开敞式进水轴流泵装置能量和内流特性分析

作     者：张铖 

作者单位：安徽农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢传流;李浩

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：开敞式进水流道 轴流泵装置 数值计算 内流特性 结构优化 

摘      要：开敞式进水流道轴流泵装置因其结构简单、安装检修方便等优点,近年来在我国农业灌溉、供水、排涝工程中得到应用,本文对开敞式进水流道轴流泵装置的内流及能量特性进行研究,通过正交试验探究了开敞式进水流道各关键因素对装置水力性能的影响。本文首先运用ANSYS CFX、Solid Works等软件通过三维数值计算对开敞式进水流道轴流泵装置内流特性进行研究,并搭建试验台进行试验验证,探究各部分水力性能以及流线状况。随后针对开敞式进水流道开展多因素正交优化研究,得出以下结论:（1）当进水流道入口流量在Q=6 L/s～13 L/s时泵装置效率曲线大体符合二次函数关系,在设计工况（Q=13 L/s）时达到最高效率,效率为83.29%,扬程为0.618m;随着流量增加,效率急速下降;扬程随流量增大逐渐减小,由1.973m降低至0.252m,在Q=8 L/s时出现波动,扬程降低至0.830m。（2）综合开敞式进水轴流泵装置叶轮进口处流速分布均匀度与速度加权平均角分布曲线得出叶轮进口处流态与所处流量工况具有较强相关性,在小流量工况下（Q=6 L/s～9 L/s）,水流分布不均匀。在大流量工况下（Q=14 L/s～16 L/s）,水流轴向与径向分布较为均匀,流速分布均匀度最高为91.985%,速度加权平均角最高为85.807°。（3）开敞式进水流道轴流泵装置A1截面开敞式进水流道流道前段与流道后段速度、压力梯度较多,流道中段边壁同时存在低速区与高速区,对后续流速与压力分布产生影响;A2截面在小流量工况下流道上部左右两侧流速较低,流道底端流速不均匀,右侧流速更高,随着流量增大,流道左右两侧流速分布趋于均匀;A3截面进水流道后壁流线较密集,后壁底部流线与上部回流于喇叭管处碰撞,向喇叭管进口汇集。流线在叶轮区域受叶轮旋转影响,流向产生偏斜,在导叶区域分流,分为出水弯管内侧与出水弯管外侧两股流线,部分流线于管道中间交叉,流态较差。（4）对开敞式进水流道设计中5个参数:后壁距L,悬空高H,池宽B,喇叭管高度H,喇叭管进口直径D进行正交设计,选取L（4～5）正交方案,通过数值计算得出各组效率,运用极差分析法得出各影响因素对效率的影响大小分别为:喇叭管进口直径D悬空高H池宽B喇叭管高度H后壁距L。其中喇叭管进口直径D为关键因素,悬空高H、池宽B、喇叭管高度H为一般因素,后壁距L为次要因素。相比于原方案,优化后设计工况效率提升0.50%,大流量工况下效率提升1.28%。