瞬变工况下泵作透平的非稳定流动特性研究

Recently, centrifugal pump as turbine (PAT) system is widely used for energy recovery in industry field. In the application, the working condition of PAT system varies due to the changes of upper and down stream flow, and its rotation velocity is also changed by control. In the transient working condition, the unsteady flow effects are significant to PAT system. In this project, a systematical study would be carried out to discover the unsteady flow characteristics of the PAT system by theoretical analysis, experiments and numerical simulation. Large eddy simulation (LES) model would be established to determine the effects of inflow characteristic parameters as well as the key geometric parameters on the transient hydraulic performance. The relationship between internal flow structure and performance parameters would be illustrated. The study on the unsteady flow mechanism would provide theoretical support for the safe operation of PAT system.

离心泵反转作液力透平（泵作透平）是实现生产过程中液体压力能回收利用的重要手段。实际应用过程中，泵作透平的运行工况会随着上下游工况变化而改变，在调控过程中也会发生转速的变化，在瞬变工况下，泵作透平承受的非定常流动变化效应十分明显。因此，本项目拟采用数值模拟方法，对泵作透平在来流流量或压力发生变化时、进行变速调节控制过程中的非定常流动特性进行系统深入的研究。本项目拟构建非线性速度梯度与带螺旋度约束动态亚格子应力模式的LES模型，通过精确数值计算捕捉泵作透平内部湍流流动特征，分析流场结构时空与空间演变规律，研究内部流动特征参数和过流部件关键几何参数对瞬变水力性能的影响，建立内部流动结构与性能参数之间的关联，最终为泵作透平在工程应用中的安全运行提供理论支撑。

离心泵作透平在工程应用中，其所处工况经常处于非恒定状态。在实际应用中透平随着流量和负载的变化其转速同时在时刻改变，使得泵作透平在不同的工况点之间过渡。在过渡过程期间，透平的性能参数随转速变化很大，内部流场更加复杂。本项目通过达朗贝尔定理对实现泵作透平叶轮转速对来流工况变化的自适应转速的模拟。数值模型使用ANSYS FLUENT进行搭建，入口流量调节控制和采用运动方程求解瞬时叶轮转速通过UDF编程来实现，并通过开展实验对数值算法进行验证。过渡工况通过对泵的运行方式进行分析，为更加贴近工程的实际应用，选取了在甩负载工况下流量发生大幅度变化的大波动过程，及带负载工况下流量进行小波动过渡过程的模拟。通过对模型和实验及计算结果开展了分析，发现相比于稳态计算结果，在过渡过程中泵作透平的轴功率和效率偏低。叶轮转速随流量的实时变化呈现滞后性，当流量持续增加到一定阶段后，叶轮转速迅速提升。叶轮扭矩随流量变化趋势一致。带负载工况下的泵作透平力矩与负载的力矩的峰值有1/3T的相位差。在低转速区域，叶轮内部压力梯度较小，叶轮流线紊乱但总体分布均匀，没有明显的高湍动能区域，随着转速增大，叶轮流道内出现涡旋和高湍动能，并且面积在不断增大，导致高流量高转速时透平的能量回收效率有所下降。过渡过程中压力脉动变化规律呈现出较为一致的规律，随着流量和转速的增加，流道越窄压力脉动幅值越大且与流量变化具有一致的周期性，叶片入口到出口的压力差值也越大，与此同时叶轮处于高转速区域时，压力脉动对流量波动更加敏感。项目结论可在泵作透平的瞬态操作和过渡过程控制中，为系统和机组运行稳定性提供理论指导。