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.     

液控蝶阀联动的混流泵机组启动过程数值模拟

为准确预测混流泵机组启动过程的瞬态特性,建立了具有液控蝶阀的某立式混流泵站全过流系统的三维几何模型,运用滑移网格法实现蝶阀的开启规律,结合三维非定常流动过渡过程研究手段,完成对混流泵机组启动过程数值计算,获得了机组启动过程外特性参数和若干测点静压值随时间的变化规律以及不同时刻内部流场瞬变特性.计算结果表明,机组启动过程最大反转转速为正向额定转速的0.16倍,水泵出口最高压力为额定值的1.26倍,均未超过允许值;机组处于泵工况转速趋于稳定时,泵段内水流流态和压力梯度变化受蝶阀开度影响明显,小开度时,泵段内压力梯度较大,最大压差为45.6 m,为额定扬程的1.62倍;高压水以射流的方式通过蝶阀从而在其出水侧产生回流,导致蝶阀两侧压差剧烈波动诱发阀体振动.     

双吸泵系统开阀过程瞬态特性数值模拟

采用SST-SAS湍流模型,对一双吸离心泵闭式系统中泵启动和阀门开启两阶段的瞬态流动进行非定常数值模拟,研究了瞬态扬程、蜗壳内压力脉动及叶轮径向力等瞬态特征的变化规律。结果表明:泵启动阶段的瞬态扬程预测值与试验结果吻合良好;与稳态计算结果相比,瞬态开阀过程流动模拟所得扬程预测值与试验结果更为接近;不同开阀时间对泵的瞬态特性有重要影响,随着开阀时间增加,泵的瞬态流量明显增加,瞬态扬程变化不大;开阀过程中,蜗壳上各监测点的压力脉动呈周期性变化,其频率主要为叶片通过频率,蜗壳隔舌处压力脉动幅值变化最为剧烈;叶轮径向力随阀门开度增加而减小,在叶轮旋转周期内,叶轮径向力呈现以叶片通过频率为主频的周期性变化规律。     

双吸离心泵关阀启动过程的瞬态特性研究

采用数值模拟手段,研究双吸离心泵关阀启动过程的瞬态特性,数值模拟计算域为整个闭式回路,选取的湍流模型是SST-SAS模型。计算过程中通过改变叶轮的旋转加速度来控制泵的启动历时变化,进而达到模拟不同启动历时对于泵启动过程瞬态特性的影响。数值结果与实验结果吻合良好,研究发现:在启动规律都为直线加速情况下,启动历时对于泵扬程峰值的影响很小;全回路三维模型用来模拟泵启动过程得到的瞬态扬程外特性相比于局部边界的数值模拟结果更为接近实验值;蜗壳内部的压力脉动变化与泵的启动历时有较大关系,随着泵启动历时的减小,蜗壳隔舌处会产生较大的低频压力脉动。     

离心泵在启动阶段的瞬态三维数值模拟

为研究离心泵启动瞬态过程的内部流动机理,建立了求解叶轮启动和加速过程非定常流动的数学模型,以三维模型泵为对象进行启动过程内部流动的数值模拟.采用RNGk-ε湍流模型计算叶轮启动过程内部非定常流动结构和演化过程,得到不同时刻的瞬态外特性曲线,并与定常计算结果进行对比.定性分析了离心泵在启动过程中的瞬态效应,得到叶片及蜗壳压力分布的变化规律.从叶片的压力分布图也清楚地看出压力的不平衡分布,说明存在严重的压力脉动现象,这是引起叶轮不稳定振动的主要原因.     

蜗壳式混流泵空化工况扬程下降机理

基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型和剪切应力输运湍流模型(SST),应用计算流体动力学技术,对比转数n s为449的蜗壳式混流泵设计工况下的流场进行空化数值模拟分析.根据模拟结果获取了该泵的空化特性曲线,对开始发生空化、临界空化和空化严重3种工况下叶轮内的空化现象进行分析,并找到混流泵空化断裂和扬程下降的原因.数值模拟结果和试验结果一致,误差在5%以内.模拟分析结果表明:流道内的空泡增多到一定程度后会使液体发生边界层分离,产生旋涡,通过叶轮流道内空泡体积分数和叶片背面流线分布图可以看出,旋涡是导致该混流泵空化断裂工况下扬程下降的最主要原因,初步揭示了混流泵内空化流场的分布规律.     

不同工况下混流泵转子径向力及压力脉动

为了研究混流泵内部非定常流动特性,基于ANSYS CFX软件对混流泵的外特性和内部流场进行了非定常计算,获得了不同流量工况下转子径向力的分布情况和不同监测点的压力脉动时域、频域响应,分析了不同流量工况对混流泵转子径向力和压力脉动的影响.研究结果表明,数值计算的外特性结果与试验测量结果的趋势基本吻合,说明数值计算的准确度较高.3种流量工况下径向力的分布均呈现一定的周期性,小流量工况下的瞬态径向力合力最不稳定,设计工况下的瞬态径向力合力规律性最强,大流量工况下混流泵瞬态径向力合力波动性最小.不同流量工况下叶片通过频率始终占主导因素,低频信号是引起设计工况压力脉动的主要原因,流量变化对轮缘间隙进出口压力系数幅值影响较小,对叶轮中间位置处压力系数幅值影响较大.研究结果为揭示导叶式混流泵内部不稳定流动特性及其诱导的转子故障恶化提供理论依据.     

叶轮外径对混流泵作透平性能的影响

为了研究混流泵作透平工况下,叶轮外径对性能的影响,以混流泵为模型,通过试验验证了CFD方法的有效性.基于BladeGen设计了160,170,180 mm这3种叶轮外径的混流泵水力模型, 并通过数值分析研究了3种叶轮外径下,混流泵作透平工况下的外特性,水力损失分布及内部流场分布.结果表明:随着叶轮外径的不断增大,混流泵作透平的高效点逐渐向大流量区域移动,高效点的扬程、轴功率及效率都随之增加;大流量区域内,扬程迅速降低,轴功率下降变缓,效率有所上升;总水力损失与叶轮部分的水力损失显著减少;蜗壳部分的水力损失变化不明显;叶轮入口处的旋涡区域逐渐减小,蜗壳出口与叶轮入口之间存在的间隙流体逐渐减小,从而引起该部分水力损失逐渐减小;压力分布更加均匀.     

离心泵启动过程瞬态特性的试验

为进一步研究离心泵启动过程的瞬态特性,建立了离心泵瞬态性能测试系统.在球阀全开、半开和全闭3种条件下,对离心泵的启动过程进行试验.在采集瞬态性能曲线的同时,应用粒子成像测速技术对离心泵测试截面的二维瞬态流速进行了拍摄,并分析了瞬时外特性与内部流动演化关系和产生试验误差的原因.结果表明,离心泵启动过程中内部流动演化呈现强烈的瞬态特性.开阀启动过程扬程和功率随转速快速上升,瞬时流量表现出三次曲线的增长特性;阀门全关启动的瞬时功率冲击达到稳态条件下的1.5倍,内部瞬态流动显示该冲击是由流体间相互掺混和涡能量的传递所引起的.产生气泡和低的拍摄频率是引起PIV测试误差的主要原因.     

轴伸贯流泵站全过流系统启动三维过渡过程研究

为了分析轴伸贯流泵站全过流系统在含有附加拍门的出水流道闸门开启下机组外特性参数的变化规律和过流系统内部流场的演变过程,利用力矩平衡方程推导叶轮实时转速,基于铺层网格及动网格技术研究了含有附加拍门出水流道闸门的运动规律,对轴伸贯流泵全过流系统启动三维过渡过程进行了数值模拟。结果表明：计算结果与试验结果一致;在机组启动过程中,泵段扬程先增大,然后减小至额定扬程,2.25s时出现最大启动扬程6.38m;拍门前后压差最大值为2.61m,设有附加拍门的出水流道闸门可以有效降低启动过程中的最大启动扬程,提高水泵机组的安全系数。水泵的启动转速和流量变化对叶轮段压力分布梯度影响明显,当转速上升到最大值时,叶片承受最大水压力。在启动过程中闸门上的附加拍门起到了分流作用,避免因叶轮转速上升较快、闸门未充分开启而使出水流道水压力过大带来的系统不稳定性问题。     

大型贯流式泵站快速门加速启动过渡过程

为研究大型贯流式泵站机组闸门加速启动过程中的外特性参数变化及流态变化,对灯泡贯流泵机组进行三维建模,采用Fluent软件中的UDF来控制闸门的启动过程,使用铺层法动网格技术来控制闸门处网格生成与消灭,并设定S-A模型作为湍流模型,对灯泡贯流泵机组启动过程进行瞬态数值模拟.计算结果表明:当贯流泵机组快速门以10倍设计速度启动时,机组的转速与流量将以更快的速度达到额定转速与额定流量,同时瞬间最大倒灌流量相比未加速启动时增加了30%.当贯流泵机组处于倒流状态时,靠近轮毂处叶轮叶道压力面的压强呈现出从叶轮进水边向出水边逐渐递增的分布规律.当机组处于零流量的临界状态时,混乱的流态导致压力集中及脱流现象加重,叶轮进水边负压区范围扩大且程度加深.     

启动加速度对核主泵叶轮内部流动的影响

针对研究不同启动加速度对核主泵启动过渡过程中叶轮内部流动的影响,以3组不同启动加速度瞬态外特性试验性能参数为依据,获得流量与时间和转速与时间的外特性曲线,将获得外特性曲线作为边界条件,代入CFX中进行数值模拟,分析启动过程中外特性曲线及叶轮流道内流线图和压力梯度云图.结果表明:启动加速度与核主泵启动时间有直接关系,但是与流量和转速到达稳定值之间的时间差无关;启动加速度对叶轮内部流动稳定性和压力变化幅度有较大的影响,在启动过渡过程中,较大启动加速度对应叶轮内部流动极不稳定,产生一定强度和面积的旋涡区且压力变化幅度有较大波动,而较小启动加速度对应叶轮内部流动稳定,压力变化幅度均匀.该结果在启动过渡过程中对控制核主泵的不稳定性有重要的价值.     

小流量工况下混流泵涡识别及其演变规律

为了研究小流量工况下混流泵内部流动状态及涡结构的演化规律,采用大涡模拟的计算方法并结合先进的Omega涡识别方法,对某混流泵小流量工况下的涡结构进行识别,获得了叶轮内部典型涡结构的特征和演化规律,并与叶片表面的涡量生成和流动分离情况进行对比分析.研究结果表明:Omega方法克服了第二代涡识别方法需要人为调节阈值的缺陷,可以较好地识别小流量工况下混流泵内部的精细涡结构;在小流量工况下,混流泵内的叶片斜向涡带、叶尖涡和叶尖分离涡、通道涡以及尾缘脱离涡是叶轮流道内生成的典型涡结构,它们有各自独立的生成和发展过程,又相互作用,使叶轮内流场更加紊乱.本研究揭示了小流量工况下混流泵内部特有的涡结构特征与演变规律,可为包括混流泵在内的叶轮机械流场分析和性能优化提供一定的理论指导和技术支撑.     

基于变环量设计的混流泵叶轮多工况优化

由于外部运行条件频繁变化，混流泵常于非设计工况运行，导致其运行效率偏低。针对混流泵开展多工况优化以扩大其高效区范围具有重要意义。采用环量法，以轮毂及轮缘处流线方向环量的偏导数(载荷)、叶轮出口处翼展方向环量控制参数以及叶片尾缘倾角为设计参数，以设计点扬程为约束条件，以0.8、1.2倍设计点处效率为优化目标，结合实验设计、近似模型和优化算法对一导叶式混流泵叶轮进行变环量优化与分析。研究结果表明：变环量设计在混流泵叶轮的多工况优化中是有效的；轮毂处流线方向前加载，轮缘处流线方向后加载，叶轮出口处环量从轮毂到轮缘递增分布均有利于混流泵性能的提升；优化后混流泵模型在0.8、1.0、1.2倍设计流量处泵段效率分别为81.11%、88.38%和80.56%,在设计流量处扬程为12.33 m,相比于原始模型，效率分别提升0.63、3.18、6.72个百分点，而扬程变化小于2%。因此，所提出的基于变环量设计的混流泵叶轮多工况优化方法是有效的，可以为同类型叶轮机械的设计优化提供参考。     

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。     

混流泵叶轮设计正反问题迭代方法

基于两类相对流面流动理论,通过迭代计算求解流体的连续方程与运动方程,得到混流泵叶轮内的轴面流场,实现了正问题计算.基于轴面速度分布规律,采用逐点积分法完成叶片骨线绘型,并在轴面内进行叶片加厚,在保角变换平面内对叶片头部和尾部进行修圆,完成了反问题设计.以此为基础,将正问题与反问题相结合,提出了混流泵叶轮正反问题迭代设计方法.在该设计方法中,正问题计算为反问题设计提供流场信息,反问题设计则为正问题计算提供叶轮模型,正反问题反复迭代直到收敛,最终完成叶轮的设计.结果表明：根据正反问题迭代方法设计得到的叶轮载荷分布均匀,水力效率高.该方法弥补了传统方法设计叶片时轴面流动计算仅满足流体连续方程的缺陷,同时考虑了叶片形状对轴面流动计算的影响,最终设计得到的叶片型线同时满足流体连续方程和运动方程,该方法提高了叶轮设计计算的精度,为进一步开展混流泵叶轮的优化设计研究提供了重要的平台.     

螺旋轴流式油气混输泵导叶内非定常流动DMD分析

为研究螺旋轴流式油气混输泵内的非稳态特性,对泵内非稳态气液两相流动进行数值模拟分析,得到不同流量、不同叶高的流场分布。对流量100 m3/h、含气量30%工况下的非定常速度场进行动态模态分解(DMD),得到能够反映速度场特征的前4阶主要模态场及其相应的频率信息。导叶内流场特征可分解为耗散模态、基本模态以及高阶动态模态特征,耗散模态随时间逐渐衰减,对流场的发展影响较小;基本模态是频率为零的稳态特征,能够反映叶片型线等流道几何特征引起的稳态流场特征; 3阶及4阶动态模态反映了叶轮与导叶间的动静干扰,在不断向导叶下游发展的过程中逐步耗散,动静干扰作用对导叶下游流动影响较小。对相态场进行分解得到其主要模态场特征及其频率信息,其基本模态特征表明,在导叶叶高较大的截面上,流速越高,则含气量越低;相态场的高阶动态模态特征与速度场动态模态特征基本一致。DMD模态分析方法能够清楚地分析油气混输泵导叶内复杂流动的非定常特性。