双吸离心泵蜗壳面积比对水力性能的影响研究

双吸离心泵具有流量大、扬程高的特点,被广泛应用于农业输水灌溉等工程。双吸泵的蜗壳和叶轮间具有动静干涉作用,两者之间的匹配形式会对水泵的水力性能产生影响。将CFD数值模拟和已有试验数据相结合,通过研究不同比转数的双吸离心泵蜗壳面积比对水力性能的影响,得出不同比转数下双吸离心泵最优蜗壳面积比规律。研究发现,当蜗壳面积比在原有基础上增加时,其最高效率点向大流量工况偏移,且扬程和效率有下降的趋势,设计工况附近的平均效率降低;当蜗壳面积比减小时,其在一定范围内扬程和效率均出现上升,最高效率点偏向于小流量工况,但是当降低到一定程度时,扬程和效率均会出现急剧的下降,最终通过总结各个比转数双吸泵的最优蜗壳面积比,得到随着比转数的增加,最优蜗壳面积比增加,高效区范围逐渐加宽这一规律。

泵站站内机组运行组合的优化研究

泵站可为工、农业用水提供保障,在不同的季节、不同的时间段用水需求不同,所以供水泵站要根据实时的需水要求供水。首先分析了泵站运行的准则,通过选择泵站运行功率最小为准则,针对泵站站内采用逆序递推动态规划法,以某提水工程总干二级为例进行站内优化,优化结果与实际运行相比,其机组组合情况发生变化,单位时间内降低了18.6%的能耗。优化后泵站站内运行情况可根据用水区的需求,保证泵站安全运行的前提下寻求最优的调度方式,提高泵站的运行效率,降低泵站整体运行的成本,最大程度地创造经济效益和社会效益。

大型泵站装置系统的CFD并行计算及分析

关于泵站的研究,一般是把进出水建筑物从泵站其他装置中分离出来作为单独的研究对象。为了研究泵站全流道CFD计算与泵站各过流装置单独计算的异同,对泵站装置系统进行全流道CFD数值计算。以某泵站二期工程为研究样本,进行1:1建模,网格划分。采用湍流模型进行并行计算,设置多组对照试验模拟计算。通过对比各组模拟结果中水泵流量、扬程、效率,对部分流道流动状态进行分析。

多级提水泵站优化调度研究

泵站可用于田间配水、城市用水,多级泵站大多建在西北黄土高原地区,由于各区域用水分布不均,输水系统复杂以及运行管理等问题,多级提水泵站需要进行系统的优化调度。以某多级提水泵站为研究对象,当泵站在正常情况下运行时,即流量为6.1 m^3/s,对于泵站级间采用粒子群算法,优化结果与实际运行情况相比,各级泵站水位发生微调,在该流量下水位实现一个相对较好的组合,单位时间内可节约1.66%的能量,一年大约可节约98万kWh。优化后多级泵站从整体降低了能耗,在尽可能提高其运行效率、降低能耗的基础上,使其在安全、经济的情况下运行。

双吸离心泵叶轮交替加载技术在固海泵站增流改造中的应用

为破解宁夏中部干旱带缺水难题,宁夏水利厅提出了固海扬水工程泵站“6+1”增流改造,即增加渠首泵站流量3.8 m^3/s。为了解决后续梯级泵站增流的问题,采用双吸离心泵叶轮交替加载技术对后续泵站叶轮进行改进设计,并针对固海扬水工程长山头和大柳木泵站两个型号共4台机组进行叶轮的试验改造和运行。结果表明,长山头泵站和大柳木泵站双吸离心泵叶轮应用交替加载技术改进设计后,机组流量均满足泵站增流设计的流量要求,水泵效率分别提高了13.6%和5.4%,泵站装置效率分别提高了9.2%和2.4%;现场的试验水泵和电机均运行正常,而且振动及噪音均小于未更换增流改造叶轮的水泵机组,水泵运行平稳,叶轮进口无明显汽蚀。研究成果为解决固海扬水工程增流改造提供了低成本的解决方案,也为其他泵站的改造提供了参考。

开机组合对泵站进水系统泥沙浓度分布的影响

针对泵站来流含沙条件下不同开机组合对进水系统泥沙浓度分布的影响问题,该研究开展了基于欧拉-欧拉算法的大型泵站进水系统固液两相流数值分析。首先,为了定量描述泥沙对流场均匀性的影响,对比分析了清水和浑水情况下进水流场的流速分布均匀度和回流系数,发现质量浓度10 kg/m^(3)且粒径为25μm的泥沙会使进水流场内的同轴漩涡变成沿水深方向更大尺度的螺旋状漩涡,进水池内的回流系数增长20.6%,流速分布均匀度下降8%。其次,通过对不同开机台数和机组组合方式下进水系统内泥沙浓度分布的对比分析,发现前池和进水池两侧边壁附近泥沙浓度最高,与引渠等宽的中心区域泥沙浓度最低,两侧边壁的泥沙浓度随开机台数的减少而增大,边机组不运行会破坏流场的对称性并在边机组与边壁区域形成死水区或漩涡区,增大泥沙浓度;基于开机组合的多工况分析,建立来流速度与流场内泥沙沉积效率的二次多项式模型。最后,开展了泥沙浓度与速度之间的相关性分析,发现泥沙浓度与横向速度平方呈幂函数关系,当泥沙粒径为25μm且质量浓度为10 kg/m^(3)时,进水流场的不淤速度为0.421 m/s,并且不淤速度随开机台数的减少而降低。研究结果可为含沙泵站进水系统防淤措施设计提供依据。

导叶式混流泵空化特性优化研究

导叶式混流泵被广泛应用于工农业调水输水中,本研究针对导叶式混流泵临界空化系数不满足设计要求的情况开展空化性能的优化。通过对空化体积与低压区位置的比较,定义“叶片前缘低压控制体”概念作为空化性能的判定标准。采用扩散角积分法进行叶片前缘几何形状的参数化,简化为前缘椭圆弧长短轴比、直线扩散角、厚度积分表达式系数三个优化参数。以0.7、1.0、1.2倍设计工况下的加权“叶片前缘低压控制体”体积系数为优化目标,采用全域动态判据优化算法进行寻优,最终得到空化性能的优化方案。对比分析优化前后的空化性能发现,空化规模有效降低,三个工况下的临界空化系数均满足设计要求,且水力性能不受到显著影响。以“叶片前缘低压控制体”体积作为优化目标来提高水泵空化性能具有合理性及良好的可适性。

不同湍流模型在水翼前缘空化流场数值计算中的应用研究

叶片前缘空化是水力机械最常见的空化类型之一,可导致水力机械效率和运行稳定性大大降低.为了精准预测前缘空化条件下的流场特性,文中以NACA0009水翼为对象,探讨了Reynolds-averaged Navier-Stokes equation(RANS)、Detached eddy simulation(DES)和Large eddy simulation(LES)三种湍流模型在空化流场计算中的应用.讨论了湍流模型对空化形态、近壁区速度分布的影响,结果表明:RANS湍流计算方法无法得到空泡形态的动态变化,DES湍流计算方法得到的空泡形态在一个流动周期内变化较小,且尾部存在空泡脱落现象,而LES湍流计算方法得到空泡瞬态特性增强,空化形态和位置随时间变化较大;在远离壁面的区域,RANS、DES和LES三种湍流模型预测速度均与实验值较为吻合,在近壁区LES方法吻合结果最好.

弯管角度对充水阀过流能力影响的数值计算研究

弯管角度对充水阀过流能力有重要影响。本文借助ANSYS CFX平台对弯管角度分别为90°和105°的进水口快速闸门DN500充水阀开展了数值计算研究。采用基于k-ε湍流模型的雷诺时均方法,比较分析了7种不同闸门开度条件下两种角度弯管的流量、阻力系数和水力损失等过流性能。结果表明:阀门开度增大能够提高阀门过流能力,降低阻力系数;在大开度下,105°弯管相比90°弯管能有效提高阀门的过流能力,平均过流量增加14. 1%,最大过流量增加16. 39%;当出口未出现回流现象时,105°弯管出口流场分布更加均匀、流畅。

波浪条件下单桩冲刷大比尺试验研究

发展海上风电技术在国家“双碳”战略中具有重要意义,单桩冲刷深度的预测是海上风电单桩冲刷研究的热点。受比尺效应的影响,传统的小比尺物理模型通常会导致冲刷深度预测公式的适用性受到限制。为此,该文在1∶13的大比尺物理模型中开展了局部冲刷试验,研究了不规则波条件下,KC(Keulegan-Carpenter)为4~9时,单桩周围的平衡冲刷深度和冲刷坑体积。研究发现,通过改进KC的计算方法,能够提高现有公式在不规则波条件下预测平衡冲刷深度的准确度。此外,提出了单桩周围局部平衡冲刷深度和冲刷坑体积的公式,为单桩防护施工时的抛石冗余量估算提供了简便的预测方法。

基于颗粒轨道模型的离心泵叶轮泥沙磨损数值预测

基于两相流颗粒轨道模型和Tabakoff磨损模型,对某型号单吸泵进行数值模拟得到不同泥沙条件和不同入口条件下颗粒运动轨迹和磨损规律。不同泥沙条件共设定7组方案,即颗粒质量分数为10%时,颗粒粒径分别为0.01、0.05、0.1、0.5 mm,以及颗粒粒径为0.5 mm时,颗粒入口质量分数分别为2%、5%、8%、10%。结果表明,离心泵叶轮的磨损主要分布在叶片工作面和后盖板;粒径增大,颗粒向叶片工作面进口边的运动速度增加,形成点状的冲击式磨损;粒径减小时,在叶片工作面靠近出口边处逐渐形成条状的擦伤式磨损;颗粒质量分数对磨损率影响十分显著,而对磨损形态和位置没有影响;颗粒在入口分布的均匀度越大,叶轮内磨损形态的分散程度及磨损位置的轴对称性越明显。

双吸离心泵叶轮交替加载设计方法

双吸离心泵内部的压力脉动是影响机组运行稳定性的关键因素之一。为了减轻压力脉动,分析了引起双吸离心泵压力脉动的主要原因,研究了不同类型的叶片载荷曲线对双吸离心泵流态的影响,建立了叶片加载方式、叶片出口倾角和叶轮交错角与泵内二次流及压力脉动的关系,提出了能够抑制二次流、降低压力脉动的叶轮交替加载设计方法。在新的设计方法中,叶片载荷曲线具有盖板前加载、轮毂后加载的混合加载模式。基于该方法所生成的双吸叶轮具有轮毂两侧交错布置、叶片出口边正向倾斜、盖板和轮毂包角差小的特点。通过在一大型引黄灌溉泵站的试验表明,该方法可将双吸离心泵压力脉动主频的幅值降低到原来的1/5左右,同时还可改善泵的最优效率和高效区。该方法为大功率双吸离心泵的优化设计和更新改造提供了一种新的技术途径。

旁通阀对长距离重力流输水管线水力过渡过程的影响

为研究旁通阀在长距离重力流输水管路检修过程中的作用,基于特征线法,建立了旁通阀计算模型.结合某大型重力流输水工程,对设置旁通阀与否的管路水力过渡过程进行了分析.结果表明,不设置旁通阀时,检修阀关闭会引起系统较大升压;设置旁通阀后,系统压力波动明显变缓,最高压力包络线与设计压力线在检修阀下游几乎重合,在检修阀上游稍有升高,相应地,最低压力包络线在检修阀上游与设计压力线稍有下降,在检修阀下游几乎重合.通过调试检修阀与旁通阀的关闭规律可以发现,检修阀关闭时间一定时,旁通阀关闭时间越长,最大压力越小,压力波动越平缓;而旁通阀关闭时间一定时,检修阀关闭时间的变化对压力波动形状影响不大,但会影响压力波动的开始时刻.同时,对不同管段检修工况压力极值统计发现,旁通阀对系统不同位置管段的防护程度不同,对起点和末端管段的压力防护作用最大.

JP75卷盘式喷灌机水涡轮水力性能分析与结构改进设计

为了揭示JP75卷盘式喷灌机切击式水涡轮的水力性能及内部流动特征,采用电涡流制动器阻力代替喷灌机负载,进行水涡轮水力性能试验,并基于SST k-ω模型对水涡轮内部流动进行数值模拟。在此基础上,通过模拟正交试验对影响水涡轮水力性能的主要因素进行分析。研究结果表明,水涡轮进出口水头差及输出功率随流量增加近似呈抛物线型增加,不同工况下水涡轮效率均低于35%;水涡轮喷嘴出口处存在回流区,回流区的低速流动降低了喷嘴射流速度,造成水涡轮驱动力矩下降;叶轮内存在一个主过流叶片通道,喷嘴出流在叶轮内主要由主过流通道流经叶轮,主过流通道内叶片工作面压力高于其他区域;叶片出口侧环形流道内流速相对较高,对叶轮内非主过流通道流动起阻滞作用,导致叶轮区形成回流漩涡;喷嘴出口直径和叶片侧端间隙大小对水涡轮水力性能有显著影响,模拟正交试验获得了喷嘴出口直径24 mm、叶片侧向切削点与叶轮旋转轴径向距离52.7 mm、叶片侧端间隙6.8 mm的水涡轮改进方案;与原型水涡轮相比,不同工况下,改进方案水涡轮的进出口水头差降低了20%~30%,输出功率提高了10%~15%,效率提高了12~17个百分点,最高可达52.21%。

基于遗传算法的轴流泵优化设计

针对轴流泵进行水力性能设计和优化,在满足设计要求的基础上,实现泵机组水力性能的提升.在优化过程中,控制叶片安放角为优化参数,采用遗传算法及二进制编码对轴流泵进行优化.在遗传操作过程中,以水力效率为优化目标函数,借助计算流体动力学对目标函数进行求解.根据验证结果可见,优化之后,轴流泵的水力性能得到提高并达到设计要求工况,其水力效率从81.68%提高到86.19%,扬程从3.73 m提高到4.56 m.通过流动分析得出,优化之后,由于叶片吸力面与压力面之间的压力差增大,水泵扬程得以提升.根据对水力损失的分析得出,由于泵内水力损失的减小,水泵的效率明显提高.同时,最优效率点移动到设计工况,高效区明显扩大.所采用的数学优化方法能够快速有效地对轴流泵进行优化设计,在原有设计方案的基础上,可有效地进行水力性能的提升.

基于大涡模拟的离心泵动静干涉数值分析

为探究动静干涉作用对离心泵内流场的影响,选取某一离心泵,采用CFD方法中的大涡模拟并结合滑移网格对包含叶轮及导叶的计算域进行了数值计算分析,在对计算所采用的网格进行收敛性分析、确保计算结果可靠性的基础上,对所选取的离心泵进行了非定常计算,并对计算结果进行了相位平均处理。结果表明:所采用的计算方法能准确捕捉离心泵中压力及速度场的分布规律;动静干涉作用中的尾流与势流对速度及压力场的影响不同,速度场受2种机制的共同作用,而压力场则主要受尾流影响。

热水循环加热厌氧反应器的稳态数值模拟分析

对于厌氧发酵系统,温度分布是否均匀是影响产气效率的关键因素。本研究通过在10L厌氧反应器中分别对水和TS为12.4%（质量分数）的发酵料液进行加热的热平衡试验,运用Fluent软件对厌氧污泥传热特性进行仿真模拟,通过传感器监测温度变化,得出水的温度分布与高TS料液有很大差异,而且在没有搅拌装置的情况下进行高TS料液的传热仿真,不能将其物性参数默认为水。在对水进行传热仿真时发现,对于低TS料液进行仿真要考虑料液间的对流换热,因此需调用Boussinesq假设,调用该假设后,模拟与试验最大误差仅为4.2%。对换热管壁面厚度设置作出分析并得出：在Fluent中设置虚拟壁面与在Gambit中直接绘制壁面模型两种方法具有相同效果,而前者可以简化模型并减少计算时间。此外,在进行高TS仿真时发现最适合这种热水循环加热系统的湍流模型为可实现k-ε模型（Realizable k-ε）。

大型泵站进水流场组合式导流墩整流效果分析

大型泵站前池和进水池经常存在表面旋涡和附壁涡,从而影响水泵运行稳定性。而由于大型泵站的尺度大,单一型式的导流墩很难改善这类泵站的进水流场。该文以广东省永湖泵站为研究对象,采用数值计算和现场测试相结合的方法,研究了组合式导流墩在改善大型泵站前池、进水池流态方面的效果,构建了由八字型导流墩、川字型导流墩和十字型消涡板相结合的组合式导流墩。三维流体动力学计算发现,组合式导流墩利用前端的八字型导流墩降低前池扩散角,减弱前池大尺度表面旋涡,借助后续的川字型导流墩调整流动均匀度,将水流均匀导入进水池,再通过水泵吸水喇叭管下部的十字型消涡板去除水泵吸水喇叭管周边的附底涡,提高流速分布均匀度,经计算喇叭管底面、水泵进口断面流速分布均匀度分别提高了7.8%、10.6%。实际测试表明,组合式导流墩将水泵最大压力脉动降低17.1%,将水泵振动由D区降低到C区,达到水泵技术标准规定的振动要求,保证了泵站的安全稳定运行。该研究对大型泵站建设提供了参考。

基于压差式施肥罐的均匀施肥方法

压差式施肥罐是水肥一体化中应用较为广泛的施肥装置,但它容易产生施肥不均匀的问题,会因局部过量施肥造成土壤污染,还会影响作物的产量和品质。为利用计算机控制压差式施肥罐进行田间作物的恒定浓度和流量施肥,该文基于肥料连续方程推导了解析解,由计算机控制流入施肥罐的流量和直接流过主管道进入灌溉系统的流量。在此基础上,该文通过试验数据验证了施肥罐内水肥流动数学模型,对解析解控制压差式施肥罐的恒定浓度和流量施肥进行了模拟,模拟结果与解析解的相对偏差小于15%,验证了该均匀施肥方法的合理性。结果表明以最优肥液浓度的±50%为界,传统压差式施肥罐使用过程中约有70%~80%的肥料处于过量施肥或不充分施肥范围内,通过均匀施肥方法,可以基本实现灌溉过程中基于压差式施肥罐的施肥均匀。

考虑肥料溶解的压差施肥罐出口肥液浓度计算方法

压差施肥罐在中国的水肥一体化中得到了十分广泛的应用。该研究基于含源项的肥料输移扩散连续方程推导了考虑肥料溶解的压差施肥罐出口肥液浓度变化的理论公式,并通过参数描述肥料溶解过程对压差施肥罐出口肥液浓度变化的影响。通过与试验数据对比,理论公式计算的无量纲出口肥液浓度平均绝对偏差、均方差、几何平均偏差、几何方差和两倍偏差之间的预测分数的平均值分别为0.04、0.06、0.89、1.19和88.26%,验证了理论公式对出口肥液浓度计算的准确性。当参数取特定值时,理论公式可以转化为目前广泛应用的无量纲出口肥液浓度压差施肥罐出口肥液浓度的负指数公式。在此基础上,当罐内肥液浓度持续饱和且有充足的肥料可供长期溶解施肥时,考虑肥料溶解过程的均匀施肥方法被进一步探讨。该研究提出的考虑肥料溶解的压差施肥罐出口肥液浓度的计算方法可以实现压差施肥罐出口肥液浓度的准确预测,为考虑肥料溶解的均匀施肥提供可行方案。