本文针对轴流泵装置进水池中易发生有害漩涡的问题,采用V3V体三维激光流速测试系统对轴流泵装置喇叭管下方附底漩涡从初生到消失演化全过程的流速场进行测量,同时采用VOF法对进水池内漩涡流动进行数值模拟,分析附底漩涡演化过程中附底漩涡的动力学特性。对进水池内有无漩涡时轴流泵装置不同断面位置进行压力脉动实验测量。探究附底漩涡诱导的压力脉动特性,建立了附底漩涡诱导压力脉动数学模型。提出采用流体体积分数显示涡管形态的方法。根据附底漩涡动力学特性变化规律,提出了新的消涡抑涡措施。
　　采用V3V体三维速度场测试系统对进水池内喇叭管下方附底漩涡从发生到消失完整期内的体三维速度场进行动态测量,采用VOF法对进水池轴流泵装置进行定常计算和非定常计算,对漩涡整个发展空间的动力学特性进行分析并采用实验结果进行验证。采用高速摄像机对附底漩涡演化发展全过程进行了动态拍摄,得到附底漩涡不同时刻涡管的真实形态。通过分析漩涡核心区流动过程和附底漩涡涡管的动态变化,揭示了附底漩涡的演化过程分为初生、发展、保持、溃退、消失五个阶段。对附底漩涡核心区的速度梯度、涡动能、漩涡强度、压力分布、压力梯度和涡核内压力等动力学特性进行分析,揭示了附底漩涡演化过程中不同阶段的动力学特性变化规律。附底漩涡演化过程中漩涡区伴随着速度梯度和压力梯度的不断变化。附底漩涡的强度随时间先增大,在保持阶段达到最大,然后迅速减小,附底漩涡溃退消失速率大于形成发展速率,与斯托克斯定理中漩涡演化过程相反。附底漩涡核心区的速度梯度最大、压力梯度最小,附底漩涡周围速度梯度小、压力梯度大。涡核内的压力随时间先缓慢减小,然后迅速增加。在进水池底部与喇叭管之间涡核内压力缓慢减小,漩涡进入喇叭管后涡核内压力急剧减小。采用高速摄像机拍摄对漩涡发生频率进行统计,附底漩涡在漩涡集中发生的时间段附底漩涡的发生频率1.2Hz.2.6Hz之间,可以认为进水池内附底漩涡的发生频率为低频脉动。
　　针对附底漩涡诱导泵装置内压力脉动的问题,在进水池底部漩涡发生区域、叶轮进口、叶轮出口及导叶出口安装压力脉动传感器,对泵装置内有无漩涡时的进行压力脉动测量。分析了有无漩涡时轴流泵装置不同位置的压力脉动特性。无论轴流泵装置内有无漩涡,轴流泵装置中压力脉动的主要激励源为叶轮的旋转作用。漩涡发生时进水池底部漩涡区压力脉动时域曲线形态相对于无漩涡时曲线形态不规则,压力脉动幅值为无漩涡时压力脉动幅值的1.98倍。无漩涡时叶轮进口单个叶轮旋转周期内压力脉动的波峰波谷数与叶片数相等,有附底漩涡时波峰波谷数大于叶片数。附底漩涡对叶轮进口和进水池底部压力脉动特性影响大,对叶轮出口和导叶出口的压力脉动特性影响较小。根据毕奥.萨瓦尔定律建立了附底漩涡诱导压力脉动的数学模型,得到附底漩涡诱导压力脉动的变化规律,并得到了实验结果的有效验证。附底漩涡诱导的压力脉动强度随时间以三角函数形态呈周期性变化。对轴流泵装置不同位置压力脉动频域特性进行分析,进水池底部的压力脉动主频为2倍叶轮转频,叶轮进口主频均为4倍叶轮转频,叶轮出口和导叶出口压力脉动主频均为2倍叶轮转频。当漩涡发生时在进水底部漩涡区和叶轮进口漩涡区1倍转频内存在较强的低频脉动。附底漩涡诱导的压力脉动为低频脉动,该泵装置中附底漩涡诱导频率为2.12Hz,根据固体力学原理,低频脉动的频率一旦与泵装置的固有频率接近就会诱导机组产生共振,这是漩涡发生时机组出现强烈的振动和噪声的原因。
　　采用实验测量速度场结果和数值模拟结果分析了各种涡判据的适用条件和局限性。流体力学中普遍使用的Ω准则、Q准则、λ2准则、A判据、螺旋度准则等速度场判别法更多的是基于二维速度场建立的,难以判断真实的涡管。根据涡管内的气液分布特性提出了流体体积分数显示漩涡涡管形态的方法与实验情况漩涡形态更相符,气液分界为涡管壁,比其他涡判据相比更加清晰、更加准确。
　　分析了喇叭管悬空高对漩涡特性的影响。设计了0.7D、0.5D、0.4D三个不同悬空高方案。计算结果表明,悬空高降低后,漩涡发生频率增加,漩涡强度也会增加,漩涡持续时间增加,持续时间分别为0.6s、1.1s、1.5s,涡核内的压力减小,涡核内最低压力分别为-1.5kPa、-3.2kPa、-5.8kPa但是不同悬空高下附底漩涡特性变化趋势一致。
　　设计了带消涡叶片的消涡导轮,消涡导轮轮毂和消涡叶片均为抛物线状,有效抑制和消除旋涡的发生发展。分析了不同叶片数的消涡效果,当消涡叶片数量为4片时,在导轮轮毂上还存在一些附壁涡;当消涡叶片数为8片时,虽然能够消除附底涡,但是导轮产生了较大的水力损失,降低了泵装置运行效率。当消涡叶片数量在6片时,导轮附近无漩涡,泵装置运行效率提高1.0-1.3个百分点。叶轮进口压力脉动强度降低近10个百分点。