雙向立式軸流泵裝置內(nèi)流機(jī)理及流固耦合分析.pdf

1、本文的研究是在國家科技支撐計劃項目（2015BAD20B01）等的資助下展開的相關(guān)工作。在人類水利事業(yè)中，泵站是其中的重要部分，它在對大自然進(jìn)行合理改造的過程中起到了關(guān)鍵作用，也在其他方面發(fā)揮了越來越重要的作用，比如跨流域的調(diào)水、城鎮(zhèn)中的供排水、工業(yè)供水、流體輸送等。近年來，隨著許多大型水利工程的建設(shè)，單向的泵站已無法滿足工程需求，如在大型調(diào)水工程中，既要以灌溉送水為主，同時要兼顧特大洪水年份的排澇。而雙向進(jìn)出水流道立式軸流泵裝置由于結(jié)

2、構(gòu)緊湊，占地省等優(yōu)點，正逐步應(yīng)用于我國排澇灌溉領(lǐng)域中。雙向流道泵裝置的運行效率很大程度上依賴于雙向進(jìn)出水流道的水力性能，而目前對雙向流道的內(nèi)部流動特性研究仍然不夠深入，阻礙了雙向流道泵裝置性能的提高，故研究雙向進(jìn)出水流道的流動特性對軸流泵裝置的影響具有重要意義。此外，由于雙向流道泵裝置運行時出水流道內(nèi)部水流紊亂，使暴露于其中的泵軸受到不平衡徑向力的作用，不僅引起泵軸及系統(tǒng)的振動，還會導(dǎo)致軸承及填料密封的偏磨，造成嚴(yán)重后果，因此對雙向軸流

3、泵裝置內(nèi)部非定常流場和考慮流固耦合的水力振動研究具有重要的理論價值。
　　本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點有：
　　1.以一臺軸流泵段為研究對象，首次對在具有相同葉輪和導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)參數(shù)下的軸流泵段和雙向進(jìn)出水流道泵裝置兩種情況的2個模型進(jìn)行數(shù)值模擬對比研究，分析雙向進(jìn)出水流道對軸流泵裝置內(nèi)外特性的影響。選用SST k-ω湍流模型對2個模型進(jìn)行非定常流場的計算。在葉輪進(jìn)口、葉輪和導(dǎo)葉的交界面以及導(dǎo)葉出口布置了三個監(jiān)測點來預(yù)測和比較兩個模型

4、的壓力脈動情況，對比分析了兩種情況下泵的外特性曲線，以及2個模型在葉輪進(jìn)口、葉輪與導(dǎo)葉交界面以及導(dǎo)葉出口上的湍動能分布。對比分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，從而驗證了數(shù)值模擬的可靠性。雙向進(jìn)出水流道泵裝置的揚(yáng)程和效率普遍低于泵段中的揚(yáng)程與效率，并且雙向進(jìn)出水流道內(nèi)也易出現(xiàn)漩渦，流動更不穩(wěn)定，其內(nèi)部湍動能也更大，同時雙向流道泵裝置內(nèi)的脈動幅值普遍更高，但雙向進(jìn)出水流道對葉輪進(jìn)口的壓力脈動影響不大，而對導(dǎo)葉出口的脈動影響較大。

5、r>　　2.雙向進(jìn)水流道由于其形狀特征容易在葉輪進(jìn)口端產(chǎn)生不穩(wěn)定流態(tài)，導(dǎo)致葉輪振動，而葉輪振動反過來又會影響泵裝置的內(nèi)部流動。為了研究葉輪與流場耦合作用對雙向立式軸流泵裝置內(nèi)部流場的變化情況，本文首次采用雙向同步求解的方法研究雙向立式軸流泵裝置。提出在考慮雙向進(jìn)出水流道的情況下，分別對比分析了流固耦合計算前后，軸流泵裝置內(nèi)部流場分布和葉輪表面壓力分布。研究發(fā)現(xiàn)，考慮流固耦合作用后，進(jìn)水流道出口處壓力波動強(qiáng)度增大，渦量梯度增大；葉輪工作面

6、速度增大，導(dǎo)葉附近的漩渦位置發(fā)生變化；葉輪工作面與背面壓力差減小，葉輪做功效率下降，從而導(dǎo)致軸流泵裝置揚(yáng)程下降。
　　3.在考慮葉輪與流場的耦合作用，對比分析了流固耦合前后雙向立式軸流泵裝置內(nèi)外特性的變化情況后，在上述模擬計算的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了葉輪表面的應(yīng)力及變形分布，研究其振動特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軸向力隨葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生周期性變化，葉輪最大等效應(yīng)力主要分布在靠近輪轂處，最大變形量主要分布在葉輪前緣與輪緣夾角處。當(dāng)流量增大時，葉輪最大

7、等效應(yīng)力與最大變形量逐漸減小。在此基礎(chǔ)上，研究了位于葉輪前緣與葉輪后緣上的4個監(jiān)測點所受等效應(yīng)力的情況，通過對比發(fā)現(xiàn)，葉輪前緣所受等效應(yīng)力遠(yuǎn)大于葉輪后緣。
　　4.本文仍以上述雙向立式軸流泵裝置為研究對象，首次將出水流道流場和泵軸進(jìn)行聯(lián)合響應(yīng)求解，提出運用同上文中葉輪與流場響應(yīng)計算時的雙向耦合數(shù)值模擬方法，對比分析了流固耦合作用前后出水流道中靜壓和速度分布以及導(dǎo)葉出口面上的壓力脈動情況和湍動能分布，并將外特性的計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)