轴流泵喇叭管进水流道流动数值模拟和试验

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进水流道是泵站前池和水泵的叶轮室之间的过渡段,其主要作用都是使水流加速和更好地转向,为叶轮室进口提供良好的进流条件。进水流道按进水方式可以分为弯管进水流道和喇叭管进水流道,喇叭管进水流道的优点是流道高度较低,故挖深较小且便于施工。喇叭管进水流道要求具有适宜的悬空高、有一定的后壁空间以及足够的宽度,以便水流均匀的从四周进入喇叭管内。如果喇叭管进水流道设计不当则会产生回流及旋涡,导致叶轮进水不对称,叶轮内部流动脱流的发生,引起水泵压力脉动增大,振动加剧,恶化泵装置工作状态,从而降低泵装置的效率、水泵的汽蚀性能以及安全性。因此,深入地研究泵站喇叭管进水流道的水力设计对理论研究和工程实际都有重要的意义。  本文采用数值模拟和实验相结合的研究方法对喇叭管进水流道的主要形状尺寸(包括进水流道的喇叭管高度、悬空高、后壁距)对泵装置性能影响,重点研究了喇叭管进水流道宽度对侧壁旋涡的影响以及侧壁旋涡形成、流动机理。首先采用单因素法对不同形状尺寸的喇叭管进水流道进行包括水泵在内的全流道泵装置数值模拟,同时引入进水流道出口截面轴向流速均匀度、进水流道水力损失和泵装置效率等目标函数来分析比较计算结果,然后重点分析侧壁旋涡的核心区域的细部流动结构和涡核附近切向速度的发展规律,最后通过V3V三维体流场测量技术对侧壁旋涡进行流场测量,并将实验得到的结果和数值模拟的结果进行比较分析,对比发现V3V测试得到的结果与CFX计算结果较为吻合。  数值计算结果表明:  (1)喇叭管高度对喇叭管进水流道内部流态和水力性能有重要的影响。在进水流道名义高度一定的条件下,随着喇叭管高度的增加,悬空高的减少,进水流道典型截面速度分布和喇叭管下方截面压力分布先趋向均匀后趋向紊乱,出口截面流速均匀度和泵装置效率都是先增大后减少,水力损失先减少后增加。当Ht=0.4D0时,速度分布最均匀,流速均匀度最大,水力损失最小,泵装置效率最高。通过内流场流态和外特性指标综合分析得出喇叭管高度Ht的推荐范围为0.3D0~0.6D0,最优值为Ht=0.4D0。  (2)悬空高对喇叭管进水流道内部流态和水力性能显著的影响。在喇叭管高度一定的条件下,当悬空高C<0.4D0时,进水流道内部流态和各水力性能评价指标均较差;当悬空高C=0.4D0~0.8D0时进水流道内部流态和各水力性能评价指标均较好。当悬空高C=0.8D0时,水流流态最好,进水流道出口截面流速均匀度最高,水力损失最小,泵装置效率最高。通过内流场流态和外特性指标综合分析得出悬空高C的推荐范围为0.4D0~0.8D0,最优值为C=0.8D0。  (3)后壁距对喇叭管进水流道内部流态和水力性能有较大的影响。当后壁距T=0.8D0~1.0D0时,进水流道内部流态和各水力性能评价指标均较差;当后壁距T=1.0D0~1.6D0时进水流道内部流态和各水力性能评价指标均较好。当后壁距T=1.2D0时,水流流态最好,进水流道出口截面流速均匀度最高,水力损失最小,泵装置效率最高。通过内流场流态,外特性指标和土建投资综合分析得出后壁距T的推荐范围为1.0D0~1.4D0,最优值为T=1.2D0。  (4)宽度对喇叭管进水流道侧壁旋涡具有决定性的影响,大流量工况下随着流道宽度B的减少,侧壁涡管的直径和范围、典型截面侧壁旋涡涡核区域的涡量值均越来越大。因此,在设计进水流道时,为了防止产生较强的侧壁涡带,流道宽度B的推荐范围为2.8D0~3D0。  V3V测试结果表明:侧壁旋涡的运动范围是从进水流道一侧产生随水流一起进入喇叭管,并可能在与喇叭管内部和其他旋涡交汇形成一明显涡管,消散于叶轮室内部。侧壁旋涡涡核区域水流切向分速度的分布规律是自涡核中心向四周扩展并迅速增大,其中涡核核心区域(R=0mm)切向速度均为0左右,流速梯度在R=3~5mm左右达到最大值,侧壁旋涡涡核区域的旋转流动符合强迫涡特征,V3V测试得到的结果与CFX计算结果较为吻合。
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