钟形进水流道出口PIV流场测试与数值模拟

论文摘要

进水流道是将前池的水流转向后平顺地引入水泵叶轮室,为水泵提供良好的进水条件的进水建筑物,是大中型泵站工程中重要组成部分,其流态对水泵性能和安全运行有着重要的影响。钟形进水流道是大型泵站中一种较好的进水流道形式,在国外尤其在日本,已经获得大量应用,而在国内应用较少,经验不足,设计方法也不成熟。为充分了解这种流道的特性,需要对其进行深入细致的试验研究工作。目前国内外已有的试验研究方法大都局限于泵装置的外特性,没有深入到流道内部的水流运动状态。随着计算机技术的发展和CFD流体计算软件的广泛应用,虽然通过数值模拟的方法模拟进水流道内部流态,能获得流道内全方位的流场分布情况。但是数值模拟泵装置系统中内部复杂流动的可靠性有待进一步考证。因此研究结果还不能真实反映了内部水流运动情况。然而,只有弄清流道内部水流运动状态,才能深刻剖析其水力特性,为流道的优化设计提供依据。本文通过设计一套立式轴流泵透明进水流道泵装置试验台,在该试验台上对该泵装置进行了性能测试并与FLUENT数值计算性能曲线进行了对比分析。并首次采用先进的PIV (Particle Image Velocimetry)非接触式流场测量技术,在不扰动被测区域流场的情况下对钟形进水流道出口段进行了二维与三维PIV流场测试,获得了钟形进水流道出口段部分域的流场分布并与FLUENT数值模拟计算结果进行了对比。分析了在小流量、最优流量、大流量三种工况下钟形进水流道出口流动情况,结果表明两种方法得到进水流道出口轴向流速沿轴向和径向分布较为吻合。但通过PIV实测数据分布总结出在在小流量工况下,进水流道出口靠近叶轮进口段水流出现预旋流动现象(水流跟着叶轮一起旋转),最优流量和大流量工况下,叶轮进口水流几乎不受叶轮旋转的影响,而在90°转向过程中受水流惯性冲力的影响表现为在来流方向存在一定的速度分量。这种速度分量可能导致进水流道出口断面流速分布不均匀,设计钟形进水流道时应充分予以考虑。而数值模拟结果在三种工况下并无明显区别,在进水流道出口断面上均存在来流方向的速度分量,说明在小流量工况下,用数值模拟的方法模拟小流量复杂内部流动的紊流模型需进一步改进。且进一步说明在小流量工况下,叶轮的旋转引起叶轮进口水流预旋区域较大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 钟形进水流道的研究概况
• 1.2.1 模型试验
• 1.2.2 数值模拟
• 1.2.3 流场测量
• 1.3 钟形进水流道的应用
• 1.4 CFD软件FLUENT介绍
• 1.5 本文研究的主要内容
• 2 试验设计
• 2.1 轴流泵试验台设计
• 2.1.1 轴流泵设计
• 2.1.2 钟形进水流道设计
• 2.1.3 管路设计
• 2.2 轴流泵装置性能试验
• 2.2.1 测量仪器与设备
• 2.2.2 试验方法
• 2.2.3 性能测试
• 2.2.4 试验台测量不确定度分析
• 2.3 PIV测试设计
• 2.3.1 PIV测试要求
• 2.3.2 PIV测试内容
• 2.4 本章小结
• 3 钟形进水流道出口PIV流场测试
• 3.1 PIV测试系统
• 3.2 PIV测试原理
• 3.3 二维PIV测试
• 3.4 三维PIV测试
• 3.4.1 三维PIV标定
• 3.4.2 示踪粒子的选择
• 3.4.3 片光源
• 3.5 测试数据处理与结果
• 3.6 测试误差
• 3.6.1 环境因素造成的误差源
• 3.6.2 人为因素造成的误差
• 3.6.3 系统误差
• 3.7 本章小结
• 4 钟形进水流道装置数值模拟
• 4.1 泵装置计算前处理
• 4.1.1 控制方程
• 4.1.2 网格剖分
• 4.1.3 边界条件
• 4.2 计算结果分析
• 4.2.1 模型泵装置内部流场计算工况点的选取
• 4.2.2 钟形进水流道内压力速度分布
• 4.2.3 叶片压力速度分布
• 4.2.4 导叶体压力速度分布
• 4.2.5 泵装置内部粒子迹线图
• 4.3 数值模拟性能预测
• 4.4 本章小结
• 5 计算结果与试验结果比较
• 5.1 轴向断面速度云图分布
• 5.2 性能曲线对比
• 5.3 钟形进水流道出口段流速分布
• 5.3.1 沿Y方向流速分布
• 5.3.2 轴向流速径向分布
• 5.3.3 PIV测量钟形进水流道出口特征断面
• 5.3.4 数值模拟钟形进水流道出口特征断面
• 5.3.5 断面轴向速度云图分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢