泵站进水池表面旋涡与悬移质泥沙耦合作用对水泵失速影响研究

Pump stall is an unstable flow phenomenon that occurs when the blade attack angle exceeds a certain threshold. Some blade channels are blocked with detach vortices and others are filled with large flow rate medium under stall condition. Stall is one of the main reasons caused high pressure fluctuation and strong vibration of pump at low flow rates. The factors that affect the stall of pump, especially the approach flow perturbation, are not very clear. In order to investigate pump stall under the interaction of surface vortex and suspended sediment in pump intakes, the theoretical analysis, numerical simulation and experimental research methods are adopted in this project. This study is aiming at these problems, namely the effect of suspended sediment on the interaction of surface vortex, the modification of liquid pressure gradient turbulent term and the method for evaluating the flow structure under stall condition. A calculation model of surface vortex that takes the effect of suspended sediment into account is established. A method for calculating stall which reflects the interaction of suspended sediment and air bubble is proposed. The relationship between the parameters of surface vortex, suspended sediment and pump stall vortex is discussed. The mechanism of pump stall caused by approach flow perturbation is revealed. The primary criterion for initial stall judgment is constructed. In summary, this project can lay the theoretical foundation for the technical measures to suppress pump stall.

水泵失速是叶片进口处水流冲角超过某个临界值后，一部分叶道被分离涡所堵塞、另一部分叶道过流量加大的不稳定流动现象，是造成水泵在小流量工况下压力脉动升高和振动增强的主要原因。对于水泵失速的影响因素，特别是来流扰动对失速的影响并不十分清楚。本项目针对泵站进水池表面旋涡与悬移质泥沙耦合作用对水泵失速影响问题，采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，对悬移质造成的自由表面旋涡和次表面旋涡相间作用力变化、多相流中液相压力梯度湍动效应和水泵在失速状态下流动结构评估方法等进行深入研究。研究目标是建立考虑悬移质对多相流相间作用影响的表面旋涡计算模型，提出存在悬移质和空气泡时水泵多相流失速计算方法，明确进水池表面旋涡参数、悬移质特性参数与水泵进口速度、叶轮内失速团之间的关系。从而揭示浑水条件下来流扰动引起的水泵失速机理，构建水泵初生失速判据，为抑制水泵失速奠定理论基础。

失速是水泵在小流量工况下运行时存在的一种典型不稳定运行现象，将造成水泵压力脉动升高、振动增大等问题。到目前为止，影响水泵失速的因素并不清楚。针对泵站进水池表面旋涡与悬移质泥沙耦合作用对水泵失速影响问题，采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的手段，研究了在有悬移质泥沙颗粒条件下的多相流相间作用模型、表面旋涡计算模型和离心泵失速流动计算方法，开展了不同来流条件下的水泵失速PIV实验，分析了来流条件与水泵失速特性之间的关系。建立了考虑悬移质对多相流相间作用影响的表面旋涡计算模型，提出了多相流条件下的水泵失速计算方法，明确了进水池表面旋涡参数、悬移质特性参数与水泵进口速度、叶轮内失速团之间的关系。研究表明，泵站进水池中吸水管淹没深度越小、吸水管管口水流速度越大，越容易形成表面旋涡，泵站进水池中存在一个不出现表面旋涡的临界淹没深度。水中悬移质泥沙的存在将加大表面旋涡的游移半径，同时降低游移频率。表面旋涡作为一种扰动源将使水泵进口流态紊乱程度加剧，使水泵的临界失速流量加大。与无表面旋涡存在的流动条件相比，水中含有第三类表面旋涡（即染料核涡）时水泵临界失速流量将增大9.7％。对于叶片数较少的离心泵，发生失速的临界流量小于叶片数较多的离心泵，如所研究的5叶片离心泵在0.4倍最优流量工况下发生初生失速现象。叶片数较少的离心泵更容易出现旋转失速，而叶片数多的泵不容易出现旋转失速。旋转失速较易引起低频压力脉动，脉动频率约为叶轮转频的1/3～1/5，脉动频率随着流量减小而增大。在悬移质泥沙作用下，水泵密封环磨损后导致的水流泄漏量，以扰动的形式改变水泵旋转失速特性。随着密封环磨损后泄漏量的增加，叶轮中的流动结构出现不稳定的“8”字形失速涡。本项目初步建立了来流条件与水泵失速参数之间的关系，为抑制水泵失速特性奠定了基础。