随着南水北调、引江济淮等大型调水工程的建设,对泵站工程的研究也越来越重视,泵站运行状态主要有稳定运行状态和瞬变的过渡过程状态。压力脉动是泵装置稳态运行时的一个重要特征,是泵站机组导致破坏的重要因素。研究不同工况下的泵装置压力脉动规律对泵装置稳定状态下的运行具有重要意义。过渡过程是泵机组从一种稳态状态到另一种稳态状态的过程,过渡过程期间的各种不稳定因素对水力机械事故的产生具有较大影响。因此对低扬程泵装置不同运行状态下的过渡过程研究对泵站科学管理与运行具有一定的理论指导作用。本文以低扬程泵站为研究对象,基于CFD计算流体动力学,采用数值模拟与试验研究相结合的方法,对低扬程泵装置在不同扬程与空化工况下的压力脉动、三维过渡过程进行了研究,本文的主要研究内容与创新点如下:1.使用UG软件对全流道低扬程混泵装置进行了三维建模,使用ANSYS/ICEM软件对泵装置进行结构化网格的划分,使用ANSYS/CFX对某一低扬程混流泵装置全流道在最低净扬程(0.5m)、平均净扬程(3.94m)、设计净扬程(9.02m)与最高净扬程(11.25m)进行了未空化和发生临界空化两种空化工况下的数值模拟,选用RNG k-ε湍流模型与Zwart空化模型。研究结果表明:(1)在不同的空化情况下,叶片工作面进口处均有一个低压区,随着扬程的升高,低压区的面积逐渐减小,在最大扬程时在叶片背面进口处出现。发生临界空化时,叶片进口处的湍动能变化比未空化时剧烈。大流量低扬程(0.5m、3.94m)工况时空化现象较为严重的区域比较大,设计扬程与高扬程工况较不明显,说明当效率下降相同时,大流量工况汽蚀现象较为严重。(2)在不同的工况下,叶轮进口处压力脉动幅值均周期性地变化,波峰与波谷变化地规律性较为明显,一个叶轮旋转周期内有3个波峰与波谷。叶轮出口处受动静干涉作用明显,一个旋转周期内有明显的谐波现象。导叶出口处峰谷的幅值较进口处略低,不同工况下一个周期内的主波峰与波谷个数差异较大。叶轮进口处与导叶出口处的压力脉动主频均为1倍叶频,导叶出口处的主频幅值略低。叶轮出口处的主频均为叶频的整数倍频,幅值最大的频率为2倍或3倍叶频,叶轮进口处有更多的高频频率,发生临界空化时,主频附近有更多的谐频成份。2.对混流泵装置进行了外特性、汽蚀特性试验,采集了不同工况下的压力脉动数据,并与数值模拟值进行了对比。结果表明:未发生空化时,数值模拟值的扬程效率比试验值略高。发生临界空化时,最低净扬程时(0.5m)数值模拟效率值比试验值低。随着扬程的增加,试验值叶轮出口处主频附近幅值较小的谐频信号在对应的空化工况下均向高频区域移动,在不同倍数的叶片频率间均有幅值较小的次主频信号有规律地出现。3.使用Fluent软件对某一低扬程轴流泵装置进行了飞逸过渡过程、断电过渡过程、快速门不同开启速度启动过渡过程的三维数值模拟。研究结果表明:(1)飞逸过渡过程时,水泵叶轮叶片的轴向力与扭矩变化趋势相似,随着时间的推移呈现出先增大后减小的变化趋势。叶轮叶片叶道内并未出现明显的局部高压区或低压区,整个飞逸过渡过程中,水泵叶轮叶道内并未出现明显的脱流等不良流态。随着叶轮转速的增加,零散的漩涡逐渐在叶轮导水锥处汇聚成较大的漩涡,机组运行较不稳定。(2)断电过渡过程时,机组从断电开始计时约经历19.6 s左右的时间即达到该扬程下的飞逸转速(219.58 r/min),而该扬程下模型泵装置试验值换算成原型泵装置试验值为226.27 r/min,与数值模拟值基本一致。事故停机时,叶轮附近监测点的水压脉动幅值随时间不断增加,当飞逸工况下叶轮转速稳定后,压强变化逐渐趋于稳定。轴向力在停泵过渡过程中逐渐减小然后反向增加,容易产生“抬机”现象,工程中应注意机组在最高扬程停机时的安全稳定性。(3)快速门额定启动速度启动过渡过程时,叶轮转速较低时,容易发生“倒灌”现象。叶轮叶片的扭矩与轴向力均先增大后减小,叶轮轴向力方向与重力方向一致,不会出现“抬机”的可能。叶轮叶片局部高压区的压强值明显高于泵装置稳态运行时叶片工作面的压强值。当快速门开启速度增加时,外特性曲线变化规律与额定开启速度基本一致。提高快速门开启速度的启动方式能够明显改善启动过渡过程中叶轮叶片的最大轴向力,但最大倒灌流量会显著上升。