燃料电池凸轮式氢气循环泵内流场仿真与气动特性研究

为降低燃料电池氢气循环泵运行产生的振动及噪声,基于凸轮式氢气循环泵基本理论,建立某循环泵内流场CFD仿真模型,通过仿真分析得出：随着转速增加循环泵的实际排气流量逐渐增大;理论排气流量与数值模拟结果误差低于4.4%,可以较准确地反应氢气循环泵内部气体脉动的规律;当转速在8 000 r/min时内泄漏量最小,容积效率最大,氢气循环泵的转速影响内泄漏量从而影响容积效率;压力脉动频率与转速负相关,压力脉动强度与转速正相关。因此,需选择合适的额定转速,避免因转速过高造成工作效率降低。     

双蜗壳式离心泵内部非定常流动压力特性分析

为研究双蜗壳式离心泵内部流动特性,基于标准k-ε湍流模型和标准无滑移网格模型,应用CFX软件对其不同工况下的非定常流动进行三维数值模拟,得到了不同工况下双蜗壳式离心泵叶轮和蜗壳内部流道的压力脉动特性。计算结果表明,在小流量工况下,各监测点处的压力脉动都比较大且不均匀;在叶轮流道中,叶轮流道靠近出口边缘的压力脉动是叶轮流道其他区域压力脉动的5~8倍;在流量Q为34、110、148、160 m3/h 4个工况下叶轮分别旋转30步(90°)和90步(270°)时,压力脉动出现最大值。双蜗壳内圈流道的压力脉动强于外圈流道的压力脉动且隔舌处出现压力脉动较大值,大流量工况下双蜗壳隔舌和出口产生一定回流导致蜗壳该处附近监测点压力脉动先减小后增大。从傅里叶变换得到频域特性可知,叶频及其倍频是压力脉动的主要频率,且呈衰减趋势。     

超大型离心泵内脉动压力特性研究

采用大涡模拟方法对某超大型明蜗壳立式离心泵进行全流道三维非定常数值分析,得到了运行状态下的泵内流场脉动压力特性.研究结果表明:泵内流态复杂,脉动压力的频率由泵的转动频率、叶轮叶片数和固定导叶数等多因素耦合决定;脉动压力幅值从蜗舌至蜗壳出口沿蜗壳周向先逐渐减少然后再逐渐增大,从叶轮至蜗壳沿泵径向快速减小,扩散段脉动压力变化不明显.     

混流泵内部流动不稳定特性的数值模拟

为了研究小流量工况下混流泵内存在的不稳定流动特性,基于大涡模拟亚格子尺度模型与滑移网格技术, 对包括进口管和出口弯管的混流泵全流场进行三维非定常湍流计算．外特性试验结果表明,在60％～85％最优工况范围内,扬程-流量特性曲线呈正斜率特性．数值模拟结果与试验结果误差控制在4％内,表明大涡模拟可以准确预估混流泵存在的扬程-流量正斜率不稳定特性．在此基础上,分析了混流泵产生正斜率不稳定特性的内流机理．分析结果表明,在小流量工况下叶轮入口切向速度呈明显的非对称性,叶轮与导叶流道内液流的失速效应使叶轮叶片表面和导叶叶片入口轮毂侧存在大尺度的旋涡结构．导叶流道内旋涡尺度较大,压力脉动沿导叶轴向呈明显的周期性波动,使旋涡区域从吸力面侧逐渐扩展到导叶流道,旋涡结构的涡核附着在压力脉动最小值的导叶吸力面中间叶高区,且涡核旋向与叶轮旋向相同．     

隔舌间隙对双流道泵瞬态流动特性的影响

为了研究隔舌间隙对双流道离心泵压力脉动特性的影响,采用大涡模型及网格滑移技术,结合全隐式多网格耦合算法,应用ANSYS-CFX对比转速为110的双流道离心泵进行三种隔舌间隙数下的全流道三维不可压缩湍流非定常数值模拟。在外特性模拟结果与实验结果对比验证的基础上,结合双流道泵自身特性,从泵的无阻塞性和内部流动的角度,探寻隔舌间隙数对双流道离心泵内压力分布、隔舌区附近的速度场及关键点压力脉动特性的影响规律。研究结果表明：随着隔舌间隙数的增大,压水室的高压区范围明显变大,泵内部静压分布规律性更好,隔舌间隙数越大,隔舌区附近的平均速度越小,流体在隔舌区域附近的流动更加平稳;不同隔舌间隙数的压力脉动的主频均为叶频,隔舌及蜗壳区压力脉动峰值处频率均为48.20Hz,同时随着隔舌间隙数的增大,压力脉动剧烈程度明显降低,这也是泵的水力效率有所提高的重要原因之一。适当增大隔舌间隙数有利于改善双流道离心泵水力性能及压力脉动特性。     

叶片挥舞振动后风轮流场特性

为了研究水平轴风力机叶片挥舞振动后风轮尾迹流场特性的变化规律,以某NACA翼型风轮为研究对象,通过自定义UDF代码及采用动网格技术成功控制了叶片振型,使得风轮在三维旋转的同时做垂直于旋转面的挥舞运动.数值模拟中利用Fluent计算平台对风轮尾迹速度场、涡量场及压力脉动特性进行研究.研究结果显示:施加振动后风轮在1个旋转周期内均会在叶中附近产生相对速度增益区、叶尖处会产生速度亏损区域,从而使叶片受力更加不均匀,出现较大压差,加速叶片的损坏与断裂;施加挥舞振动后叶尖处涡量强度增加,叶尖涡的脱落有所延迟;施加振动前后压力脉动均呈现周期性波动,且在径向0.5 m处压力脉动波动最为明显.通过引入新的非定常因素,揭示挥舞振动对风轮尾迹流场特性影响规律,使数值模拟结果更加逼近风力机实际运行状态,对风力机叶片设计具有指导意义.     

多级离心泵多工况内部压力脉动数值计算

为研究多级离心泵内部压力脉动特点和瞬态流动特征,以三级卧式离心泵模型为研究对象,采用DES方法进行了4种不同流量工况下的全流场非定常数值模拟.为保证划分的网格准确反映多级离心泵内流动特性,进行网格无关性分析.通过定常计算的扬程效率和外特性试验值进行对比,证明数值模拟的可靠性.在每级叶轮、正导叶、反导叶上共设置36个监测点,通过分析模拟数据得出压力标准差值图、系数图和频域图.结果表明:导叶喉部是低压区频繁出现的区域,不同流量下,压力脉动呈现周期性变化规律,脉动强度以正导叶最为剧烈,偏离设计流量工况,压力标准差幅值增大.不同流量下,多级离心泵正导叶流道内压力脉动主频为叶频(327 Hz),倍频处峰值衰减迅速.研究成果为揭示多级离心泵内部压力脉动规律提供一定的理论参考.     

涡旋式液泵内流场及空化的数值模拟

对涡旋液泵的内流场进行了数值模拟,其中空化模型采用Schnerr-Sauer模型,流体域的变化通过动网格技术来实现,得到涡旋式液泵在0.5 mm啮合间隙下的流场,同时对泵内特殊点的压力和速度进行了监测,并对其进出口流量进行了计算.结果表明:涡旋液泵吸液腔在0°附近产生压力峰值,达到1.50 MPa,在高压差的作用下,外啮合间隙处存在高速射流,使外部流道内产生涡和空化.在啮合间隙低压侧,动盘运动使吸液腔局部面积增大而产生负压和空化.涡和空化造成其附近压力和速度的脉动,从而堵塞流道,并使泵的整体流量产生脉动.动盘的运动和进口的不对称导致涡旋液泵两侧工作腔内压力、速度、涡的分布以及吸液量存在较大的差异,并在吸液后期导致右侧吸液流道内流动趋于静止,流体主要通过顶部流道流入右侧吸液腔.     

低比转数离心泵小流量工况下的压力脉动特性

为了研究低比转数离心泵在小流量下的压力脉动特性,以IS50-32-160型离心泵为研究对象,在对模型泵进行网格无关性分析的基础上,采用分离涡模拟对不同小流量工况下的内部非定常流动进行数值计算.计算结果表明:隔舌对叶轮内部流动的影响较大,靠近隔舌的3个流道内均存在不同程度的进、出口旋涡,进口旋涡从叶片吸力面处产生,方向与叶轮旋转方向相同,而出口旋涡在叶片压力面产生,方向与叶轮旋转方向相同;随着流量的减小,旋涡不断发展,尤其是隔舌所在流道,进、出口旋涡会堵塞整个流道,且蜗壳出口会出现流动分离,导致出流不均匀;对叶轮和蜗壳内各监测点进行快速傅里叶变换,发现叶轮内的主要脉动频率为轴频及其倍频,且脉动从吸力面到压力面、进口到出口均逐渐增大;蜗壳内主要脉动频率为叶频及其倍频,且越靠近隔舌脉动越大,在隔舌处达到极大值;各监测点的脉动强度随流量的减小而增强.     

多级潜水泵内部压力脉动特性

为研究多级潜水泵的瞬态运行特性,基于Fluent软件,采用标准k-ε湍流模型,SIMPLEC算法,在滑移网格技术的基础上,对两级模型泵进行三维非定常数值模拟.得到了潜水泵的水力性能并与试验进行对比,计算了不同位置处的压力脉动情况,并对其结果进行了时域和频域分析.结果表明:不同位置点处压力脉动均呈现周期性变化,其周期接近叶轮叶片数,频率接近叶频,而导叶叶片数对压力脉动周期影响较小;叶轮内的脉动频率从叶轮进口到叶轮出口逐渐增加,且在叶轮出口处达到极大值,导叶中则与之相反;压力脉动最剧烈的地方在叶轮出口处,各监测点的主频几乎都为叶频;次级流道叶轮和导叶各监测点压力脉动系数幅值高于首级流道各监测点;次级流道导叶内仍存在2个波峰,压力脉动并未完全消除,两级导叶内监测点主频不同.     

气液两相下离心泵内部流动数值模拟

为了研究在气液两相条件下,离心泵运行过程中内部流动及压力变化情况,选取比转数为129的离心泵作为研究对象,建立整泵的流场模型,基于仿真模拟软件CFX提供的Eulerian-Eulerian非均相流模型对模型泵进行了非定常数值模拟,得到在不同气相体积分数下,蜗壳流道内所选监测点和监测面的压力脉动及气相体积分布情况,并将数值模拟的性能曲线与试验进行了对比.结果表明:蜗壳流道内气相体积主要分布在与叶轮前盖板同侧方向.不同监测点在不同含气量下的压力脉动主频都等于叶片的通过频率.随着气相体积分数的增加,监测点压力幅值随时间呈周期性变化的规律开始受到破坏,压力脉动频域开始出现一定的紊乱,在低频处出现了一系列的波动.叶轮流道内气相分布不均匀致使叶轮周围液体压力分布不均匀,导致叶轮所受的径向力逐渐减小,周期性受到破坏.     

螺旋轴流泵内部流场与压力脉动研究

为研究螺旋轴流泵内部流场及其压力脉动特性,应用ICEM对其过流部件进行网格划分,采用CFX软件对其进行定常和非定常数值模拟,得到泵内部流场和各监测点的压力脉动。结果表明:0.8Q工况时,在叶轮轮毂与叶片结合处存在局部高压区和漩涡,随着流量的增大,局部高压区和漩涡逐渐减小并消失;设计工况和1.2Q工况时,泵内部压力和速度分布逐渐均匀,流动平稳,入流平顺。导叶进出口的压力系数波动幅值明显大于叶轮进出口边,具有明显的波峰与波谷,压力脉动主要产生在低频区,并呈现周期性降低的趋势,且其幅值均在固有频率的整数倍处产生。各监测点中,进口边压力脉动幅值最大,且轮缘侧大于轮毂侧,出口边监测点压力波动较为均匀,振幅不大。泵运行全过程中,获得了平滑下降的流量扬程曲线和功率曲线,无马鞍区、无过载现象发生,满足设计要求,预测曲线与试验曲线基本吻合,表明数值模拟较为准确,对螺旋轴流泵的设计具有一定的指导意义。     

水泵水轮机流场脉动与熵产率的关系

为了研究水泵水轮机不同工况下的运行稳定性,采用FLUENT软件对模型水泵水轮机转轮和无叶区的流态、熵产率分布、压力脉动进行了数值模拟,并将数值模拟结果与试验进行了对比.结果表明:数值计算的压力脉动数据与试验值吻合较好,旋涡引起的速度梯度和压力梯度剧烈变化是水泵水轮机内部高能量损失的根本原因.相较于设计工况,小流量工况时转轮叶片吸力面水流的流动分离和旋转失速会导致此处熵产率较高,叶片吸力面压力脉动主频和第2主频幅值最大;大流量工况时动静干涉作用占主导,无叶区的熵产率最大,相应的无叶区压力脉动主频幅值也最大.可见各工况下主流区熵产率和压力脉动具有强相关性,熵产率大的区域,压力脉动也较大.     

基于量纲一化的离心泵内部气液两相流动特性

为研究气液混输状态下离心泵内部流动及外特性的基本规律,以某一比转数n_s=132.2的直联式单级单吸离心泵为研究对象,基于量纲一化方法,在不同含气率及转速下进行外特性试验和数值模拟研究.结果表明:量纲一化参数的压力系数和速度系数能够较为直观地反映离心泵气液两相流内部流动的基本规律;随着转速的增大,低压区在叶轮进口附近的半径逐渐增大,低速区占据流道的面积也逐渐增大,此时由于气体主要聚集在叶轮流道及蜗壳附近,容易堵塞流道,液相与叶轮能量得不到有效地交换与传递,这是导致气液混输状态下含气率大于3%时离心泵外特性曲线不再遵循相似定律的主要原因;结合试验和数值模拟结果验证了所采用的Eulerian-Eulerian非均相流模型的合理性,为泵的优化设计提供了一定理论基础.     

空化对超低比转数离心泵内压力脉动的影响研究

为研究空化对超低比转数离心泵内压力脉动的影响,采用实验和数值模拟相结合的方法,研究了IB 50-32-250型超低比转数离心泵在不同有效汽蚀余量下不同位置处的压力脉动,并对其频域和幅值特性进行了分析。结果表明:空化会诱导产生低频及宽频脉动。无空化时,叶轮流道内压力脉动主频为转频及其倍频,蜗壳内压力脉动受叶轮和隔舌间的相互作用激励,主频为叶频及其倍频,且与隔舌越近脉动越强。随着有效汽蚀余量的减小,叶轮通道中大部分测点的压力脉动幅值减小,但空化区边缘的脉动幅值增大;临界空化时,叶轮进口附近的压力脉动主频由转频变为1/6倍转频。此外,蜗壳内流场的不均匀变化导致蜗壳内压力脉动幅值增大;临界空化时,蜗壳及泵出口处的主频仍为叶频,但1/6倍转频成为幅值较大的次频。     

离心泵汽蚀非稳定流动特性数值模拟

为研究离心泵发生汽蚀时流道内部变化规律,通过三维软件Pro/E对离心泵内部流道进行三维造型,利用雷诺时均N-S方程和RNG k-ε两方程及SIMPLEC算法,采用全空化模型并考虑水中未溶解气体对空化的影响,应用计算流体力学软件CFX对离心泵全流道内的气液两相湍流进行了数值模拟计算,分析了离心泵内部发生汽蚀时的非定常流动的规律。结果表明:在汽蚀初生到临界汽蚀余量这一区间范围内,气体体积分数主要集中在无量纲径向位置为0.2附近的一段区间内。随着汽蚀余量的降低,气体体积分数的密度会相应地增加,受叶轮和蜗壳的耦合作用呈现不对称分布,在汽蚀初生时叶轮流道内压力波动呈正弦周期性变化。随着汽蚀余量的降低和气体分数的增加,叶轮流道内压力呈现不规则变化,压力脉动从隔舌处开始沿着叶轮旋转方向逐渐衰落。     

外啮合齿轮泵流量特性影响因素分析

为研究外啮合齿轮泵重要参数对流量脉动系数的影响,通过理论推导获得流量脉动系数计算公式,分析齿数、压力角对流量脉动系数的影响;采用边界型函数和动网格技术,并结合k-ε湍流模型对不同参数条件下的齿轮泵进行非定常模拟,分析负载压力、径向间隙对流量脉动系数的影响.结果表明,增大齿数和压力角均会减小齿轮泵流量脉动系数,有利于提高齿轮泵的流量特性.另外,增大齿数与增大压力角对提高齿轮泵的流量特性效果较为接近;齿轮泵的流量脉动系数也会随着负载压力及齿轮径向间隙的增大而减小,在设计中适当增大负载压力及齿轮径向间隙,可以改善出口流量特征的质量;过大的负载压力和齿轮轴向间隙会导致齿轮泵容积效率下降,在设计过程中应当引起足够重视.     

轴伸贯流泵压力脉动特性及其改善方法

为研究轴伸贯流泵压力脉动特性及其改善方法,应用计算流体动力学数值方法,采用在出水流道内增设导流板的方式进行贯流泵优化设计,并结合真机试验验证了数值计算方法的正确性.研究结果表明:在小流量工况下,原模型与优化模型泵的压力脉动时域特性和频域特性较额定工况下要差,但不同流量工况下叶轮进口处压力脉动特性均受到旋转叶轮显著影响;...     

旋流泵的流动规律

对80X-13.5型旋流泵进行了数值模拟计算,泵内部流动区域选用Pro/E造型,用Gambit软件采用分块非结构六面体网格划分方法对模型进行网格划分及部分边界条件的设定,运用雷诺平均N-S方程和标准k-ε双方程湍流模型结合SIMPLEC算法,来数值模拟旋流泵内部三维不可压湍流场.数值模拟计算选取工作介质为清水,并认为是牛顿流体且局部各向同性;认为旋流泵的内部流场是以定常角速度绕固定轴的旋转流场,属于复杂的三维不可压湍流流动.数值模拟得出了旋流泵内的速度和全压分布图,并试分析出了旋流泵的内部流动区域分布.分析认为,周向流动是旋流泵内部的主体流动趋势,旋流泵内部流动状态可归结为贯通流和循环流.数值模拟的结果验证了已有流动模型的正确性,并且在数值模拟基础上重新划分的流动区域可以反映清水条件下80X-13.5型旋流泵的内部流动情况,可为此种泵型旋流泵的设计提供参考.