对旋轴流式喷水推进泵的进口预旋

为了研究喷水推进泵在小流量下效率下降较快的原因,应用计算流体动力学方法对不同工况下的喷水推进泵进行数值模拟,研究进口预旋的产生和发展,分析进口预旋对效率的影响以及转速对进口预旋的作用.结果表明:在设计工况Q_d时,首级叶轮进口的绝对速度圆周分量v_u接近0,基本不随流道半径的变化而变化,进口预旋可以忽略;0.8Q_d时,v_u随流道半径的增加出现小幅增大,仅仅在轮缘处有较小的正预旋;从0.6Q_d开始,预旋变化明显,流量越小,预旋变化越大.小流量下,降低首级叶轮的转速,可以有效地改善进口预旋,提高泵的效率;通过调节叶轮转速,可以有效地改善泵内部的流动状态并通过比较分析出小流量相对较优的转速.研究结果对于其他比转数的喷水推进泵的进口预旋分析具有重要的指导意义.     

核主泵前腔间隙对性能影响的数值计算

基于相对坐标系下的雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,采用SIMPLE算法,以清水为介质,对AP1000核主泵模型进行数值模拟.通过改变压水室与前腔间隙设计出4种不同方案,并对各种方案下泵内流动进行全三维数值模拟,获得不同间隙下模型泵轴向力和前腔内流动变化趋势和规律.计算结果表明:在工作流量(0.8Q_d~1.2Q_d)下,间隙变化对泵扬程和效率都有一定影响;核主泵前腔间隙变化导致泵最高效率点位置相对于设计工况发生偏移,其偏移方向和偏移程度与间隙变化无明显对应关系;在设计工况(1.0Q_d)下,泵效率在间隙为0.6 mm时高于其他间隙,相比间隙为1.8 mm时提高了1.66%;在1.2Q_d工况下,间隙为1.8 mm时效率高于其他间隙,相比间隙为2.4 mm时泵效率提高了2.17%;从全工况看,间隙对轴向力影响较小,轴向力随着流量的增大呈单调递减趋势,其计算值明显低于试验值,但随着流量的增加,理论计算值的相对误差有减小趋势.     

大型排水泵装置空化区间的数值计算

为了研究大型排水泵装置空化区间,基于SST k-ω湍流模型,应用Rayleigh-Plesset模型对泵装置内部空化进行描述,结合模型泵试验验证数值模拟结果准确性.重点分析了泵装置相同水位不同流量系数δ下的空化分布规律、空化体积分数以及大流量系数下叶片表面受力分布规律.结果表明:设计水位下,δ≥0.8和δ=1.0时泵装置叶轮非空化运行角度分别为-8°~ 0°和-8°~+6°; 与设计水位相比,泵装置进水池水位降低会增大空化区间,反之将会减小;相同流量系数下,叶轮运行角度偏离0°越大,空化现象越严重,空化体积分数越大;进口水位达到最高防洪水位,非空化区间的最大运行工况为Q=28.75 m³/s(+8°);大流量系数下运行时,叶轮表面总压分布随着叶轮运行角度的增大而增大.本研究结果为大型排水泵装置稳定运行提供参考.     

单叶片螺旋离心泵内部流场数值计算及油膜试验研究

针对比转数为240的单叶片螺旋离心式潜水排污泵内部流场,采用数值计算与试验相结合的手段进行研究.以多面体网格为划分形式,应用Realizable k-ε湍流模型,对其进行了全流场定常数值计算,并将计算结果与外特性试验结果及油膜试验结果进行对比.研究结果表明:数值预测的外特性及叶轮表面迹线结果与外特性试验及油膜试验结果能够较好地吻合,验证了多面体网格在单叶片螺旋泵数值计算方面的精度;通过对单叶片螺旋泵内部流场的剖析,发现了叶片进口附近存在泄漏流动,泄漏流的强度随流量的增大而逐渐减小;在3个流量工况(0.6Q_d,1.0Q_d和1.4Q_d)下,叶片吸力面出口附近的轮毂表面存在严重的回流现象,而在0.6Q_d工况时,该回流区域占据了流道宽度的80%以上;在叶片压力面与轮毂的交界处也存在多处回流,流量越小,回流越严重;3个工况下,蜗壳出口均存在较大的速度梯度.     

高速潜水轴流泵的空化特性

为研究轴流泵内部的空化特性问题,选取一台比转数n_s=700的高速潜水轴流泵作为研究对象,利用ANSYS CFX软件进行数值计算得到外特性曲线,发现在大流量工况下外特性计算结果与试验误差较大.利用Rayleigh-Plesset空化模型和SST湍流模型对潜水轴流泵进行空化定常模拟,求得各工况下泵的临界空化压力,通过分析进口压力和运行流量变化对潜水轴流泵空化体积分数的影响,结果发现:临界空化压力随流量及转速的提高而增大,设计工况的汽蚀余量为7.08 m,临界压力为73 kPa,当进口压力低于临界压力时,泵内将发生严重空化,空化位置主要集中在叶片吸力面的进口轮缘处以及叶片最大厚度前后流体产生分离的位置.由于整体压力都大于汽化压力,在叶片压力面没有空化气泡形成.在设计工况附近增大或者减小泵的运行流量都会导致空化现象的加剧.因此在实际工程应用中,通过增加轴流泵的进口压力,并调节运行流量稳定至设计值可有效抑制空化.     

低比转数排污泵内部PIV试验研究

通过对传统机电一体式排污泵的结构改造,以有机玻璃材料来加工叶轮及蜗壳,利用半螺旋形吸水室改变来流方向,成功获得适合于PIV测试的试验泵段.采用轴编码器等同步装置和空心玻璃球作为示踪粒子,对3个工况下叶轮与蜗壳5个不同相对位置的叶轮中间截面流场进行拍摄,取得了较好的结果.从PIV试验结果可以看出,在大流量1.4Q_d和设计流量1.0Q_d工况下,叶轮内部流场在任意时刻均能够保持较好的轴对称性分布,而极小流量0.2Q_d情况下,叶轮内部流场较为紊乱,且表现出明显的非轴对称性.在所拍摄的5个时刻内,通道A由于穿过隔舌位置,其出口圆周的相对速度分布梯度和小流量下旋涡的强度、大小等均受到隔舌的强烈影响.在极小流量情况下,通道C随着叶轮的旋转,压力面附近的脱流不断加剧并形成旋涡,最终堵塞大部分流道.     

卧式轴流泵空化特性的数值分析

轴流泵内部的空化现象是影响叶轮能量转换,导致轴流泵扬程、效率等性能下降的重要原因.为了研究轴流泵内部的空化现象,以轴流泵TZX-700为研究对象,该型号轴流泵相较于一般的轴流泵无后置导叶.为了验证数值计算结果的准确性,对该卧式轴流泵分别进行了试验研究和数值模拟,试验曲线和数值计算曲线基本吻合.在设计工况和小流量工况下进行全流道数值模拟,对其空化特性曲线、叶片吸力面和压力面的静压分布以及空化体积分数分布进行分析.结果表明:当进口压力为101.325 kPa时,在叶片的吸力面就已经发生空化;在叶片压力面,当有效空化余量NPSH_a下降到临界空化余量NPSH_cr=7.79 m时,靠近进口边的叶顶处开始产生少量的空泡;随着NPSH_a的下降,叶片表面的空化区域进一步增加,对叶轮内的流场产生明显的影响,导致扬程急剧下降;在同一轴流泵进口压力下,小流量工况下叶片表面的空化区域相较于设计流量工况进一步扩大,由靠近轮缘的进口边向出口边和叶根处发展,空化现象更为严重.     

余热排出泵叶轮内空化流动特性的数值分析

为研究余热排出泵叶轮内空化流动特性,基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型和剪切应力运输SST k-ω湍流模型,对余热排出泵水力样机叶轮内空化流动进行数值计算.根据计算结果获得了余热排出泵水力样机空化性能、设计流量工况不同装置空化余量条件下叶轮内空泡分布规律及其叶片表面载荷分布.研究结果表明:设计流量工况下,叶轮内空泡随着装置空化余量的降低逐渐呈不对称性分布,当装置空化余量低至2.63 m时,个别流道发生了堵塞.叶轮不同切面上的空泡分布不一样,切面越靠近后盖板,叶片吸力面上空化区面积越大,扬程发生突降之前,泵叶轮内空化表现为准静态空穴的特征.由于主流方向在叶轮进口处发生了急剧变化,使得叶片压力面靠近叶片进口边处上叶片载荷出现了先突然增大然后又迅速降低的变化规律.     

带可调式前置导叶轴流泵空化性能试验

以一台带可调式前置导叶轴流泵为研究对象,在闭式试验台上进行了非额定工况的空化性能试验,揭示了前置导叶对轴流泵空化性能及进出口压力脉动的影响。空化性能曲线表明:安装前置导叶后,水力损失增加,扬程下降,但临界汽蚀余量减小,空化性能得到改善;前置导叶由负角度向正角度调节时,虽然扬程逐渐降低,但抗汽蚀性能得到增强。压力脉动分析结果表明:空化初生时,设置前置导叶后进出口压力脉动幅值均增加,且峰值主要出现在叶频及其谐频处,临界空化与空化严重时,进口压力脉动主要集中在低频处,出口则呈现宽频脉动特性;流量降低时,泵内流态紊乱,前置导叶对压力脉动幅值影响较小,且脉动峰值出现位置随前置导叶角度变化而改变。     

导叶开度对贯流式水轮机性能及流动特征的影响

针对某型号贯流式水轮机,运用ANSYS CFX,分别在导叶开度为1 550,1 405和1 278 mm条件下,对水轮机内部三维流场进行全流道数值模拟,研究导叶开度对水轮机性能及流动特征的影响.通过分析对比3种开度下水轮机水头和效率,同时研究全流道截面压力、速度分布,导叶外环面压力分布,导叶叶片压力分布以及转轮叶片压力分布,得出开度为1 405 mm是与转轮匹配性最佳的导叶开度.进而对最佳导叶开度下水轮机在0.8Q,1.0Q,1.2Q这3种工况下的空化进行模拟,结果发现空化很大程度地降低了水轮机的水头和效率.同时对转轮、转轮叶片以及尾水管的空泡相体积分数的分布进行了分析,得知在设计工况下的空化程度最轻,小流量工况下的转轮内空化比较严重,而在大流量工况下,空化区从转轮出口延伸到尾水管内.     

叶顶间隙对诱导轮内部流动特性的影响

为研究不同叶顶间隙值对诱导轮内部流动特性及非定常特性的影响,采用ANSYS CFX软件,基于SST k-ω湍流模型对某高速离心泵在3种不同诱导轮叶顶间隙率(0.01、0.02、0.03)下进行内部流场数值模拟。分析诱导轮内部流动特性、0.6Qd流量工况下轴向截面压力脉动以及诱导轮所受径向力。结果表明:适当增大叶顶间隙对泵的扬程和效率影响较小,但可以减弱壁面射流,改善诱导轮叶片进口压力分布,提高其空化性能。叶顶间隙对诱导轮进口处压力脉动影响较大,对诱导轮中后段处压力脉动影响较小。对本文模型而言,0.6Qd流量工况下叶顶间隙率增加至0.03时,径向力分布情况最好,说明适当增加叶顶间隙有助于减小和平衡小流量工况下诱导轮所受径向力。     

专用堆型对应的核主泵正反转流动数值模拟

为了研究核主泵在定转速工况下的正反转特性,采用相似换算法,基于SST k-ω 湍流模型与块结构化网格,对缩比系数为0.5 的核主泵模型泵进行数值模拟.定义流量从泵进口流向出口为“+”,反之为“-”.在正转工况下分别对-0.8Q_d到+2.0Q_d流量范围内的16个工况点进行计算、反转工况下对-1.4Q_d到+1.0Q_d流量范围内的14个工况点进行计算,得到其全特性曲线.计算结果表明:在相同流量工况下,核主泵正转时的扬程与转矩总是高于反转时的扬程与转矩,叶轮扬程与泵扬程存在不同的变化趋势;在正转工况下,在 -0.1Q_d到+0.4Q_d流量范围内,叶轮扬程曲线呈现反“N”型变化趋势;在反转工况下,在-0.4Q_d到+0.1Q_d流量范围内,叶轮扬程曲线呈一个明显的“V”型变化趋势;叶轮出口处产生二次流回流现象,这是正转小流量工况下叶轮扬程降低的主要原因,而叶轮与导叶之间过渡段区域内的环形高速带和叶轮流道内的大尺度涡是反转小流量工况下叶轮扬程降低的主要原因.     

高比转数离心泵空化状态下的压力脉动特性

通过相似变换得到高比转数离心泵缩小模型,并通过试验和数值模拟发现模型泵和设计泵的性能曲线相近,可代替设计泵进行试验研究.基于RNG k-ε湍流模型,采用SIMPLEC方法求解不可压缩时均方程,通过对离心泵内部流场进行定常和非定常数值模拟,得到不同工况点的外特性、汽蚀及压力脉动特性.并通过模拟结果和试验结果的对比,验证了模拟的准确性.通过模拟发现,额定流量下隔舌处的压力脉动幅值最大;不同工况下各检测点的压力脉动主频均为叶频;隔舌压力脉动最大,进口压力脉动最小.额定工况下压力脉动幅值最小,非设计工况下压力脉动幅值明显增大;通过对空化不同阶段的瞬态数值模拟,发现从未空化到严重空化,不同工况下隔舌和出口处的压力脉动变换规律相同,随着空化发展压力脉动幅值降低,且脉动主频均为叶频;并且随着空化程度加剧,压力脉动高频成分增多,各监测点主频下降明显,并可将此作为判定空化初生的依据.     

核主泵小流量工况下不稳定流动数值模拟

为研究小流量工况下核主泵驼峰现象,通过三维软件Pro/E对核主泵内部流道进行三维造型,基于雷诺时均N-S方程和k-ε湍流模型两方程及SIMPLEC算法,应用计算流体力学软件CFX对核主泵小流量工况进行了定常数值模拟和分析.结果表明：采用定常数值模拟,可以阐明小流量区域的不稳定驼峰现象.泵壳出口位于泵壳的中心,使得沿叶轮旋转方向的主流与出口处的液体发生摩擦和碰撞,造成能量损失,导致内部流场分布不均匀.核主泵对称性结构、叶轮叶片进口和出口复杂旋涡、导叶内复杂的回流以及泵的旋转失速与不稳定驼峰的形成都有密切的联系.核主泵在小流量下运行时,出现不稳定流动,严重时会引起泵的振动.     

离心泵内空泡演化与其对振动的影响

对不同流量下离心泵内稳态及旋转空化进行了可视化研究,获得了不同汽蚀余量下空泡团形态,同时对泵体振动进行了测量,分析了泵体振动与空泡团形态之间的关系。试验结果表明:压力面上发生空化将加剧振动,尤其是发生超空化后更加显著。多数情况下吸力面上空泡团较薄,且吸力面发生空化对振动影响相对压力面较小。旋转空化发生后振动减弱,处于正对位置的流道内空泡团形态基本相同,空泡团脱落频率约为27 Hz,压力面出现稳定空化后振动开始回升。     

混流泵瞬态启动性能及空化流场可视化试验

为解决泵喷系统以及潜艇武器大型化和稳定化发展中的混流泵瞬态启动特性和诱导空化问题,结合混流泵外特性试验和高速摄影可视化技术,研究泵瞬态启动性能和空化流场特性.结果表明:在无空化启动时,启动时间和启动流量不影响混流泵的稳态性能,泵流量、转速和扬程同时刻达到稳态峰值,具有较好的同步性,泵扬程在启动初期具有明显的滞后性,设计流量下,启动扬程滞后时间约为启动时间的50%;在空化启动条件下,混流泵叶顶间隙最先出现空化,随着启动时间的增加,空泡云发展出“长条状”形状,随着进口压力的降低或进口流量的增大,空泡云逐渐呈现出“三角状”,最终发展到堵塞流道.通过高速摄影试验捕捉不同启动条件下混流泵流道内的空化形态演变,发现缩短启动时间、减小启动流量、增加泵进口启动压力是抑制启动空化发生的有效途径.     

不同空化工况下轴流泵装置压力脉动试验

为研究不同空化工况下轴流泵装置内部压力脉动特性,采用动态压力传感器对派河口泵站轴流泵装置模型的叶轮进口、叶轮出口、导叶出口3个压力监测点,分别在2.5、3.5、4.5、5.4m扬程和未发生空化、临界空化（泵装置效率下降1%）、深度空化（泵装置效率下降3%）等12种工况下进行了压力脉动试验。试验结果表明：叶轮进口处的压力脉动曲线为平滑的近似正弦曲线;叶轮出口处压力脉动曲线幅值最大,且只在高扬程、未发生空化工况下的一个旋转周期内表现出明显有规律的二次谐波特性;导叶出口的压力脉动时域特性与叶轮进口相似。快速傅里叶变换(FFT)结果表明：各监测点在各工况下的主频为叶片通过频率的整数倍频,同一扬程工况下,随着空化程度的加深,各监测点主频附近的谐频逐渐向低频段移动;导叶出口与叶轮进口受叶频影响较小,且表现出相似的频率特性。     

叶轮几何参数优化对核主泵惰转特性的影响

为了研究核主泵叶轮部分几何参数对核主泵惰转特性的影响,首先对核主泵不同阶段惰转特性及影响惰转特性的因素进行分析.然后基于泵外特性的建模方法建立模型核主泵的动态仿真模型,并且通过研究不同叶轮几何参数下的惰转模拟方案,分析得到更优设计方案.结果表明:惰转性能的影响主要体现在惰转过渡过程的非线性惰转瞬变阶段.在一定范围内,包角越大对应泵的惰转性能越优;叶轮叶片数越少,对应泵的惰转性能越优;随着叶轮进口边向出口延伸,对应泵惰转性能越优.通过优化核主泵叶轮结构,可以得到惰转特性更优的设计:选择120°包角、进口边位置为方案b,叶轮叶片数为5.优化后的主泵惰转流量曲线达到半流量的时间比优化前对应的曲线晚0. 07T,即0. 91 s.当泵保持其他设计参数不变,只是改变几何参数来优化惰转性能时,其对应的功率曲线越低,则其惰转特性越好.     

核主泵内部流动研究现状与技术发展综述

核主泵是反应堆冷却剂系统中唯一高速旋转设备,是影响核电厂安全性和可靠性的最关键设备,其长时间高效、稳定、安全地运行对防止核电厂事故的发生极为重要.近年来,随着全球核电工业高速发展,核主泵的重要性引起广泛关注.核主泵作为一回路承压边界的重要组成部分,在启停、地震、海啸等瞬态和异常工况下,或发生卡轴、轴密封泄漏以及失去外动力等事故时,核主泵驱动冷却剂的循环能力与反应堆释热之间的平衡遭到破坏,严重威胁堆芯安全.各种复杂工况下核主泵关键部件及其关联系统的复杂性和高安全性,是核主泵设计和制造难度极高的主要原因.针对核电技术的发展历程开展论述,介绍世界主要三代核电技术和中国三代核电建设和发展现状,介绍了中国独立自主三代核电技术“华龙一号”HPR1000和“国和一号”CAP1400,并以CAP系列核主泵为例简要介绍第三代压水堆系统和关键设备,介绍了2种典型无轴密封形式的核主泵:屏蔽电机核主泵和湿绕组核主泵.针对核主泵的水力优化设计、全特性、事故工况下水动力特性、气液两相流动、空化特性、流固耦合等内部流动研究现状开展论述.核主泵的安全可靠极为重要,核主泵设计加工制造也极具挑战.因此对核主泵内部流动基础理论和关键技术进行深入研究,突破国外的技术壁垒,掌握自主知识产权的核心技术和关键技术,实现核主泵技术的跨越式发展,是当前中国急待解决的“卡脖子”难题.     

混流泵启动过程空化特性的试验研究

为了研究混流泵在不同流量和不同进口压力工况下启动过程中的空化特性,采用不同的启动时间,对一台叶顶间隙为0.25 mm的混流泵模型的启动过程进行了高速摄影试验研究.主要研究了模型在4种流量(0.80Q_d,0.90Q_d,1.00Q_d和1.05Q_d)工况下,启动时间分别为10,15,20 s下的空化现象.试验结果表明:在混流泵启动过程中,初始阶段由于速度很小,压力没有达到水的气化压力,因此没有出现空化现象;当启动时间达到稳定点后,首先在叶轮叶顶处出现了空泡,随后扩散至叶轮流道,发生严重空化;在相同流量下,泵的进口压力越小(即空化数越小),空化发生的越严重;在进口压力和流量相同时,不同的启动时间下,模型泵在启动过程中,泵内的空化程度随着时间逐渐发展加剧,达到稳态时,空化最为严重.