导叶位置对双向竖井贯流泵装置水力性能的影响

为了研究导叶位置对双向竖井贯流泵水力性能与流态的影响,利用CFX14.5对6种导叶位置方案的双向竖井贯流泵在正向运转与反向运转时分别进行小流量工况(0.8Qdes)、设计流量工况与大流量工况(1.1Qdes)的定常计算,总计共36个工况。将数值模拟结果与泵装置外特性试验数据进行验证对比,并对计算结果进行水力性能与流态分析。研究结果表明:泵装置数值模拟结果与试验数据吻合度良好,最大相对误差小于5%。泵装置正向运转时,在小流量下,泵装置效率随导叶位置S增加而下降,S=40 mm时的导叶水力损失最大;但是在设计流量与大流量下,泵装置效率随导叶位置S增加而上升,S=100 mm时的导叶水力损失最小。泵装置反向运转时,导叶位置对泵装置水力性能与流态没有显著影响,综合考虑,选择导叶位置S=100 mm作为最终方案。     

向心径向导叶内部流场的多工况PIV测量

为了掌握导叶内部的真实流动形态,完善导叶水力设计方法,设计了一个独特的PIV试验台,对向心径向导叶内部流场进行了PIV试验测量.试验泵段取自多级深井离心泵的一级,通过2个高强度水润滑轴承支撑起整个泵轴,借助45°安放的镜面对流场图像进行折射.通过相平均方法获得了不同工况下导叶中截面的速度场分布.结果表明：在设计流量附近,导叶内部流动较为稳定规整;在大流量下,由于导叶进口过流面积有限,液体流动受阻,产生了较大的冲击损失;在小流量下,流道内产生了流动分离和旋涡,旋涡的强度随着流量的减小而逐渐加强,而且涡核的位置也由靠近导叶叶片吸力面逐渐向导叶流道中部移动;导叶进口处产生较大的水力损失,导叶进口安放角对泵性能影响较大;为改善小流量工况下的流场,导叶流道中部的过流面积需要进一步调整.     

导叶安装位置对余热排出泵内流特性的影响

为研究导叶与蜗壳的最优相对安装位置,采用ANSYS CFX14.0对百万千瓦级核电用余热排出泵不同流量工况下定常流动进行全流道三维数值模拟,分析导叶与蜗壳5种不同相对位置对余热排出泵内部流动特性的影响规律,对比分析了泵内部压力、速度及湍动能分布特性.结果表明:在设计流量和大流量工况下,导叶与蜗壳不同相对位置对扬程的影响较小;在小流量工况下,导叶与蜗壳的相对位置对叶轮内部压力分布影响较小,对导叶和蜗壳内流特性影响较大;当导叶与蜗壳相对位置θ=79.56°时,余热排出泵高效区最宽,导叶流道内沿流线方向压力梯度变化比较均匀,蜗壳流道内压力、速度梯度变化最小,蜗壳出口压力梯度变化均匀.该研究为导叶的最优相对安装位置提供了一定的参考.     

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。     

船用喷水推进泵装置水力特性数值模拟

为了更好地分析喷水推进导叶式混流泵装置的水力特性,通过选取标准k-ε湍流模型,采用计算流体动力学分析软件CFX对包括推进泵、进水流道、船底水体和喷嘴在内的船用喷水推进装置在各流量工况下的运行情况进行了数值模拟,分别从流道水力损失分布、装置水力性能、轴向力和内流场特性等方面展开分析.模拟结果表明:流道进口断面到方变圆断面段几何形状较为复杂,水力损失占总损失比重最大,特别是小流量工况,该比重超过了90%,但随着流量的增大,该比重会减小,其余各段水力损失的比重则增加;装置在0.50Qd附近进入水力不稳定区,0.76Qd~1.10Qd为装置运行的高效区,喷水推进泵装置受到的轴向力随着流量的增大而减小;在小流量工况下,叶槽内流态较为复杂,展向涡、径向涡和泄漏涡均较为明显,随着流量的增大,这些涡均逐渐缩小直至消失.     

可调后置导叶对泵装置水力特性的影响与预测

为了研究可调后置导叶对轴流泵装置水力性能的影响,基于雷诺时均方程和RNG k-ε湍流模型计算了各工况时7种调节角的后置导叶泵装置的水力性能,分析了不同调节角时后置导叶的翼型绕流速度矢量,构建了可调后置导叶对泵装置能量性能影响的BP-ANN预测模型,并通过理论计算结合数值模拟验证了预测模型的有效性。结果表明:当后置导叶调节角沿顺时针方向增大时,轴流泵装置的高效区向大流量方向偏移;沿逆时针方向增大时,泵装置的高效区向小流量方向偏移。通过调节后置导叶可达到改善导叶体内部流态,减弱甚至消除导叶片进口冲角及尾部脱流等不良流态的目的,从而提高泵装置的水力效率。建立的BP-ANN预测模型具有比较高的预测精度,预测精度在1%以内,可满足实际工程预测要求。     

可逆式水泵水轮机泵工况的驼峰特性

为了研究可逆式水泵水轮机泵工况的驼峰特性,通过非定常分离涡模拟（DES）的方法,计算不同流量工况下机组的内部流场特征.根据机组对应工况下的模型试验,对机组流道中的流态特征进行对比分析,特别对扩散流道损失以及转轮与导叶之间的动/静干涉现象进行研究,探讨驼峰特性产生的具体原因.结果表明：机组在小流量工况下运行时,转轮出口流动呈现明显非对称性;紊乱的流动特征引发转轮内部与扩散段中产生涡结构与二次流结构;由于不良流态的出现,过流部件水力损失显著上升,并引发扬程的下降,导致机组形成扬程-流量曲线的驼峰区域.因此,改善小流量工况下转轮内部流态对于改善水泵水轮机驼峰特性具有重要的作用.该研究内容阐明了驼峰特性对水泵水轮机造成不良影响的机理,对改进机组水泵工况的水力性能提供了参考与帮助,对于水泵水轮机的稳定运行具有重要意义.     

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。     

大型立式轴流泵装置流道内部流动特性分析

基于三维不可压缩流体的雷诺平均N-S方程和RNGk-ε湍流模型,采用CFX软件计算了额定转速下180～340 L/s流量范围内6个工况点的立式轴流泵装置内部流动,分析了进水流道和出水流道的流动特性,重点研究进口流动细部结构,同时预测了泵装置的水力性能.计算结果表明:叶轮旋转对进水流道出口轴向流速分布和切向流速分布的影响较小.导叶出口环量对出水流道的流场影响较大,导致隔墩两侧流量分配不均,大流量时隔墩两侧水流流态比较平顺,而小流量时隔墩右侧流道内出现螺旋状水流,两侧水流严重不均衡.通过计算预测了泵装嚣水力性能,并与泵装置模型性能试验结果进行了对比,表明最优工况时数值模拟与试验结果吻合较理想,可以满足工程实际的需要.     

斜流泵叶轮和导叶叶片数对压力脉动的影响

为了研究斜流泵叶轮和导叶由于动静相干作用(RSI)而引起的压力脉动规律,基于标准k-ε湍流模型、SIMPLEC算法和滑移网格技术,根据叶轮和导叶叶片数及其叶片厚度设计了多种计算方案,并对不同方案的斜流泵模型进行了非定常数值模拟．采用叶轮进口、叶轮出口和导叶内部布点监测压力的方法获得了压力脉动曲线,并基于时域图分析了叶轮叶片数、导叶叶片数及其厚度对斜流泵内部压力脉动特性的影响．数值计算结果表明:斜流泵叶轮叶片动静干涉对整个流场的压力脉动影响较大,叶轮叶片数越少,叶轮进、出口压力脉动幅值越大;在设计工况下,导叶内部的压力脉动波形主要受叶轮叶片数影响,而导叶厚度对导叶内部压力脉动影响较小．研究结论将为斜流泵的设计和稳定运行提供参考．     

轴流泵装置运行工况对肘形进水流道水力性能的影响

为研究肘形进水流道的水力性能与泵装置运行工况的定量关系,采用CFD(Computational fluid dynamic)方法对轴流泵装置进行全流道的数值计算,在考虑了轴流泵与肘形进水流道内流相干条件下定量地分析了肘形进水流道水力特性各参数与泵装置运行工况的关系,并给出了相应的数学模型,对比了物理模型试验与数值预测结果的差异性。结果表明:在高效工况范围内,流道出口流场水流稳定性及均匀性均较好;在大流量工况时,流道出口流场水流稳定性及均匀性较差。流道出口流场的偏流角受泵装置运行工况的影响较小,极差为0.91°。肘形进水流道均化效率为99.215%,流道断面的均匀性主要受弯肘段几何边界条件的约束,在弯肘段时压能与动能的转换率较高,对于肘形进水流道结构尺寸设计及优化的关键在于弯肘段。     

带可调进口导叶轴流泵装置水力性能数值分析

根据轴流泵进口导叶片的设计要求,设计了可调进口导叶并开展了不同安放角进口导叶轴流泵装置的三维定常数值计算,获取了进口导叶对轴流泵装置水力性能调节的综合特性曲线,建立了带可调进口导叶轴流泵装置水力性能预测的多元非线性回归预测数学模型。依据数值计算结果和速度三角形分析了可调进口导叶对转轮及轴流泵装置水力性能的影响,结果表明:在进口导叶安放角0°时,相比不带可调进口导叶的轴流泵装置,在高效区及小流量工况时带进口导叶泵装置的能量性能变化很小,大流量工况时进口导叶的水力损失较大进而导致带进口导叶泵装置的效率下降幅度较大。随进口导叶安放角由0°逐渐向正角度增大时,泵装置的最优工况向小流量方向偏移,泵装置的流量效率曲线呈现出整体下降的趋势;随进口导叶安放角由0°逐渐向负角度减小时,泵装置的最高效率先增大后减小,但泵装置的最高效率点对应的流量未发生改变。     

基于LDV的离心泵小流量工况内流场测量

为了研究离心泵中的脱流现象,利用二维激光多普勒测速仪对一低比转数带导叶扩压器离心泵叶轮在4种小流量工况下(0.75Qd,0.50Qd,0.40Qd和0.30Qd)的内部流动进行了精确测量.基于测量结果,得到了各种工况下测量点上的相平均速度场和湍流强度场.通过分析测量结果发现在工况0.75Qd下,叶轮内没有脱流发生.而在工况0.50Qd,0.40Qd和0.30Qd下,叶轮流道中呈现"两流道"脱流现象:相邻两个叶轮流道中的脱流大小和类型完全不同,但此时脱流呈现出120°的周期性,这可能与叶轮叶片数和扩压器导叶叶片数的比率(6∶9)有关.此外,对比分析了各种工况下各个速度分量和湍流强度的分布规律.结果显示:离心泵叶轮内的湍流强度随着流量的减小而增大.在离心泵叶轮出口附近,流量为0.75Qd时,最大湍流强度达到0.06(基于叶轮出口圆周速度u2);而对于工况0.50Qd,0.40Qd和0.30Qd,其最大湍流强度达到了0.12～0.14.     

导叶相位角度对管道输油泵水力性能的影响

为提高管道输油泵水力性能,以某型号大型管道输油泵为研究对象,针对导叶相位角度对其水力性能的影响进行研究.采用Pro/E与Gambit软件对该输油泵全流道内流场进行三维造型与网格划分.应用计算流体动力学软件CFX对输油泵在6个导叶相位(0°,6°,12°,18°,24°和30°)及5个流量工况(0.8Q_d,0.9Q_d,1.0Q_d,1.1Q_d和1.2Q_d)下的内流场进行定常数值计算,得到了不同导叶相位下输油泵的性能曲线,对比分析了不同导叶相位下输油泵的内部流动情况.研究结果表明:不同相位时,在设计工况下扬程差别较大,扬程最大相差6%,大流量及小流量工况下扬程的差别较小;设计工况下效率差别较小,大流量及小流量工况下效率的差别增大,效率最大相差2%;导叶叶片背面出口处的低速区是影响输油泵水力性能的重要因素,不同导叶相位下,蜗壳隔舌处的流场不同,进而影响输油泵的水力性能;受导叶流道出口低速区的影响,导叶相位为6°,12°及18°时,蜗壳扩散段流态较差,导致输油泵效率偏低,且蜗壳出口速度分布非常不均,不利于输油泵高效平稳地运行.     

离心泵叶轮导叶动静干涉的PIV测试

对一比转速为111的导叶式离心泵采用PIV测试技术在0.6Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd、1.4Qd等5个不同流量工况下进行了内流测量。为了保证PIV测试精度,本研究采用了由可以避免变频器干扰信号的光纤来制作的外触发同步系统和等效标定方法两项关键技术。基于自编的PIV速度合成程序,将PIV测出的圆周速度与绝对速度合成得到相对速度。结果表明:在1.0Qd~1.4Qd范围内的流态相对0.6Qd、0.8Qd工况下较好,未出现漩涡;导叶叶片凸面没有产生回流,但存在低速区域;正对环形压水室出口的导叶流道内,导叶叶片凸面出口区域的速度较小,但没有出现明显的漩涡。     

核主泵模型泵导叶进口边相对位置对泵性能的影响

采用雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型,应用三维非结构四面体网格建模,选用旋转流体机械模型中的多重参考坐标系模型（MRF）,对设计工况下两种不同导叶形式核主泵模型泵的三维湍流流场进行了数值模拟,模拟结果较好地揭示了内部流场的特征.对内部流场的静压分布特征进行了研究,发现静压从叶轮进口到球壳呈持续增加的趋势,且导叶流道的静压分布具有非对称性的特征,比较分析了两种模型泵的流线图,得到了球壳与出口管相交位置处的回流特征.研究结果可用来了解核主泵模型泵的内部流场特征,并为其水力优化设计提供有益参考.     

进口流场对虹吸式出水流道的性能影响

采用数值模拟方法,把轴流泵后导叶的出口流场作为虹吸式出水流道的进口流场,研究对其水力特性的影响。计算结果表明,导叶出口流速和压力分布不均匀,存在横向流速和剩余环量,使虹吸式出水流道水力特性变差,下降段和出口段的回流区增大,驼峰断面和出口断面轴向流速分布均匀度显著下降,水力损失增加。轴流泵后导叶出口流场影响虹吸式出水流道两侧的流量分配,右侧流量恒大于左侧流量,而右侧的水力损失却小于左侧的水力损失,但两者都比无旋、轴向进水条件下的流道水头损失大得多,流量和水头损失的关系并不符合二次抛物线变化规律。     

混流式核主泵导叶-壳体匹配水力特性

为了研究导叶与壳体之间沿轴向和周向的位置关系对匹配球型壳体的混流式核主泵水力性能的影响,获得最优水力特性下导叶与壳体之间的匹配位置,以比转数n_s为390的混流式核主泵水力模型为研究对象,基于雷诺时均方程和RNG k-ε湍流模型,对其内部流动进行三维全流道数值模拟.结果表明,随着两者之间匹配位置的变化,泵水力性能及内部流动情况也随之变化.在沿泵轴方向上,当导叶出口中心线与壳体出口段中心线相距1/4导叶出口宽度时,泵水力效率提高0.6%;在沿导叶出口圆周方向,导叶叶片出口边与壳体对称轴面重合时,泵水力性能及内部流动情况最优,泵水力效率提高近0.8%.研究结果为混流式核主泵的水力设计及优化和泵内部流动的主动控制提供有益参考.     

原型水泵水轮机在泵工况驼峰特性研究

为了研究水泵水轮机驼峰区的流态变化,在活动导叶为15°开度下,采用SST k-ω模型对原型水泵水轮机在泵工况下的三维定常湍流进行数值模拟。结合实验数据,分析了驼峰区内不同流道位置随着流量的减小,水泵水轮机流场的变化规律。结果表明,机组在驼峰区运行时,隔舌附近活动导叶压力面与固定导叶吸力面之间的流道会有漩涡生成,随着流量的减小,涡的运动区域不断向整个双列叶栅流道扩散,当进入小流量低负荷区时,漩涡主要集中在叶轮出口和活动导叶进口的流道。通过对旋度场的观察与分析,发现在驼峰极小值工况处,强旋度区主要集中在整个双列叶栅,在小流量低负荷区,强旋度区主要集中在叶轮出口和活动导叶进口。     

导叶位置对S型轴伸贯流泵装置水力性能的影响

为了研究不同导叶位置对S型轴伸式贯流泵装置水力性能的影响,设计了4种不同导叶相对位置的方案,并分别针对小流量(Q=0.8Q0)、设计流量(Q=1.0Q0)、大流量(Q=1.2Q0)3种工况下的S型轴伸贯流泵装置进行了数值模拟计算。对比数值模拟结果与试验结果,并分析计算结果的外特性与内特性,通过模型试验验证了数值模拟计算结果的准确性。结果表明,泵装置效率和扬程随导叶相对位置逐渐增大呈现先上升后下降的趋势,导叶与叶轮之间的相对距离存在最优值A=10 mm,在此位置时,泵装置效率和扬程相对最高,导叶体水力损失与出水流道水力损失相对最小,导叶体对于动能的回收能力强。小流量与设计流量工况下,出水流道进口平均涡角的大小随导叶相对位置先减小后增加,对应出水流道水力损失先下降后上升的趋势。大流量工况下,平均涡角不随导叶相对位置变化而变化。