大型轴流泵与弯肘形进/出水流道水力相干机理及优化匹配研究

在世界能源日益紧张的社会形势下，对大型轴流泵装置进行节能优化设计具有重要的经济效益、社会效益和广阔的应用前景。目前对轴流泵段与进出水流道单独进行优化设计的方法严重影响了泵装置效率的提高。项目基于虚拟仪器的压力脉动测试、PIV流场显示以及泵装置的外特性试验同步进行的泵装置模型综合实验系统，结合理论分析和CFD数值模拟技术，研究了弯肘形进、出水流道与轴流泵段的内部非定常流动水力相干机理。首次将轴流泵导叶体和出水流道作为一个整体进行优化匹配研究，突破现有的泵段与进出水流道单独进行优化设计的瓶颈。将流道和导叶体的型线参数化，建立多目标多参数的优化水力设计问题数学模型。采用基于遗传算法进行整体寻优，序列二次规划法局部寻优的智能组合优化策略，建立CAD-CFD联合优化系统。为大型轴流泵装置的优化设计和安全稳定运行提供理论基础和关键技术。

本项目基于对大型轴流泵装置内部水力相干机理的研究，探讨肘形进水/弯直管出水流道泵装置、肘形进水/虹吸出水流道泵装置、双向流道泵装置、以及双向S形叶轮轴流泵装置中进水流道、转轮、导叶体和出水流道之间的匹配关系，丰富大型轴流泵装置优化设计理论。. 分析弯肘形进水流道在不同流量工况、不同弯曲半径条件下对轴流泵叶轮进口流场的影响；研究了弯肘形出水流道与轴流泵导叶体内部流动的水力相干机理和水力相干性。对肘形进水和直管出水流道的型线进行了数学建模，并开发形成基于流道设计参数的优化设计软件，同时结合三维紊流数值模拟技术对流道的水力性能进行检验。结合实际泵站的控制性结构参数，研究开发了肘形进水、直管出水流道形式的高效立式轴流泵装置模型。. 建立了以虹吸式出水流道水力损失为目标函数、驼峰断面位置为求解变量的最优化问题数学模型，求解结果表明：当驼峰位于流道进口的正上方，即进口弯管段变为近似直管时，整个虹吸式出水流道的水力损失为最小。说明在设计虹吸式出水流道时，在泵站结构布置允许的条件下，驼峰的位置应尽可能向流道进口方向靠近，以减小出水流道的水力损失，提高泵装置效率。针对某大型低扬程泵站进行了肘形进水流道和虹吸出水流道的优化设计，得到了水力性能优良的进出水流道型线方案。. 运用CFD技术对双向流道轴流泵装置进行整体数值模拟，以泵装置性能最优为目标，运用正交试验方法对导叶及其布置方式、进出水结构几何尺寸进行优化，完善双向进出水流道设计方法。研究各种进出水流道形式控制参数对整体泵装置性能的影响。. 基于自由旋涡理论和强制漩涡理论的不足，提出了一种以自由旋涡形式为基础的修正环量分布规律：提高轮缘侧环量，减小轮毂侧环量。由给定的叶栅稠密度的分布规律以及环量修正方法，同时结合流线法、简化三元流动模型方法、奇点分布法的综合应用，开发了双向S型叶轮。通过数值模拟分析和试验研究对S型叶轮和导叶进行优化匹配。