关死点工况下双吸泵叶轮时序效应数值模拟研究

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双吸泵具有大流量和高扬程的优点,被广泛应用于农业水利工程、工业流体传输、城市给排水以及区域调水等多个领域。随着科技的进步和工业的发展,各领域对双吸泵的性能和运行稳定性均提出了更高的要求。基于叶轮时序效应的优化方法可以在不改变叶片结构的前提下提高双吸泵的性能及稳定性,近年来逐渐成为双吸泵研究的一个重要方向。目前关于双吸泵叶轮时序效应的研究主要以常规工况为主,而对关死点工况的研究还比较少见,但关死点工况的研究对双吸泵性能曲线形状的控制和运行稳定性的提高具有极其重要的意义。为此,本文以一台高扬程双蜗壳双吸泵(设计流量Qd=1296 m~3/h,设计扬程为Hd=216 m)为研究对象,采用数值模拟方法研究了关死点工况下双吸泵的叶轮时序效应,进一步丰富和完善了双吸泵的优化设计方法和理论。本文主要工作内容及研究成果如下:1.对双吸泵常规工况开展了不同叶轮时序方案的内流数值模拟,并根据模拟结果分析了叶轮时序对常规工况内流特性的影响,并通过试验验证了数值模拟的可靠性。主要得到以下结论:(1)叶轮时序不改变双吸泵水力性能曲线的变化趋势,当流量大于0.8倍的设计流量时,增加叶轮时序角度可以小幅度提高双吸泵水力性能,在设计流量下,叶轮时序角度为30°的扬程较叶轮时序角度为0°增加了1.8%,效率增加了1.5%;(2)在设计流量下,叶轮时序对叶轮速度分布产生了明显影响,叶轮时序角度为0°时,叶轮速度分布最均匀;(3)在设计流量下,随着叶轮时序角度的增加,压水室高速区范围逐渐扩大,压力逐渐升高。2.对双吸泵关死点工况进行了不同叶轮时序方案的数值模拟,并根据模拟结果分析了双吸泵在各方案下的径向力和压力脉动等瞬态特性。主要得到以下结论:(1)随着叶轮时序角度的增加,关死点扬程均值和扬程最大差值都逐渐降低,最高分别降低了6.1%和67.5%;(2)叶轮时序角度为30°时,双蜗壳结构平衡叶轮径向载荷的效果最好,径向力最大值较叶轮时序角度为0°降低了70%;(3)随着叶轮时序角度的增加,压水室径向力脉动逐渐降低,径向力最大值与最小值的差值逐渐减小,径向力分布更加均匀,这降低了径向力的跃变,极大改善了关死点工况下整泵的振动性能;(4)随着叶轮时序角度的增加,压水室各监测点压力脉动主频幅值呈降低趋势,叶轮时序角度为30°与0°相比,最大降低幅度达到了82%,这能够有效降低关死点工况下由水力激励产生的振动,对双吸泵的稳定运行具有重要的意义。3.根据数值模拟结果,分析了双吸泵在关死点工况下不同叶轮时序方案的内流特性。主要得到以下结论:(1)关死点工况下叶轮内出现大量漩涡,流动极其紊乱,在隔舌附近的流道内产生了逆向流动;(2)随着叶轮时序角度的增加,压水室高压区面积减小,压力分布瞬态效应减弱,促进了压水室内压力脉动的降低;(3)叶轮时序影响了压水室螺旋段断面压力分布,进而影响了螺旋段内的轴向流动,叶轮时序角度越大,轴向流动越强烈。4.采用熵产理论结合Q准则涡识别方法对双吸泵关死点工况下不同叶轮时序方案的流动损失特性进行了研究。结果表明:(1)随着叶轮时序角度的增加,整泵流道总熵产先增大后减小,叶轮时序角度为30°较0°最大降低了7.3%;(2)叶轮和压水室是双吸泵产生能量损失的主要过流部件,两部件熵产之和占整泵流道总熵产的比例超过90%;(3)与叶轮时序角度为0°相比,叶轮时序角度为30°的叶轮高熵产区面积大幅度缩小,压水室熵产分布区域向压水室进口边收缩,两过流部件涡团分布区域缩小,流动能量损失降低。
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