畸变入流条件下混流泵装置水动力特性研究

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立式混流泵装置由于高效运行范围广,被广泛应用于农业灌溉,跨流域调水与防洪排涝等领域。与其他流道结构相比,簸箕型进水流道挖深高度较小,造价较低,因此具有广泛的应用前景。受到季节性水位变化、流量调节、机组位置等因素的影响,严格的垂直入流是不存在的,为研究非对称入流对混流泵装置水力性能的影响机理,本文以一进水流道为簸箕型的立式混流泵装置为研究对象,首先通过模型试验,分析对称入流条件下混流泵装置不同轴向位置的压力脉动特性。然后在多种入流角度下对泵装置内部流态进行非定常数值模拟,研究非对称入流条件对泵装置内部涡量分布、湍流强度、熵产水力损失分布的影响机理。具体研究内容如下:(1)采用动态压力传感器在簸箕型进水流道出口周向、叶轮进口、叶轮出口和导叶出口共设置七处监测点,在对称入流条件下进行多种运行工况下的压力脉动特性试验,对采集到的压力信号进行时域、频域以及时频域联合分析。试验结果表明:簸箕型进水流道的结构会导致流道出口平均压力在圆周方向上分布不均匀。叶轮进口主频幅值最高,且各频率对应的幅值信号具有良好的连续性,叶轮出口流态不平稳,主频幅值较高,且各频率对应的幅值信号连续性较差。空化工况下,进水流道出口及叶轮进口的主频幅值由于进口压降低而减小,同时,空泡产生与破裂对泵段内部流态存在扰动作用,叶轮出口、导叶出口的主频幅值明显增大。飞逸工况下,混流泵内部压力波动强度大幅度上升。(2)为分析非对称入流对进水流道内流场的影响机理,在不同的入流角度(θ=0°、10°、20°、30°)下对泵装置进行非定常数值模拟,并采用多种涡识别准则对叶轮轮缘附近的涡结构进行识别与对比,结果表明:Q准则能够更准确、清晰得识别混流泵装置内部的旋涡特征。随着入流角度增大,喇叭管下方旋涡面积增大,而中隔墩能够有效抑制喇叭管下方旋涡的产生。叶轮出口、导叶进口的Q准则涡量强度随着入流角度增大而呈现上升趋势,叶轮工作面的Q准则涡量强度则随着入流角度增大明显下降。(3)采用标准差定义泵装置内部压力波动强度与速度波动强度,对不同入流角下泵装置内部的外特性参数以及湍流强度进行分析。结果表明:非对称入流会导致泵装置设计工况点向大流量偏移。叶轮叶片背面与导叶叶片外缘的压力时均值随着入流角度增大而呈现下降趋势,压力波动强度则均随着入流角度增大而呈现上升趋势。叶轮内部时均值以及速度波动值均在小流量条件下呈现上升趋势,大流量条件下呈现下降趋势,导叶内部速度时均值及速度波动值则始终随着入流角度增大而增大。(4)基于熵产理论对泵装置各过流部件在不同入流角度下的水力损失分布进行分析,结果表明:泵装置内部湍动耗散远高于直接耗散,其中叶轮、导叶内部的湍动耗散高于其他过流部件。叶轮轮缘以及进水边附近的湍动耗散率较高,导叶叶片外缘湍动耗散率较高。小流量条件下,各过流部件内部湍动耗散随着入流角度增大而呈现上升趋势;大流量条件下,泵装置运行脱离高效区,因此随着入流角度增大,湍动耗散呈现下降趋势。
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