（农业水土工程专业论文）双吸离心泵站水力稳定性研究.pdf

摘要 双吸离心泵作为离心泵的一种重要形式，凼具有流量大、扬程高的特点，在调水工程等重要 场合得到广泛应用双吸泵内部湍流的压力脉动会引起机组的振动和噪声，进一步将导致泵站系 统的管路和元件损坏；泵站进水池往往存在不良流态并伴随着漩涡，导致水泵进口处流态恶化， 从而引发机组汽蚀或效率下降，严重时导致泵站不能正常运行；泵站管路系统的水力损失计算对 于泵站的设计及运行具有重要意义，若管路系统水力损失计算偏差较大，将导致水泵机组在偏离 设计流量下工作。本文针对双吸离心泵站存在的上述问题，采用数值方法进行了深入研究 对于双吸离心泵在不同工况及不同隔舌间隙下的内部流场，采用大涡模拟方法进行了非定常 数值模拟，并在此基础上预测了泵的外特性，预测得到的效率值与试验结果之间相对误差不超过 3 。计算得到的内特性信息显示双吸离心泵内部流场呈现强烈的非定常特性，隔舌区的压力脉动 频率以叶片的通过频率为主，而叶片区的压力脉动频率则是以叶轮转频为主，泵内压力脉动幅值 随着偏离设计工况程度的增加而显著增加：在0 6 2 、0 8 和1 2 倍设计流量工况下，隔舌处的压力 脉动幅值分别比设计工况大2 1 9 、1 0 5 和2 0 5 ；设计工况不同隔舌间隙下，隔舌区压力脉动 幅值在l 倍叶片通过频率处的变化不明显，但是在2 倍叶片通过频率处随着隔舌间隙增大，压力 脉动最大幅值随之减小，隔舌间隙在增加大约4 时，2 倍叶片通过频率处的脉动幅值降低了约 3 3 。 采用三种不同的湍流模型模拟了泵站进水池模型内部流态，并与试验结果进行漩涡大小、形 状和强度的比较，结果表明，r e a l i z a b l ek - e 模型的模拟结果与试验结果最为接近。在此基础上。 对正在建设中的惠南庄泵站进水池流态进行了数值模拟，得到了进水池内部流动特征，对进水池 内部漩涡的产生及其强度进行了分析，研究表明，随着水位升高，泵站进水池内的附壁漩涡强度 会降低多台泵的联合运行对于泵站前池及进水池内流态影响较大文中设计了三种降低进水池 旋涡强度的除涡装置，并对除涡效果进行了分析，发现在进水池底部增加圆锥形凸台，可有效减 弱泵站进水池内的漩涡强度。 采用c f d 方法计算了惠南庄泵站管路系统的水力损失，据此确定了惠南庄泵站水泵运行工 况点，并与传统水力学方法计算的结果进行了比较。结果表明，惠南庄泵站水泵的实际运行工况 点有可能偏向于大流量工况，由此带来的机组超载等问题需要引起惠南庄泵站有关设计和运行部 门的注意。 关键词：双吸离心泵，泵站，进水池，水力稳定性，数值模拟 a b s t r a c t t h el m f e s s g r ef l u c t u a t i o n so ft u r b u l e n c ei nd o u b l e - s u c t i o np u m pc o u l dl e a dv i b r a t i o na n dn o i s ei n p u m ps y s t e m ，e v e nc o u l dd e s t r o yt h ep i p es y s t e ma n dc o m p o n e n t so f p u m p s t a t i o n v o r t e xo f t e na p p e a r i np u m ps t a t i o ns u m p ，a n di tc o u l dl e a dt oe q u i p m e n to p e r a t i o nw i t hv i b r a t i o n , c a v i t a t i o n sa n dl o w e f f i c i e n c y , 6 w c um o r ei tc o u l dd e s t r o yt h e 或n k = t l j mo fp u m ps t a t i o n s h y d r a u l i cl o s sc a l c u l a t i o no f p i p e l i n es y s t e m i s v e r yi m p o r t a n tf o rp u m ps t a t i o nd e s i g na n do p e r a t i o n i ft h eh y d r a u l i cl o s s c a l c u l a t i o ni sf a r e rf r o mt h ef a c t , p m pu n i t si nt h es t a t i o nw o u l dw o r ki no f f d e s i g nc o n d i t i o n s , a n dt h i s w o u l dc a u v i b r a t i o na n dn o i s eo fp u m ps y s t e m i nt h i sp a p e r , t h ea f o r e m e n t i o n e dp r o b l e m si n d o u b l e - s u c t i o nc e n 们f u g a lp u m ps t a t i o nw t fn u m e r i c a l l ys t u d i e dw i t hc f da p p r o a c h t h eu n s t e a d yf l o wi nad o u b l e - s u c t i o np u m pu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n dd i f f e r e n t v o l u t et o n g u e - i m p e l l e rc l e a r a n c e sw a ss t u d i e db yl e sa n de x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep u m pw c t i e p r e d i c t e d t h ec a l c u l a t e de f f i c i e n c ya g r e e sw e l lw i t ht h ee x p e r i m t mr e s u l t s , a n di t sm a xr e l a t i v e 洲 i sl e s st h a n3 t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tb l a d ep a s s i n gf r e q u e n c yd o m i n a t e st h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o n s t 哪t h ev o l u t et o n g u e ，i m p e l l e rr o t a t i o nf r e q u e n c yd o m i n a t e st h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o n so nt h eb l a d e ，a n d t h ea m p l i t u d eo fp r e s s u r ef l u c t u a t i o n si sl a r g e rw h e nt h ep u m po p e r a t i o nc o n d i t i o ni sf a r e rf m mt h e d e s i g np o i n la tt h e6 2 8 0 0 , 6a n d1 2 0 o fd e s i g nf l o wr a t ec o n d i t i o n s , t h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o n a m p l i t u d e sa r er e s p e c t i v e l y2 1 9 , 1 0 5 a n d2 0 5 l a r g e rt h a nt h ea m p l i t u d ea td e s i g nf l o wl i n e t h r e et w oe q u a t i o nt u r b u l e n c em o d e lw e r ev a l i d a t e di nc f ds i m u l a t i o no fap u m ps u m pm o d e l w i t he x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o w t h a t t h es i m u l a t i o nr e s u l t s o f r e a l i z a b l e k - z m o d e la g r e e s b e t t e r w i t h t h ee x p e r t m e mt h a nt h eo t h e rt w oo n e s t h e nt h ep r a c t i c a lp u m ps u m p so f h u i n a n 矗u a n gp u m ps t a t i o n w e r ei n v e ：s t i g a t e dn u m e r i c a l l yw i t hr e a l i z a b l ek - zm o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a tv o r t i c i t ym a g n i t u d eo f w a l la t t a c h e dv o r t e xb e c o m e sw e a k e rw i t ht h ei n c r e a s eo f p u m ps u m pw a t e rl e v e l , a n dm u l t io p e r a t i n g p u m p sh a v er e l a t i v e l yb i g g e ri m p a c tt ot h ef l o wp a t t e r n si nt h ew h o l ep u m ps t a t i o ns u m p s w i t ht h e a n t i - v o r t e xd e v i c eo f t a p e rt h ev o r t i c i t ym a g n i t u d eo f f l o o ra t t a c h e dv o l - t e xd e c r e a s e so b v i o u s l y t h ep i p e l i n e s y s t e mh y d r a u l i cl o s so fh u i n a n z h u a n gp u m ps t a t i o nw a sc a l c u l a t e db yc f d a p p r o a c hi nt h i sp a p e r , a n dc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t sf r o mt r a d i t i o n a lh y d r a u l i c sm e t h o d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ea c t u a lp u m po p e r a t i o nc o n d i t i o no fh u i n a n z h u a n gw o u l dl e a nt ol a r g ef l o wh 山已a n dt h i s s h o u l db er e g a r d e db yt h ed e p a r t m e n to fd e s i g na n dr u n n i n gb e c a u s ei tc o u l dl e a dt os o m ep r o b l e m s s u c ha so v e r l o a d i n go f p u m pu n i t s k e yw o r d s ：d o u b l e - s u c t i o nc e n t r i f u g a lp u m p ，p u m ps t a t i o n ，s u c t i o ns u m p ，h y d r a u l i cs t a b i l i t y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 叫钼辔 时间：砂司 1 年f 月7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：蚴刃辔 导师签名： 时间：御 | 年，月9 日 | 碗懒 。i 每j 只 p | 中同农业大学博f 学位论文第一章绪论 1 i 研究背景及意义 第一章绪论 泵站是能够使水泵正常运行的总体工程设施，主要由水泵、进出水建筑物和管路系统等组成。 泵站内一个部分出现不稳定运行问题，就会影响到整个泵站系统的安全稳定运行双吸离心泵作 为双吸离心泵站的核心部件，在运行时因叶轮与隔舌的动静耦合作用会产生较大压力脉动，从而 引起水泵机组的振动和噪声，进一步会导致整个泵站系统的管路或元件损坏i l j 泵站进水池是水 泵从进水管直接从中取水的水工建筑物，其内部流态是否良好对提高水泵机组效率和稳定性十分 重要，不良的流态往往伴髓着漩涡等水力现象的出现；漩涡往往是引发振动、汽蚀和水泵效率降 低的主要原因，严重时将导致泵站不能正常工作b3 1 。泵站在设计及运行时。要进行泵站系统管 路损失的计算，从而根据管路损失曲线和泵的扬程曲线确定泵站中水泵的工作点但是目前对于 管路损失曲线的计算主要是根据经验公式来确定，由于经验公式是采用试验的方法来进行管路损 失测量且对于粗管道( 如d n 4 0 0 0 ) 的试验在实验室中基本没法进行，所以经验公式对于大型 管涵输水加压泵站管路系统的计算有待验证，若管路系统水力损失的计算偏差较大，将会导致水 泵不能工作在最佳工作点附近，从而引发机组效率下降、过载和空化。 正在建设中的惠南庄泵站”1 是南水北调中线工程北京段唯一一座大型加压双吸离心泵站，是 北京段实现管涵输水的关键性建筑，也是南水北调中线工程的标志性建筑物。惠南庄泵站单泵流 量大、扬程高、泵组台数多，其泵站运行效率和可靠性事关整个北京市的工业和广大人民的生活 用水，因此，泵站设计的每一个环节都显得十分重要。 可见，对泵站内水泵内部湍流压力脉动进行研究，泵站进水池内的流态以及泵站系统管路水 力损失的精确预测进行研究，有利于离心泵站整个系统的安全稳定运行，不仅具有理论意义，更 具有重要的工程实用价值。 1 2 离心泵内部流动研究概述 目前对于离心泵内部流动的研究主要集中理论分析、试验研究和数值模拟三个方面。 1 理论分析 在理论分析方面，欧拉是尝试从理论上阐明水力机械中流动机理的第一人纠。他推导出著名 的欧拉方程，到今天为止，该方程仍然是叶片泵设计理论的基础。在此基础上，有人在假设流体 微团沿叶轮叶道中心线运动的前提下，建立了水力机械一元流动理论嘲。到目前为止，离心泵的 设计理论主要以一元流动理论为主，但是这种理论由于其过多的假设，忽略了离心泵中出现的所 有二次流，并根据有效过流面积和叶道壁面的走向来处理主要流动，对于泵内流动的预测会有明 显的偏差。因此，通过引进经验系数( 如滑移系数等) 来对一元流动理论进行修正虽然一元流 中国农业人学博f | 学位论史 第一章绪论 动理论比较简单。但是其在工程上的应用非常成功，一直延续到现在。之后出现的元及三元流 动理论州，发展了离心泵内部流动纳基本理论与实际流动情况较为接近，但是其仍然忽略泵内 的二次流，并且由于其在设计过程中比较难以实施，在工程实际中应用很少。之后，我国著名科 学家吴仲华提出了对于叶轮机械研究和设计具有划时代意义的内部流动两类相对流面理论”，在 计算中，两类流面相互依赖，相互耦合，其计算结果与实际较为接近，但是这一方法并非真正意 义上的三维算法，故在求解三维粘性流动时，其效果非常有限。 2 试验研究 试验研究被认为是叶轮机城内部流动研究的晟可靠方法，目前离心泵方面所积累的大量资料 都是在试验的基础上得到的随着对水泵性能要求的不断提高，人们对于离心泵内部流动详实信 息的需求上越来越迫切，而试验通过对真实流动现象从物理本质上进行认定，从而对于离心泵的 运行和设计都可以给出非常有价值的参考嗍 近年来，随着先进仪器的不断诞生，如速度探针，压力探针、热线风速仪、l d v 和p i v 等 先进测速仪器的出现，离心泵内部湍流的真实情况正通过这些先进的技术手段被逐渐揭示 b w a l y a 9 1 等人对一商用叶轮直径为0 $ 9 m 的离心泵叶片进行了试验研究，测量了泵内的三维流速、 总压和静压，并在低效率点处发现靠近盖扳处叶片压力面一侧的叶片头部出现流动分离，并发现 了流动分离导致的叶片吸力面豹尾迹流。e l h o l m l l 0 1 等入采用l d v 进行了离心泵蜗壳内部漩涡流 动的试验测量，发现离心泵蜗壳断面上的速度分布出现明显的漩涡，并且漩涡的中心随着流量的 增减而变化，在大流量下发现蜗壳隔舌处有反向速度出现。a f l t o r e s a n o 1 i 等人采用试验的方法来 研究离心泵叶片内部的气液两相流，来揭示叶片内部气液相互作用后的能量损失及对内部流场的 影响阎庆绂 1 2 1 等人在试验研究的基础上，用三维流动理论，论述了离心泵入口旋流的特性、产 生的条件和原因，给出了旋流存在的区域，分析了旋流和预旋及反向流的内在联系万毅i l ”等人 采用p i v 技术对离心泵内流场进行高精度的测量，得到离心叶轮内部从吸力边到压力边相对速度 的分布，为离心泵的设计提供了更为可靠的理论依据龙志军i j 哪等人利用五孔球形测针仪对离心 泵内部三维流场的速度、压力进行了试验研究，初步得出了内部流场主要特征和分布规律这些 研究均表明，离心泵内部流动并不是象一元流动假定的那样过流面流动是均匀的，而是存在明显 的尾迹流、流动分离和漩涡等现象，通过理论分析很难描述泵内流动现象，而试验可以在一定范 围内直接获得泵内流场的真实信息。 有些学者还通过试验研究，来寻找泵几何参数与泵内外特性之间的相互关系。朱玉才l l ”等人 通过对原型泵和分离型叶片离心泵对比实验的测试数据的分析与处理，验证了无分离条件下叶片 型线( 流线型叶片) 的水力效率高于产生边界层分离时的叶片型线的水力效率，并分析了由流体 在叶片近壁表面产生的边界层分离而对压差阻力所造成的影响以及对离心泵的动力性能所造成 的危害，指出在叶片型线的设计过程中，获得无分离条件下叶片型线对改善泵的性能，提高其水 力效率是非常有意义的。曲延鹏 1 6 1 等人对一离心泵进行了试验研究，给出了水泵在改变其叶轮出 e l 角时各参数的稳态性能曲线。并对其进行了分析。李红1 1 1 等人根据双吸离心泵要求的运行参数， 增大叶轮出口宽度。减小叶轮出口直径，重新设计叶轮，之后修削泵体隔舌，扩大喉部面积。通过 两次改造，并进行了试验和数值研究，结果显示效率曲线的高效点向大流量偏移1 1 8 倍，最高效 2 中围农业人学搏f 。学位论文第一章绪论 率提高2 9 ，最大流量增加1 0 3 倍，效率提高1 8 。 泵内流体诱发的压力脉动是离心泵泵体振动的主要原凼之一，其j 卜要是由于离心泵蜗壳结构 不对称导致的流体流动不平衡、动静部件之问的干扰、旋转涡带产生的径向不平衡以及泵内流体 汽蚀导致的压力脉动，流体诱发的湍流压力脉动是非定常及不可避免的，是泵内湍流激振的源l l ”。 泵内湍流压力脉动很难通过试验的手段直接测量到，但是可以先进行泵体的外部振动特性的测 量，再通过逆变函数求得泵内湍流压力脉动1 1 9 1 。 国内外已有不少学者对于泵内流体诱发的压力脉动进行试验研究。c h d 排2 ”等人在1 9 9 3 年采 用p d v 技术对泵内非定常流场及噪音情况进行了试验研究，结果表明，叶片和蜗壳隔舌的动静 干扰以及叶轮出口流量的不均匀是导致压力脉动和噪声的主要原因，增加叶片和蜗壳隔舌之问的 闻隙可以明显改变泵内流动状态并降低噪音在1 9 9 1 年他们又采用p i v 技术、压力和噪音测量 设备研究了隔舌叶轮形状对于离心泵内部非定常湍流的影响，研究表明，在叶轮和隔舌间隙达到 叶轮半径2 0 时，噪音的减轻比较明显，继续增大间隙导致水泵水力性能下降，对噪声的影响不 大，在2 0 基础上减小则导致隔舌处压力脉动增大，噪音也增大。h i r o s h i e , u l 等人通过试验测量了 不同离心泵叶轮出口和导叶进口间隙下，导叶和蜗壳壁面处的瞬时压力，发现随着问隙增加，压 力脉动呈下降趋势k 酬2 5 等人采用自动记录传导仪器对一高速离心泵内部非定常压力场进行 了试验研究，结果表明，不同的流量变化导致压力脉动幅值变化及相交，随着流量偏离设计流量 程度的加大，压力脉动幅值也随之增大，这些压力脉动在泵最大程度偏离设计流量工作时达到泵 扬程的3 5 。d a z i n l 2 6 1 等人对一单蜗壳径流泵在不同工况下出现汽蚀和不出现汽蚀情况下的蜗壳 壁面和吸水管处的压力脉动进行了试验研究，结果表明，泵内流动从非汽蚀到汽蚀转变过程中， 蜗壳处的压力脉动里增加趋势，随着n p s h 的降低，频率影响范围增大；在吸水管处，叶轮的旋 转频率在泵内流动没有汽蚀到出现汽蚀的过程中，主导地位逐渐减弱。s h u i e 口7 垮人对于离心泵 叶片上的压力脉动和振动在搭配了不同的扩散导叶情况下进行了试验研究，结果表明，在偏离设 计工况下，蜗壳处的静压和压力脉动都不是沿圆周方向均匀分布，在大流量情况下。蜗壳出口处 的压力脉动很大，但是静压却很低；共振可以在动静干扰条件不满足的情况下出现，原因是由于 压力脉动并非沿圆周方向均匀分布。k o n n o l 2 s 等人对于单级双吸离心泵的轴向推力进行了试验研 究，研究了不同比转速的双吸离心泵的轴向推力和压力脉动之间的关系，同时研究了隔舌的形状 对于泵内压力脉动的影响。k i k u y a m a l 2 9 1 等人对一三叶片的离心泵内部非定常湍流和汽蚀情况进行 了试验研究，研究发现进口流动不均匀会导致水泵汽蚀加剧，进一步导致水泵性能降低，并发现 叶轮通道内的流动呈现非定常特性，其内部的压力脉动在偏离设计工况时有明显增加。马群南i 聊 等人通过对离心泵和混流泵在不同吸入压力条件下的振动和噪声量值的分析与测定，探讨吸入压 力的变化对水泵机组振动和噪声特性的影响，结果表明，在泵内未发生汽蚀时，细如压力增大有 利于改善振动和噪声情况；在泵本身固有频率下具有较高的振动水平，在固有频率整数倍情况下， 振动水平也相对较高。 总体而言，对于离心泵内部流动的试验研究，从最初的揭示其内部流场真实特性，发展到研 究泵内空化流动以及泵内湍流压力脉动。而对于泵内湍流压力脉动的试验研究，主要通过间接测 量的方法来进行，大部分集中在蜗壳处的压力脉动研究，而对于叶片表面的压力脉动，由于试验 布置难度大，对其研究还不深入 3 中田农业人学博卜学位论文第一审绪论 3 数值模搬 试验研究的装置庞大，花费大，周期长且具有滞后性，而数值模拟具有周期短和超前性等特 点，目前止被广泛的应用于离心泵内部流动的数值模拟，揭示泵内流动的物理规律。 在前期的数值研究中，鉴于计算资源等原因，流动计算域多被简化成二维或进行三维计算时 取水泵单个部件进行计算，计算的可靠性也基本得到验证。d e l l es i t e 3 h 等人对不同零扭曲叶片对 于离心泵水力性能的影响，计算域取为泵叶轮内部流场，并将三维流动简化为二维处理，采用标 准k f 模型和壁面函数法，结果表明采用分流叶片可以增加扬程，但是比较轻微，将叶片数加 倍。扬程的增加更加明显c a o m 】等人对一离心泵半开式叶轮内部流场采用s i m p l e c 方法和标 准k g 湍流模型进行了计算，并将计算得到的压力分布与试验值进行比较，比较结果较相近 赵斌娟1 3 3 1 等人对于双吸叶轮进行定常数值模拟，计算结果表明，在双吸式叶轮中，从叶轮进口到 出口压力逐渐增加；在叶片区域，处于前盖板和对称面之间的中间截面上，叶片工作面附近的压 力明显大于背面附近的压力，且从对称面到前盖扳各中闯截面上的压力梯度显著增加；流动关于 对称面对称，在对称面上不存在轴向速度；设计工况下叶轮出口断面上压力分布明显比其它工况 均匀，因此水力效率最高。 由于离心泵即使在稳定工况下运行，由于转轮旋转，流道形状的复杂以及其内部元件的动静 干扰，采用单部件作为计算域势必是不准确的，所以在随后的研究中，对于离心泵内部流场采用 全流道进行计算的研究逐渐增多，并成为主流，多采用r a n s 方法进行定常计算。c h u n g l 3 j 等人 对于双吸离心泵的单个叶片和整机的内部流场采用r a n s 方法进行了定常数值模拟，计算得到了 泵的外特性并与试验结果进行了对比，研究了不同流量下叶轮进口及出口处的压力和速度分布 x i 扩升等人采用r a n s 方法和标准i s 模型研究了双吸泵叶项间隙处的定常流动，结果显示在此 处有明显的二次流及泄露出现。张计光i 卅等人对双吸离心泵整机内部流动进行了定常数值模拟 对双吸泵的内部流进行了分析，计算了双吸采性能与实验值进行了对比，研究表明在大流量情况 下两者符合得较好，对进一步优化双吸泵的设计提供了一定的依据。杨敏官田1 对i h 6 5 型离心泵 叶轮内部流动进行研究，基于标准k 一占双方程湍流模型，计算该泵叶轮在不同工况下的内部流 场，并将计算结果与p i v 实测结果进行比较，在对该泵叶轮内部流速分布、压力分布以及试验得 到的流动撞击、二次流、回流等现象分析的基础上，提出设计上的一些改进措施，为该型泵叶轮 优化设计及其内部两相流动研究提供参考。张计光p 6 l 等人对双吸离心泵整机内部流动进行了定常 数值模拟，对双吸泵的内部流进行了分析，计算了双吸泵性能与实验值进行了对比，研究表明在 大流量情况下两者符合得较好，对进一步优化双吸泵的设计提供了一定的依据。 前面所述的试验研究表明。离心泵内部流动由于泵内部件的动静干扰等呈现出很强的非定常 特性，所以，定常数值模拟不能真实表示离心泵内的各种非定常特性，随着计算资源及湍流模型 的发展，越来越多的学者开始对离心泵进行整机非定常模拟，选用的湍流模型也从k e 系列双 方程湍流模型过渡到更高级的可以体现泵内非定常特性的湍流模型，如大涡模拟等。l i 圳等人 讨论了c f d 技术应用于离心泵反问题设计时的相关问题，并采用定常方式计算了泵的内部流场， 与试验进行了验证，认为泵内定常计算不能完全揭示叶片之问，叶片与蜗壳之间的相互影响。 m a j i d i 1 l 对一离心泵包括叶轮和蜗壳进行了非定常计算，得到了叶轮与蜗壳相互作用后的非定常 4 中国农业人学博i 学位论文第一章绪论 压力分布，结果显示叶轮和蜗壳上的压力分布呈周期性变化，由于叶片和蜗壳隔舌的相瓦作用， 蜗壳内部流动特性表现为压力脉动，并且这种脉动在叶轮出口处和蜗壳隔舌处更加强烈 g o n z a l a z l 3 9 1 等人对于采用u r a n s 方法模拟了双吸离心泵内部三维非定常湍流，捕捉到了泵内流 动的动静干扰情况研究指出，虽然在泵几何设计上试图消除泵内的不稳定因素但是在设计漉 量下，不稳定流态在所研究的泵中依然存在。郭鹏程1 4 0 等人采用“冻结转子法”处理叶轮与蜗壳 问动静耦合流动的参数传递和相互干扰问题，基于i s 双方称湍流模型，对某一设计工况下离 心泵内的全三维紊流场进行了计算，结果表明，该方法能够较为准确地预测出离心泵叶轮与蜗壳 问及内部的流动特性耿少娟1 1 等人针对无短叶片、有长短叶片和短短叶片三种叶轮的离心泵， 采用非定常c f d 方法和标准七一s 湍流模型数值分析了设计工况点的整机全三维流场，讨论了不 同叶片形式对水泵扬程、进出口压力波动及叶片表面和中央回转面内参数分布的影响。黄思1 4 2 l 等人采用大涡模拟模型及多重参考坐标系，计算单级蜗壳式离心泵包括导入管、叶轮及泵壳在内 的全三维湍流场。发现泵叶轮内各通道的流量、流速及压力等分布有显著差别，流动呈现明显的 非对称性，泵内流动漩涡一般出现在叶轮叶片工作面上 鉴于离心泵整机非定常数值对于泵内流动的准确模拟，其也成为研究泵内湍流压力脉动的有 力手段s h i 刖。等人对一离心泵包括叶轮和导叶部分进行- 7 - - 维湍流非定常数值模拟来研究叶片 和导叶逐渐的动静干扰，并与试验结果进行了比较，作者认为采用i f 湍流模型可以预测导叶 处的压力脉动情况，但是并不能准确预测出压力脉动的幅值大小。g o n z a l e z i “ 等人在2 0 0 2 年采 用r a n s 方法模拟的方法进行了离心泵内湍流的非定常模拟，采用的数学模型成功的捕捉到了壁 面处的叶片通过频率处的压力脉动，并且指出，数值模拟方法可以捕捉到试验不容易布置的位置 处的压力脉动。在2 0 0 3 年g o n z a l e z l 4 5 等人又采用数值模拟和试验研究两种方法对于离心泵内湍 流产生的径向力进行了研究，并指出，数值模拟的压力脉动数据充分体现了泵内的非定常压力， 且叶片通过频率出的压力脉动更加值得关注。m a j i d i i ”对离心泵包括叶轮和蜗壳在内三维非定常 粘性湍流进行了数值模拟，并预测了叶片和隔舌之间动静干扰产生的压力脉动，指出压力脉动在 叶片出口和导叶进口处比较强烈，并随着液流在蜗壳内旋转角度的增大而逐渐消失，这些压力脉 动还影响到叶轮进口处的流动，并导致叶轮通道内的流量发生变化。b l a n c o l 4 6 1 等人研究了三种不 同叶轮直径下的离心泵内部非定常流场。并重点对于泵内压力脉动和径向力进行了分析，研究表 明，压力脉动对于流量和处于蜗壳的角度有很大的依赖关系，压力脉动最大值出现偏离设计流量 工况下蜗壳隔舌附近。徐朝晖 4 t i 等人采用r n gl 一占湍流模型，在转动与静止部件间采用滑移 网格技术建立交互界面，对泵内动静干扰引起的三维非定常湍流进行了计算，得到了旋转叶轮与 固定导叶间流体的湍流特征，结果表明，静叶与动叶间各点的压力脉动频率成分一致，且幅值沿 周向呈正弦变化规律。对于双吸离心泵湍流压力脉动方面的数值研究，通过查阅的文献来看，还 没有国内外学者对此进行研究 而大涡模拟方法在理论上相对于r a n s 方法就具有模拟时间相关流动的先天优势，其在泵内 湍流压力脉动模拟方面也可以通过下述文献看出其优于r a n s 方法。b y s k o v i 删等人采用大涡模拟 方法对一六叶片离心泵叶轮的内部流场进行了研究，分别计算了设计工况和几种偏离设计工况下 的流场，结果表明，设计工况下的流场预测并没有发现明显的分离流动，但在偏离设计工况下， 叶轮流道内部的流场与设计工况有许多不同，发现了流道内的延迟现象。并将计算结果与r a n s 时均的计算结果与试验值进行了比较，发现p a n s 时均方法并没有预测出这个叶轮流道内的延迟 5 中田农业人学博f 学位论文第一章绪论 现象。n a p 舅h a r a i 叫等人对于多级离心泵内部湍流进行了大涡模拟，并将计算结果与r a n s 计算结 果与试验值进行了比较，指出大涡模拟方法对于非定常湍流及压力脉动的预测都与试验值更加接 近。 综上所述，湍流数值模拟具有研究周期短和超前性等特点，在离心泵内部三维湍流的数值模 拟得到广泛应用。目前，离心泵内部湍流数值模拟广泛采用的是r a n s 方法，但对于非定常问题， 时间平均的雷诺方程和湍流模型在理论上存在缺陷，而大涡模拟方法则在求解水力机械流场的非 定常压力脉动方面被证明具有特殊的优判州。使用大涡模拟进行双吸泵内部流场的非定常数值模 拟，可以充分体现双吸泵内部流场的复杂性，并能够预测内部流场的压力脉动特性，其具有重要 的工程实际意义。 1 3 泵站进水池流态研究概述 泵站进水池是水泵从进水管直接从中取水的水工建筑物，一般布置在前池与泵房之间或泵房 之下迸水池的作用是为水泵提供良好的进水条件，在检修水泵或进水管路时截断水流，并在水 泵运行时起拦污作用”。为了保证水泵处于理想的工作状态，一般要求水泵进口流速分布均匀、 进水管内没有漩涡。对于开敞式进水池丽言，其内部流态是否良好对提高水泵机组效率十分重要。 不良的流态往往伴随着漩涡等水力现象的出现；漩涡往往是引发振动、汽蚀和水泵效率降低的主 要原因。严重时将导致泵站不能正常工作p j 。 进水池内出现的漩涡一般分为表面涡和附壁涡两种。根据美国a l d e n 实验室对于表面涡和 附壁涡的划分原则，表面涡分为六级，而附壁涡则分为三级p 85 3 。漩涡类型描述参看表1 1 和 表l 2 。其中对于表面涡来说，i - 2 级近于无漩涡，不会引起危害，允许存在；3 _ 4 级为弱漩涡。 对机组可能会产生一定作用，危害一般不太严重，宜考虑防止出现：5 6 级属于强漩涡，可能引 起较严重的后果，如水泵性能被破坏、机组剧烈振动等，工程中通常不允许出现。对于附壁涡来 说。其中心为低压区，若压力降至汽化压力以下便会产生汽化，呈白色带状，若汽带通过泵的叶 轮，将会产生不规则的振动和噪音，影响水泵的性能和寿命 裹i - i 开敞式进水池表面涡类型描述 6 中国农业人学博 学位论文第一章绪论 裘1 1 ( 续) 开敞式进水池表面涡类型描述 目前，对于开敞式泵站进水池的设计并没有可靠的设计指导或标准，普遍采用模型试验的方 法来指导设计或技术改造。k o u w e n i s 4 等人对一泵站进水池模型进行了提升起输水能力的试验， 采用增加提水水泵的方式。将多台泵采用不同的捧列方式来降低漩涡对其的影响。t a g o m o r i p ，i 等人对影响泵站进水池内附壁涡的产生因素和机理进行了实验研究，发现附壁漩涡的出现与吸水 管喇叭口与壁面的间隙有关，后壁面附壁涡的强度与喇叭1 3 离后壁面的距离有关。r a | j e n d r a n m s t 等人采用p i v 技术对一简单矩形模型进水池的漩涡流动进行了试验研究，其对进水池的几何参数 7 中国农业人学博i 学位论文第一审绪论 和流动条件进行了优化，基本可以消除表面涡，仍是附壁涡观察的很清楚，列举了各种附壁漩涡 的形状、大小、漩涡中心和强度的信息。a n s a 一”i 等人采用a d v 设备研究了横向进水条件与纵向 进水条件下泵站进水池模型内漩涡流动特征，研究表明，在纵向进水条件下，进水池内的流态呈 对称变化在低水位时有很大流动速度；在横向进水条件时，迸水池内靠近侧壁处有很大的漩涡 流动，且内部流态不均衡。l i i 驯等人使用二维p i v 设备测量了泵站进水池模型内部流场，从而通 过试验找出泵站前池的最佳工作点。f 锄i 呻j 等人在泵站进水池模型内放置了导流机构，通过三维 p i v 试验来研究进水池内的流动变化，研究发现淹没深度和进口流态对泵站进水池内流动的影响 最大 但是进水池模型试验本身具有比尺效应，虽然前期取得了很大进展，但是模型试验存在花费 大、耗时长及滞后性等问题，数值模拟相对于模型试验而言，具有花费少、耗时短和超前性等特 点，被越来越多的学者应用于进水池流动的研究。 目前，泵站进水池内部流动的数值模拟大多基于雷诺时均方法和双方程湍流模型 c o n s t a n t i n e s c u l e 叫等人采用标准女一e 模型对泵站进水池模型内部流动进行了数值模拟，研究了 进水池内各种漩涡的产生情况，指出可以采用数值方法来指导泵站进水池的设计和研究进水池内 各种漩涡的特性r a j e n d r a n l e 2 1 等人采用一种近壁区k f 模型。对一进水池模型内部流动进行了 数值研究指出采用该方法得到的漩涡数量、位置和结构都与试验吻合较好然而，每一种湍漉 模型都有其在特定计算条件下的适用性。c o n s t a n t i n e s c u l 6 3 1 等人进行了标准t 一模型和高低雷诺 数k 一街模型在泵站进水池流动模拟中的适用性比较，指出这几种湍流模型对漩涡的形状和大小 的模拟结果相似，但是漩涡强度却受湍流模型的影响很大，标准k 一模型低估了漩涡中心的最 大漩涡强度m a t s u i e 4 1 等人采用标准k g 模型和r n gk e 模型对不同网格类型及数量下的进 水池模拟结果进行了比较，认为湍流模型对于进水池内漩涡强度的预测有很大影响，但未给出详 细比较 r n gk 一模型和r e a l i z a b l ek 一模型作为标准k 一模型的改进模型，己在许多领域被成 功应用州，但是并没有学者对这些模型在开敲式进水池数值模拟中的适用性进行比较分析可见， 有必要对于标准k 一模型及其改进模型进行比较，找出更适合泵站进水池流动模拟的湍流模型 另一方面，目前的数值模拟主要集中在泵站进水池模型上面，而对于实际泵站的数值模拟，尤其 是包括多个进水管且考虑前池流动对泵站进水池影响的数值研究在国内外并不多见。l j l o ，1 等人采 用p a n s 方法和标准k 一模型对一个实际泵站的进水池进行了数值模拟，结果显示了不同来流 条件下进水池吸水管处的复杂流动冯宾春1 6 6 1 等人采用标准k 一占模型和v o f 两相流模型对惠南 庄泵站的前池水力特性进行了数值模拟，结果表明，前池运行中没有出现不良流态，但不同水位 下拦沙坎对附近下游流态的影响存在一定的差别，但是，对于泵站进水池内的漩涡流动并没有进 行深入分析。 综上所述，数值模拟方法作为模型试验的一个有力的补充力量，在进行进水池内部流动研究 时，具有周期短、成本低及具有超前性等特点。对于泵站进水池内部流动的湍流数值模拟主要采 用的是r a n s 方法进行定常数值模拟，虽然最近有学者对泵站进水池采用大涡模拟进行非定常数 值模拟，但也主要是进行其内部非定常压力脉动的研究，若只是关心泵内漩涡位置、强度等流动 的基本信息，上述文献已经说明r a n s 方法可以给出比较理想的模拟结果。但是，对于进水池内 流动模拟的湍流模型适用性研究并不多见，尤其是目前还没有学者对工程上应用广泛的k f 系 8 中国农业夫学博l j 学位论文第一帚绪论 列模型进行比较。对实际泵站进水池内部流动进行数值模拟，町以在泵站设计之初或运行之前得 到泵站进水池内部流动的详细信息，对于指导泵站进水池设计及泵站运行都具有苇要上程实际意 义。 1 4 大型泵站中水泵工作点确定方法研究概述 对于采用管涵输水的加压泵站来说，进出水管路系统的水力损失计算是一项非常有意义的工 作因为，在泵站设计时，水泵工作点的初定是通过进行整个管路系统的水力损失计算，得到流 量和需要扬程之间的关系。从而确定水泵工作点。 管路系统的水力损失主要包括沿程阻力损失和局部水力损失两部分。目前对于泵站管路系统 水力损失的确定方法主要有传统水力学方法和试验方法1 6 7 - ” 采用传统水力学的方法进行泵站管 路系统水力损失的计算，虽然比较快捷，但是由于其依赖于经验公式中参数的选取，造成的误差 比较大随着c f d 的不断发展，采用数值模拟的方法进行水力损失计算正逐渐被一些学者采用， 采用这种方法，可以在泵站设计之初就准确的计算出管道水力损失，具有超前性，并且由于是对 特定问题进行特定分析，其计算精度不受传统经验的束缚，但是目前关于此方面的研究还比较少 陆林广认为目前采用c f d 计算沿程阻力损失误差较小，而局部水力损失则误差较大。 对于大型调水系统的管路系统来说，往往输水距离长，水力损失是作为水泵输水中主要克服 的阻力，如南水北调中线北京段惠南庄泵站的出水管路，长5 8 5 k m ，管径达到了4 0 0 0 m m ，其水 力损失很大。由于传统水力学的方法多是对小管径管路进行试验后得出的经验参数来控制计算结 果，所以对于大管径来说，其计算精度还有待于进一步商榷。对于如此大的管径，采用试验的方 法将花费巨大，甚至无法进行目前看来，采用c f d 的方法进行长管路、大管径输水管路水力 损失计算将是一个可以选择的方案。 1 5 湍流数值模拟研究概述 目前湍流的数值模拟方法可以分为直接数值模拟方法( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，简称 d n s ) 和非直接数值模拟方法。直接数值模拟方法是指直接求解瞬时湍流控制方程；非直接数值 模拟方法就是不直接计算湍流的脉动特性，而是设法对湍流作某种程度的近似和简化处理。根据 所采用的近似和简化方法不同，非直接数值模拟方法可分为大涡模拟( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，简 称l e s ) 、分离涡模拟( d c t t a c h e de d d ys i m u l a t i o n ，简称d e s ) 、雷诺平均法( r e y n o l d s - a v e r a g e d n a v i e r - s t o k c se q u a t i o n ，简称r a n s ) 和格子b o l t z m a n n 法( l a t t i c eb o l t z m a n nm e t i l o d ，简称l b m ) 等【7 0 】。 湍流数值模拟方法及对应的湍流模