期内变化较为稳定,随着流量的增大,平均涡角先减小后增大;小流量工况下叶轮出口切向速度较大,水流存在较大环量,导致螺旋流动较为明显。（2）基于Ω准则对导叶体和虹吸式出水流道内部涡结构进行分析,各流量工况导叶体内涡结构分布较为均匀,在小流量工况（0.3 Qbep）下,在导叶体内主要呈现为块状分布且涡结构体积较大,该工况水流混乱,存在较大的变形耗散,水力损失较大。最优工况（1.0 Qbep）和大流量工况（1.2 Qbep）下导叶体内涡结构主要分布在导叶体出口附近。导叶体出口断面存在明显的涡结构,且主要分布在两导叶体叶片之间和叶片边缘,随着流量的增加,涡旋区域逐渐减小甚至消失。在虹吸式出水流道部分,小流量工况下由于速度较小,受到惯性作用较小,涡结构主要集中在虹吸式出水流道进口处,且体积较大,在上升段主要呈现为长条状。在最优工况（1.0 Qbep）和大流量工况（1.2 Qbep）工况较强的惯性作用下,导致虹吸式出水流道出现较大程度的脱流,在经驼峰段后,在下降段产生较大体积的低速涡团;随着流量的增大,出水流道上升段涡结构进一步缩小与分离。（3）通过对虹吸式出水流道弯管段和驼峰段选取特征断面进行分区域流量分析,发现流道内存在流量不平衡的偏流特性:偏流特征在出水流道弯管段进口和出口断面呈现为左右偏流,且随着流量的增大偏流现象逐渐减弱,左右偏流比逐渐减小。而在虹吸驼峰段,偏流呈现为上下偏流,上下偏流比随着流量的增大呈先减小后增大。导叶体出口剩余环量是导致弯管段水流发生偏流的主要原因,经弯管段后水流进一步逆时针旋转,由于弯管对水流的引导作用导致偏流程度在左右方向上进一步加剧,这也导致出水流道较为混乱的流态。随着流量的增大,虹吸式出水流道无量纲环量逐渐减小,出水流道中螺旋涡结构逐渐减弱。（4）基于希尔伯特-黄变换（HHT）对叶轮、导叶体、和虹吸式出水流道进行压力脉动信号分解域能量分析,在3个特征工况下叶轮出口监测点具有明显的周期性,主频为4倍转频,压力幅值随着流量的增加逐渐减小,压力脉动高频分量能量占比沿轮毂到轮缘逐渐增大。主频幅值随着流量的增大减小,对应在大流量工况下出水流道流态相较小流量工况更为平顺。（5）采用HHT进行压力脉动信号分解与能量分析后,得到希尔伯特谱和边际谱,明晰了出水流道各监测点压力脉动频率时频分布,在3个特征工况下出水流道各监测点没有明显的周期性,压力脉动受叶轮转频的影响微弱,主频维持在20 Hz以下的低频段,平均频率为14.7Hz,且低频能量占比均超过50%。在出水流道弯管段出口、上升段、驼峰段、出口断面均可分解出少量700Hz以上高频信号,但能量占比低于1%。
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