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A Study on the Unsteady Flow Characteristics and Energy Conversion in the Volute of a Pump-as-Turbine Device

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Fluid Dynamics & Materials Processing 2021年第6期17卷 1021-1036页

作者： senchun miao Hongbiao Zhang Wanglong Tian Yinqiang Li School of Energy and Power Engineering Lanzhou University of TechnologyLanzhou730050China Jiangsu Shuangda Pump Valve Group Co. Ltd.Jingjiang214537China

To study the unsteady flow and related energy conversion process in the volute of a pump-as-turbine(PAT)device,six different working conditions have been considered.Through numerical calculation,the spatio-temporal variation of static pressure,dynamic pressure,total pressure and turbulent energy dissipation have been determined in each section of the volute.It is concluded that the reduction of the total power of two adjacent sections of the PAT volute is equal to the sum of the power lost by the fluid while moving from one section to the other and the power output from the two adjacent sections.For a fixed flow rate,the percentage of static pressure energy at the outlet of the PAT is roughly similar to that of the corresponding volute section,and both show a gradually increasing trend.The turbulent dissipation rate on each section of the PAT volute displays a similar a spatio-temporal behavior for different flow rates.

关键词： Pump as turbine volute energy conversion unsteady numerical simulation

Study on Energy Conversion Characteristics in Volute of Pump as Turbine

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Fluid Dynamics & Materials Processing 2021年第1期17卷 201-214页

作者： senchun miao Hongbiao Zhang Fengxia Shi Xiaohui Wang Xijin Ma School of Energy and Power Engineering Lanzhou University of TechnologyLanzhouChina Jiangsu Shuangda Pump Valve Group Co. Ltd.JingjiangChina

A volute is a curved funnel with cross-sectional area increasing towards the discharge port.The volute of a centrifugal pump is the casing hosting the fluid being pumped by the impeller.In Pump-as-turbine devices(PAT),vice versa the volute plays the role of energy conversion element.In the present analysis,this process is analyzed using CFD.The results show that in the contraction section of volute the conversion between dynamic pressure energy and static pressure energy essentially depends on the reduction of flow area,while in the spiral section,frictional losses also play a significant role.From the throat to the end of the volute,the flow decreases in a wave-like manner.

关键词： Pump as turbine volute energy conversion static pressure power dynamic pressure power

基于熵产理论的多级液力透平能量耗散机理分析

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农业机械学报 2024年第3期55卷 162-172页

作者：王晓晖蒋虎忠苗森春白小榜祁炳兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050 兰州理工大学甘肃省流体机械及系统重点实验室兰州730050 重庆水泵厂有限责任公司重庆404100

液力透平作为一种液体余压能回收装置,在小水电建设和能量回收领域得到广泛应用,但其内部能量损失特性不清。以两级径流式液力透平为研究对象,基于熵产理论和Omega涡识别准则分析了各过流部件内能量耗散机理。结果表明:速度脉动和壁面... 详细信息

液力透平作为一种液体余压能回收装置,在小水电建设和能量回收领域得到广泛应用,但其内部能量损失特性不清。以两级径流式液力透平为研究对象,基于熵产理论和Omega涡识别准则分析了各过流部件内能量耗散机理。结果表明:速度脉动和壁面效应是能量损失的主要来源,设计工况下二者总占比为98.03%。叶轮和导叶是透平内能量耗散的主要区域;小流量工况,叶轮损失占比较高;大流量工况下,导叶损失占比较高。叶轮内的能量损失源于叶片前缘分离涡、吸力面回流涡以及叶片尾缘涡等不稳定流动现象,而相对液流角与叶片进口安放角的不匹配是导致叶轮内产生不稳定流动的根本原因;在导叶和导叶Ⅱ-反导叶中,不同流量下导致其能量耗散的因素基本保持一致,叶片前缘失速涡和流动分离等劣态流动引起的动量交换是导致能量损失的主要原因。环形吸水室内流动的非对称性导致导叶Ⅰ各流道内熵产率分布不均匀,而导叶Ⅱ-反导叶通过正导叶的整流减小了冲击效应,各流道内熵产率分布均匀且高熵区较小。

关键词：多级液力透平熵产理论 Omega涡识别准则能量耗散熵产率

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双吸泵作液力透平叶轮内非定常流动DMD分析

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农业机械学报 2024年第6期55卷 150-158页

作者：苗森春刘乐琪王晓晖杨军虎吴江波兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050

为了精确分析双吸泵作液力透平叶轮内的非定常流动特性,采用SST k-ω湍流模型在设计工况下进行数值模拟。对一个周期的非定常速度场进行动态模态分解(DMD),并结合Q准则,得到前4阶主要模态及其相应的时空信息。分析结果表明:DMD方法将叶... 详细信息

为了精确分析双吸泵作液力透平叶轮内的非定常流动特性,采用SST k-ω湍流模型在设计工况下进行数值模拟。对一个周期的非定常速度场进行动态模态分解(DMD),并结合Q准则,得到前4阶主要模态及其相应的时空信息。分析结果表明:DMD方法将叶轮内复杂的流场特征分解为动静干扰模态、基本模态和耗散模态。其中动静干扰模态占主导地位,频率为叶轮旋转频率,反映出叶轮内流动受静止部件干扰的流动特征,涡结构主要为点状涡和不连续的管状涡;基本模态频率为0Hz,反映出叶片流道几何特征引起的稳态流场特征,涡结构主要为连续的管状涡;3阶及4阶模态为耗散模态,反映出叶轮内流动受静止部件干扰,在叶片上产生的流动分离及不稳定涡结构脱落的特征,以片状涡和不连续的管状涡为主。在特定频率下DMD方法可以对叶轮流场结构进行分解,能够清楚地分析双吸泵作液力透平叶轮内复杂流场的非定常特性。

关键词：双吸泵作液力透平非定常流动动态模态分解相干结构 Q准则

双吸泵作液力透平时叶轮内部能量损失机理分析

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农业工程学报 2022年第22期38卷 12-22页

作者：苗森春罗文王晓晖杨军虎兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050 江苏双达泵阀集团有限公司靖江214500

叶轮是双吸泵作液力透平的核心部件,其性能决定着液力透平的能量回收能力。为研究液力透平叶轮内部能量损失机理,该研究基于熵产理论和数值模拟,采用剪切应力传输(Shear-Stress Transport,SST) k-ω湍流模型,分析了不同流量下液力透平... 详细信息

叶轮是双吸泵作液力透平的核心部件,其性能决定着液力透平的能量回收能力。为研究液力透平叶轮内部能量损失机理,该研究基于熵产理论和数值模拟,采用剪切应力传输(Shear-Stress Transport,SST) k-ω湍流模型,分析了不同流量下液力透平各过流部件的能量损失规律。结果表明:叶轮流道内部不稳定流动造成的能量损失和近壁区的内摩擦效应引起的能量损失是整机水力损失产生的主要组成部分;叶轮内部的流动分离、漩涡、动静干涉、强曲率流动以及尾水室内部的死水区对叶轮内部流动状态的反作用等会对能量损失产生较大影响,且平均损失占比高达41%;叶轮近壁区的能量损失主要由叶片和前后盖板与流体间的相互作用导致。研究结果可为双吸液力透平的水力优化设计提供参考。

关键词：叶轮熵能量损失双吸泵作液力透平湍流损失壁面损失

基于RBF-HDMR模型与PSO算法的液力透平叶片优化

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机械工程学报 2022年第12期58卷 283-292页

作者：姜丙孝杨军虎王晓晖苗森春兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050 甘肃省流体机械及系统重点实验室兰州730050

针对泵反转作透平时效率偏低的问题,提出将径向基函数与高维模型表示方法结合的混合模型用于液力透平性能优化。以液力透平叶轮叶片为研究对象,用Bezier曲线将叶片型线参数化,分离出代理模型的自变量并确定模型的训练区间,结合Matlab、C... 详细信息

针对泵反转作透平时效率偏低的问题,提出将径向基函数与高维模型表示方法结合的混合模型用于液力透平性能优化。以液力透平叶轮叶片为研究对象,用Bezier曲线将叶片型线参数化,分离出代理模型的自变量并确定模型的训练区间,结合Matlab、Creo和Fluent软件构建基于叶片型线控制变量的液力透平效率预测代理模型,运用粒子群算法对构造的代理模型在训练区间内全域寻优得出液力透平的最优效率点及对应的叶片几何参数,分别用数值模拟和试验研究的方法验证代理模型的预测数据。结果表明,经代理模型优化后的液力透平数值模拟性能曲线与试验结果大体相符,在最优工况点,优化后的液力透平数值模拟效率值较原型液力透平提升了4.78%,轴功率提升了6.22%;试验效率值较原型液力透平提升了3.7%,轴功率提升了4.8%。

关键词：液力透平叶片优化径向基函数高维模型表示方法粒子群算法

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正导叶进出口角对多级液力透平性能的影响

水力发电学报 2023年第3期42卷 60-69页

作者：苗森春张佳伟王晓晖史凤霞杨军虎兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050

为揭示正导叶进出口角对多级液力透平性能的影响,以一台3级离心泵作液力透平为研究对象,利用速度矩相等并根据叶轮和反导叶几何参数推导出正导叶进出口角,设计出推导后的三种导叶模型,通过计算流体力学软件CFX对初始方案和三种新方案进... 详细信息

为揭示正导叶进出口角对多级液力透平性能的影响,以一台3级离心泵作液力透平为研究对象,利用速度矩相等并根据叶轮和反导叶几何参数推导出正导叶进出口角,设计出推导后的三种导叶模型,通过计算流体力学软件CFX对初始方案和三种新方案进行数值模拟并对比分析。结果表明:三种新方案在各个流量工况下效率均有明显提高,且高效运行范围变宽,其中新方案中方案C液力透平的性能最佳,在最优工况下效率提升了2.15%;内流方面,新方案下的多级液力透平在正导叶与叶轮之间的压力分布更加均匀,各级叶轮叶片进口附近的漩涡区域变小,同时对于进口处较高的湍动能区域也有明显减弱。上述研究可为今后多级液力透平导叶设计和优化提供一定参考。

关键词：正导叶多级液力透平速度矩数值模拟湍动能

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径流式液力透平尾涡流动机理分析

水力发电学报 2023年第6期42卷 65-72页

作者：王晓晖杨浩苗森春张兴杰蒋虎忠张凯兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050 兰州理工大学土木工程博士后流动站兰州730050 新乡航空工业(集团)有限公司博士后科研工作站河南新乡453049

液力透平叶轮出口处存在大尺度螺旋形尾涡,对机器的效率和运行稳定性有影响。为分析液力透平尾涡流动机理,利用Q准则识别提取尾涡结构,并对其速度场进行分析。研究发现:尾涡旋向与叶轮相反,其涡核半径约为叶轮出口半径的1/3,且在涡核中... 详细信息

液力透平叶轮出口处存在大尺度螺旋形尾涡,对机器的效率和运行稳定性有影响。为分析液力透平尾涡流动机理,利用Q准则识别提取尾涡结构,并对其速度场进行分析。研究发现:尾涡旋向与叶轮相反,其涡核半径约为叶轮出口半径的1/3,且在涡核中心发现了逆流区。根据叶轮出口处尾涡切向速度沿半径分布规律,可将尾涡流动分为涡核心区和涡衰减区,涡核心区内,切向速度沿半径急剧增加,在涡核半径处达到最大,在涡衰减区缓慢下降,在管壁处其值约为峰值的一半。沿着流动方向,尾涡切向速度分布逐渐平缓,且其峰值所在位置逐渐向管壁处移动。涡核心区内以切向速度动能损失为主,是引起液力透平水力损失的原因之一。

关键词：液力透平旋涡 Q准则内流场水力损失

离心泵作液力透平叶轮出口滑移系数的解析计算方法及验证

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农业工程学报 2015年第11期31卷 66-73页

作者：史广泰杨军虎苗森春西华大学能源与动力工程学院成都610039 兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050

为了通过理论的方法准确预测液力透平的性能,该文分析了叶轮内部相对环流流动的特征,提出了3种计算离心泵反转作液力透平叶轮出口滑移系数的方法,得到了相应的叶轮出口滑移系数解析计算公式,然后采用10组离心泵反转作液力透平的试验数... 详细信息

为了通过理论的方法准确预测液力透平的性能,该文分析了叶轮内部相对环流流动的特征,提出了3种计算离心泵反转作液力透平叶轮出口滑移系数的方法,得到了相应的叶轮出口滑移系数解析计算公式,然后采用10组离心泵反转作液力透平的试验数据对所提出的滑移系数计算公式进行验证,最后得出与试验结果较为吻合的解析公式。结果表明:当假设叶片工作面上的相对涡诱导速度与叶轮出口边上的相对涡诱导速度的比值等于叶片和涡心所张曲边三角形的面积与叶轮出口边和涡心所张曲边三角形的面积之比时,得到的液力透平叶轮出口滑移系数的计算公式最准确,可用于较准确地预测液力透平的性能。在计算液力透平叶轮内的滑移时只需计算叶轮出口的滑移。该研究结果为更加精确地通过理论方法预测液力透平的性能提供了参考。

关键词：泵叶轮速度滑移系数泵作透平理论水头相对涡