深井离心泵轴向力数值预测与试验

轴向力的预测和平衡是多级泵设计和优化中的重点和难点。以150QJ20型深井离心泵为例,在Fluent中采用标准k-ε湍流模型、SIMPLEC算法、二阶迎风方程,对包含叶轮、导叶在内的两级深井离心泵进行了全流场数值计算,对不同工况下的泵效率、单级扬程和单级轴向力进行了预测。随后对样机进行了外特性和轴向力的试验测量。将数值模拟结果与试验结果对比,分析了预测值与试验值的差异,结果表明利用数值模拟方法可以较为准确地预测深井离心泵的外特性和轴向力。     

叶轮进口边位置对深井离心泵水力性能的影响

针对一典型的150QJ20型深井离心泵,设计了3种进口边位置的叶轮,基于Fluent软件,采用标准k-ε模型、SIMPLEC算法对其进行了全流场数值计算,对不同进口边位置的叶轮出口断面的压力场、湍流场和速度场进行了比较,并结合试验分析了进口边位置对深井离心泵水力性能的影响。结果表明,适当延伸叶轮进口边,增加后流线的长度,可以减小叶轮出口的湍流强度,改善流场分布;可以相对减小叶轮进口直径和叶轮进口的冲击损失,提高深井离心泵的水力性能。     

不同级数深井离心泵性能的数值模拟与试验

选取250QJ80型深井离心泵作为研究对象,借助数值模拟和试验研究的方法,研究不同级数时深井泵性能的变化规律,并通过分析内部流场探究不同级数深井离心泵性能变化规律的本质原因.采用ANSYS-CFX 17.0软件对该深井离心泵模型在单级、两级以及三级时的性能分别进行了数值预测.对3组模型分别进行计算域建模,结构化网格划分,进而基于标准k-ε湍流模型和标准壁面函数进行多工况数值模拟,获得级数不同时深井离心泵的性能预测值,并将数值预测结果与试验结果进行对比分析.结果表明:深井离心泵级数的变化并不会对某一特定级数的性能造成影响,两级与三级离心泵首级扬程与效率高于其后各级,其后各级的扬程与效率差异不大.造成这些相似性与差异性的主要原因是:深井泵首级叶轮进口处的介质为无预旋入流,而当级数大于等于2级时,其后各级叶轮进口处的介质均存在一定的旋转分量.     

导叶时序位置对离心泵叶片载荷影响的数值模拟

采用结构化网格及SST湍流模型,对不同导叶时序位置下离心泵内部流场进行三维非定常数值模拟,并对模拟结果进行试验验证,研究时序效应对叶轮叶片和导叶叶片载荷的影响.结果表明:当隔舌大约处在2个导叶中间(cl0,cl5位置)时,蜗壳不对称作用对叶轮内部流场影响降低,叶轮叶片压力面载荷增大,叶轮做功能力较好; 当叶片逐渐靠近蜗壳隔舌时,蜗壳不对称作用对叶轮内部流场影响增大,叶片出口吸力面大于压力面载荷的位置逐渐向叶片中段偏移,导致叶轮做功能力逐渐降低; 导叶叶片载荷分布受导叶与隔舌相对位置的影响较为明显.当导叶叶片尾缘靠近蜗壳隔舌时,导叶叶片载荷出现吸力面大于压力面的情况.     

多级离心泵水力性能数值预测涡量分析法

为了研究利用CFD技术预测多级离心泵水力性能的方法,选取某一多级离心泵为研究对象.采用数值模拟方法获得了多级离心泵内部全流场信息.分别选取多级离心泵单级、二级、三级的三维模型进行全流场数值模拟,获得了3种三维模型各水力部件内部的的水力损失,通过对计算结果分析发现,多级离心泵内部各级水力损失大小基本类似,不随级数的不同而改变,这为通过对少级数的数值模拟以预测更多级数的泵性能提供了依据.通过对多级离心泵内部流场各级能量损失进行分析,分析各级能量损失特征及其流动特点,发现各级涡量分布基本一致,损失特性相同,只在最后一级导叶内部的涡结构有一定的区别.采用能量分析结合多级泵内部流场涡动力学分析方法建立了多级离心泵性能数值预测的计算方法,并建立了多级离心泵性能预测基于少级数模型数值分析的计算公式.     

导叶叶片数对井用潜水泵性能的影响

选取一典型井用混流式潜水泵作为研究对象,借助数值模拟和试验测量的方法研究导叶叶片数对井用潜水泵性能的影响。在导叶叶片型线不变的情况下,通过调整叶片数6、7、8共3个方案进行数值模拟。以单级泵模型建立计算域,划分高密度结构化网格,通过网格无关性分析确定了合适的网格划分方案。基于SST k-ω湍流模型和标准壁面函数进行多工况数值模拟,对不同叶片数方案的泵性能预测结果进行了对比。证实在小流量工况下,叶片数的增加提高了导叶叶片流道内整流效果,泵的扬程随叶片数的增加而提高。然而在大流量工况下,过多的叶片会占据更多的流道面积,并产生较大的水力损失。7叶片方案的进口面积与叶轮出口面积匹配较好,水力损失较小。将7叶片方案进行了加工制造和样机性能试验,试验结果表明模型泵性能优秀,高效区宽且具有无过载特性。数值模拟预测的扬程和功率均略高于试验结果,预测的泵效率与试验值基本一致,两者随流量变化的整体趋势基本一致,证实本文数值模拟具有一定的精度。     

深井离心泵的水力设计和二次回归正交试验

根据研发新型井泵节能节材的要求,将水力设计与计算流体动力学技术和二次回归正交试验方法相结合,进行提高井泵效率的试验研究.试验选择深井离心泵的叶轮出口安放角和出口宽度两个几何因素,按二次回归正交试验方案,设计了10副叶轮.通过计算流体动力学技术对包含叶轮、导叶在内的两级新型深井离心泵的全流场进行了设计工况下的三维流场数值模拟,得到了10组设计方案额定点的效率值.通过二次回归正交试验法研究了叶轮出口安放角、出口宽度对效率的影响规律,根据计算结果对新型深井离心泵效率提出了二次回归约束方程.结果表明,采用叶轮极大直径设计法对提高新型深井离心泵的水力效率具有一定的参考价值.     

基于正交试验的高速井泵优化设计

为了提升高速井泵的水力性能,探讨影响其性能的主次因素,以100QJ10型高速井泵为研究对象,按照L₁₈(3⁷)正交表,选取叶片出口宽度、叶轮出口直径、叶片数等7个因素,每个因素选取3个水平,共设计18组叶轮,并分别与同一个导叶装配.应用CFX 15.0软件对18组模型泵进行全流场数值模拟,利用极差分析法研究影响100QJ10型高速井泵性能的主要和次要因素.结果表明:叶片出口安放角和叶轮出口边斜切角度对高速井泵的水力性能影响较大;本次优化最优方案为叶轮出口宽度b₂=6.5 mm,叶轮出口直径D₂=80.5 mm,叶片出口安放角β₂ = 27°,叶片数Z=7,叶片进口直径D₁=40 mm,叶轮后盖板与反导叶最底端轴向间距h=3.5 mm,叶轮出口斜切角度为0°.分别对初始模型和优化模型进行外特性试验并对比分析,验证了正交试验结合数值模拟方法在高速井泵优化设计方面的可行性.     

超低比转数多级离心泵水力优化与性能试验

为提高现有超低比转数多级离心泵水力性能,基于ANSYS CFX软件,对多级离心泵内部全流场定常流动进行数值模拟,通过定义叶轮、泵腔、导叶扬程及效率,分别分析叶轮、泵腔、导叶内能量转换与流动损失情况,得到影响多级离心泵性能的主要因素为叶轮与导叶的匹配,次要因素为叶轮内的流动损失.提出取导叶喉部进口绝对速度为叶轮出口绝对速度的1/2计算导叶喉部面积,并逐步优化设计一流道式导叶,通过调整叶片型线消除叶轮流道内旋涡.优化后的叶轮与导叶各处速度变化均匀缓慢,大大降低了流动损失.将性能较优的模型进行制造和测试,测试结果表明,优化后方案的额定工况下扬程提高8.1 m,效率提高3.2%,达到了国家标准,取得了较好的优化效果.将数值模拟结果与试验结果进行对比,分析二者的差异,为进一步优化改进超低比转数多级泵的水力设计方法提供参考.     

导叶式离心泵内部流动特性数值模拟

采用SST k-ω湍流模型对导叶式单级离心泵内部流场与压力场进行非稳态数值模拟,并进行试验验证。根据数值计算结果分析导叶、蜗壳内非定常压力回收与总压损失、压力脉动等特性。结果表明,数值模拟性能预测结果与试验结果较吻合;由于动静干涉作用影响,导叶与蜗壳内总压损失、静压回收呈现周期性波动,且导叶内总压损失与静压回收都大于蜗壳;导叶内大量漩涡主要由导叶叶片前缘漩涡诱导产生,且逐渐向出口延伸,而蜗壳内漩涡主要由导叶叶片尾缘诱导产生。叶轮中最大压力脉动强度集中于叶轮出口处,导叶与蜗壳中压力脉动强度最大区域分别集中于导叶前缘附近、蜗壳出口。     

多级中开式离心泵级间过水流道的流场分析

为了研究多级中开式离心泵级间过水流道的流速、静压及湍动能的分布规律,在设计工况下对多级中开式离心泵级间过水流道进行数值模拟计算.针对导流叶片附近产生的回流及旋涡现象,在原始设计的基础上,通过改变导流叶片的形状及位置,提出3种不同的改进方案.分别对改进方案进行数值模拟计算,分析了3种方案流场的变化并通过积分计算出4种不同级间过水流道的能量损失值,对比分析后确定方案二为最佳方案,并通过试验验证数值模拟计算的准确性.研究结果表明,流体沿级间过水流道流动,在过桥末段的导流叶片处产生回流及旋涡,造成一定的能量损失,从而影响离心泵的性能;可以通过改变前端进口角、后端出口角以达到提高多级中开式离心泵整体性能和效率的目的.     

不同导叶开度下立式蜗壳离心泵失速特性分析

大型立式蜗壳离心泵是长距离输水的核心动力装备,为了研究小流量工况下泵内不稳定失速机理,基于精细化网格和SST-SAS湍流模型,数值分析了活动导叶开度在小开度、最优开度和大开度3种条件下的非定常流态及其诱导压力脉动特性,讨论了导叶开度对立式蜗壳离心泵失速特性的影响.研究结果表明,在不同导叶开度下泵内失速的特征工况点相近,...     

多级离心泵内部非定常压力脉动的数值模拟

为了研究多级离心泵内部稳态和瞬态的流动特征,以不锈钢冲压多级离心泵为研究对象,基于计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)软件ANSYS CFX,选取标准k-ε湍流模型,在设计工况下对整机进行两级全流场非定常数值模拟.计算结果与试验结果吻合较好,验证了数值模型和计算方法的准确性.在叶轮某一流道的压力面和吸力面分别设置了4个监测点,在导叶的某一流道设置了6个监测点,分别分析了叶轮和流道式导叶内不同位置的压力脉动特性,并对其进行了频域分析.结果表明:叶轮与导叶间的动静干涉是产生静压波动的原因,静压波动均值从叶轮进口到叶轮出口逐渐增大;整体式冲压叶轮的形状影响正导叶内的压力脉动,一个周期内的压力波动间隔相似;叶轮和导叶间的动静干涉影响显著,首级泵体反导叶中部及出口位置脉动频率为3倍叶频,而在其他位置处均为1倍叶频;额定工况下导叶内部脉动主频均出现在低频处,表现为叶频压力脉动.     

不同导叶参数对箱涵式轴流泵装置水力性能的影响

为了研究不同导叶参数对箱涵式轴流泵装置水力性能的影响,采用正交设计的方法,选取导叶叶片数、相对位置及扫掠角作为设计因素,每个因素选取3个水平进行组合,应用数值模拟方法研究3个因素对泵装置效率、出水流道轴向均匀度、导叶体水力损失及出口处平均涡角的影响规律,最终综合确定最优的设计方案.研究结果表明:如果只改变导叶的参数,导叶叶片数对导叶出口处的平均涡角和出水流道轴向均匀度影响较大;导叶相对位置在对泵装置的效率和导叶体水力损失影响中占主导地位;随着导叶扫掠角增大,泵装置效率、出水流道轴向均匀度、导叶体水力损失先增大后减小,平均涡角影响较小;对比数值计算和模型试验的结果,在设计工况附近效率基本吻合,扬程在误差允许范围内.研究结果可为箱涵式轴流泵装置优化设计提供一定的理论依据.     

Influence of long and short guide vanes on hydraulic performance of water-jet pump

Different guide vane structures will affect the flow inside the pump,and then affect the transformation of the pressure energy and kinetic energy,and change the velocity distribution of the pump outlet.In order to study the influence of long and short guide vanes on the water-jet pump,on the basis of conventional design,eight schemes of guide vane with different vertical heights were designed in the method of computational fluid dynamics for numerical calculation,the performance curve of water-jet pumps with different long and short guide vanes was obtained,and finally the influence of different guide vanes on hydraulic performance and internal flow was analyzed.The results show that all of schemes reducing the height of blade can improve the head and efficiency.In the schemes reducing the height on the shroud,the guide vanes that the height of the blade is equal to the height difference between hub and shroud in impeller have the highest head and efficiency.In all schemes decreasing the blade height,with the increase of the height difference,the velocity increases gradually and the distribution of turbulence kinetic energy becomes more reasonable in the guide vane outlet.The schemes reducing the height on the hub have more reasonable distribution of velocity and turbulence kinetic energy according to schemes reducing the height on the shroud.The guide vanes of long and short blades can be used to stagger the position of the diffusion flow generated by adjacent blades,which can reduce the effect of the velocity circulation and make the flow of the outlet position more stable.     

熔盐泵分流式空间导叶内部流动及其非定常特性

为了抑制熔盐泵空间导叶内存在的二次流以及轴向旋涡,提高熔盐泵的效率和稳定性,提出一种分流式空间导叶体.采用k-ε模型、SIMPLE对2种不同形式空间导叶的熔盐泵模型进行了数值模拟,以获得2种不同形式熔盐泵的外特性参数及其内部的速度、压力分布等特性.结果显示:在0.8Q和1.0Q下,分流式空间导叶内部速度分布更为均匀,导叶吸力面二次流、旋涡明显减少,提高了模型泵的效率.在1.2Q下,分流式导叶导致模型泵效率降低.但在空间导叶出口速度分布均匀,低速区域明显减少.分流式空间导叶内部压力脉动幅值叶频占主导地位,其出口压力脉动得到明显改善,在设计工况下,压力脉动幅值比常规空间导叶低近40%,空间导叶轮缘面压力脉动普遍高于轮毂面,在导叶轮缘面上,其压力面的压力脉动幅值低于吸力面;在导叶轮毂面上压力脉动幅值则基本相同.     

低比转数混流泵导叶内部压力脉动特性研究

对一比转数为148.8的设计混流泵进行试验和数值模拟研究,比较不同流量工况下混流泵性能的试验与数值计算结果,两者吻合较好。在流场内部设置监测点,捕捉压力脉动由动静干涉无叶区向导叶出口的发展过程。分析不同工况下的混流泵各测点的压力脉动,发现导叶内部各测点压力脉动主要受叶轮转动影响,主频为叶频;由动静干涉的无叶区到导叶出口,平均压力逐渐增大,而压力脉动的幅值强度越来越弱;非设计工况下的压力脉动变化更复杂。上述结果可为混流泵进一步的优化设计提供参考。     

弯管对双向轴流泵导叶区流动的影响

轴流泵弯管会对其上游流体产生干扰,为研究弯管和导叶的最优相对位置,以1台高比转数双向轴流泵为研究对象,分析了导叶网格转动时数值模拟结果产生变化的原因,发现导叶和叶片、导叶和弯管相对位置的变化均会影响定常数值计算结果,进而基于LES方法模拟了去除导叶和叶片流道的流场,分析了导叶和弯管相对位置变化时泵性能变化的原因,通过比较不同位置导叶区的流场进一步验证了结果,分析表明:由于弯管的影响,导叶安放位置不同时泵的性能有一定变化,导叶叶片进口冲角可能偏离设计冲角,设计时可通过延长扩散管、减小弯管角度或调整导叶布置来减小弯管对泵性能的影响.     

导叶叶片数及导叶相对位置对低扬程轴流泵装置性能的影响

为研究导叶叶片数及导叶相对位置对轴流泵装置性能的影响,设计了3个不同导叶数方案和4个不同导叶相对位置方案,采用计算流体动力学软件分别对每个模型在0.8Q_d~1.2Q_d之间的5个工况进行计算.根据数值计算结果,选择最优模型,即导叶数为5,叶轮出口距导叶距离为0.086D的泵装置模型进行能量特性试验,并将试验结果与数值计算结果进行对比分析.结果表明:当轴流泵叶轮叶片数一定时,增加导叶数,将使导叶水力损失增大,出水流道水力损失增大,泵装置效率将下降;当叶轮叶片数和导叶数一定时,叶轮出口至导叶进口距离过大或过小时,将使导叶水力损失增大,导叶出口速度环量减小,出水流道水力损失增大,泵装置效率将下降;试验结果与数值计算结果的误差在4%以内,验证了数值计算的可靠性、准确性.研究结果可为泵装置的导叶水力设计和效率提高提供一定参考.     

不同流量工况下斜流泵内部流场PIV试验

为了探索斜流泵的内部流动特性并优化斜流泵设计,基于粒子图像测速技术(PIV)对斜流泵内部流场进行测量,分析了不同相位叶轮截面处的流线和速度分布以及小流量工况下的涡量分布。研究结果表明,在小流量工况下,由于受到叶片压力面旋涡流动和吸力面脱流的影响,叶轮内部的流动呈现径向运动趋势,且流动紊乱;随着流量增大,叶轮流场流线逐渐向轴向方向移动并沿着轮毂轮廓线流动,在大流量工况下叶片压力面附近靠近端壁处形成明显的旋涡结构。0.6倍流量工况下,当叶轮进口进入拍摄断面时,在叶轮内部形成一个顺时针旋转的负涡;当叶轮出口进入拍摄断面时,在导叶进口外缘出现正向涡量集中区域,且随着叶轮的转动该区域向导叶进口方向移动;当叶片出口远离拍摄断面时,在导叶进口处出现负涡量区,揭示了斜流泵叶轮和导叶动静相干过程中能量损失的内在原因。