轴流泵马鞍区流场流固耦合数值模拟

为了分析轴流泵不稳定运行马鞍区工况内叶轮的结构,并研究该结构的稳定性,采用雷诺时均离散方法和标准k-ε湍流模型对泵装置流场进行CFD数值模拟,利用ANSYS的Workbench平台,通过单向流固耦合模型对叶轮的应力和应变进行计算,得到了不同工况下叶轮受流体压力作用所产生的等效应力及变形量,研究了叶轮结构的应力和变形量随流量的变化特征.研究结果表明：在40%～75%设计流量下不稳定运行马鞍区,数值模拟能准确地计算轴流泵内部流场,泵装置内部流态随流量的减小逐渐紊乱.轴流泵叶片表面应力分布不均,集中分布在叶片根部,随着流量的减小最大应力逐渐增大,马鞍区工况叶片结构应力有较大的安全余量,满足强度要求;叶片进水边外缘叶尖处变形较大,振动现象明显,最大总变形量随着流量的减小先增大后减小,但大变形区域由叶尖向叶缘扩散.研究结果为轴流泵马鞍区安全稳定性研究提供了一定参考.     

基于流固耦合的灯泡贯流泵叶轮强度分析

采用RNG k-ε湍流模型及SIMPLEC算法,对灯泡贯流泵装置内部三维流场进行全流道湍流数值模拟.采用顺序耦合方法,应用ANSYS Workbench软件,对叶轮进行结构静应力数值分析,并通过试验进行对比验证.结果表明：通过数值模拟与原型泵试验得到两者外特性曲线的变化趋势大致相同;工作面静压整体上较背面高,叶片背面进水边靠近轮缘位置出现局部低压,易发生空化;叶轮强度主要受离心力和流体压力的影响,且两者共同作用下的最大等效应力和最大总位移远小于两者单独作用的值;叶轮最大等效应力随流量的增大而增大,最大总位移随流量增大呈先减小后增大的趋势,最大等效应力出现在叶片出水边与轮毂交接处,叶轮变形的总位移随叶轮半径的增大而增大,最大变形量出现在叶片出水边靠近轮缘位置;强度校核结果表明,叶轮强度符合要求.计算结果可为灯泡贯流泵的应力特性分析提供参考.     

贯流泵内部湍流流动及叶轮流固耦合特性

基于RNG k-ε湍流模型,应用Ansys Workbench软件,对前置竖井式贯流泵内部湍流流动和结构静应力进行数值分析．模拟显示不同工况下泵的外特性曲线和试验值总体变化趋势一致,模拟的扬程比试验值稍高,效率稍低,但误差都保持在10％内;除出水流道隔断前部外,贯流泵整个流道流态均匀;出水流道前段的螺旋线分布的流线表明,水流在经过导叶后存在未回收的速度环量;在设计工况下,压力最小值出现在吸力面靠近进口边,此处最易导致空化．进一步采用单向流固耦合方法,对叶轮在不同工况下的静应力和总变形量进行分析,结果表明:设计工况下,叶轮的最大等效应力出现在叶片压力面和轮毂相交处,叶轮变形的总位移随着半径增大而不断增大,最大变形量出现在轮缘附近．计算结果将为贯流泵的优化设计提供一定参考．     

基于流固耦合的湿定子潜水贯流泵一体式叶轮强度分析

湿定子潜水贯流泵有别于一般贯流泵,其水泵叶轮安装在电机转子内腔,电机转子与叶轮为一体式结构。为验证此叶轮结构的安全稳定性,应用ANSYS workbench对其进行单向流固耦合数值模拟分析,研究流固耦合作用下叶轮结构的力学特性,获得了水动力和磁拉力共同作用下叶轮的应力和应变分布。结果表明:叶片根部与尖端出现不同程度的应力集中现象,最大应力出现在叶片工作面尖端;叶片变形分布径向梯度明显,与叶片半径呈正比关系;叶轮强度校核结果满足要求。研究成果可为湿定子潜水贯流泵叶轮结构优化设计与水力特性分析提供参考。     

蜗壳结构对高温熔盐泵转子运行稳定性的影响

为了研究蜗壳结构对熔盐泵输送高温介质时转子运行稳定性的影响,设计了相同运行工况条件下的单蜗壳、双蜗壳双出液管结构的2种熔盐泵.利用ANSYS 软件对2种蜗壳结构熔盐泵的内部流场进行了非定常数值模拟,并分析了转子部件上的温度分布;将流场和温度场的计算结果同时加载到转子部件上,进行叶轮和轴上的流热固耦合分析,探讨了2种结构熔盐泵转子部件的应力、变形量和模态.结果表明:双蜗壳结构可以减小叶片表面的压力载荷,提高叶轮表面压力分布的对称性;单蜗壳熔盐泵叶轮和轴的最大变形量较大;而且单蜗壳熔盐泵转子部件在不同旋转角度下最大变形量变化较大,相比于单蜗壳熔盐泵转子的等效应力,双蜗壳熔盐泵叶轮的最大等效应力较大,但双蜗壳熔盐泵泵轴的最大等效应力较小;2种蜗壳结构流场条件下,转子部件运行时均满足结构强度要求.     

基于流固耦合的轴流泵叶片应力特性

为计算轴流泵叶片的应力及变形情况,在Workbench平台上,采用Ansys和CFX软件对轴流泵内部流场和叶轮结构响应进行双向顺序流固耦合联合求解,其中流场计算基于RANS方程,采用RNG k-ε双方程湍流模型,结构计算采用弹性体结构动力学方程.对叶轮叶片在流固耦合作用下的变形和应力分布进行了计算,分析了流固耦合作用对轴流泵扬程和效率的影响.计算结果表明:在流固耦合作用下轴流泵叶片的最大位移发生在叶片进水边轮缘处,叶片出水边及根部位移较小;叶片根部与轮毂接触处靠近进水边一侧存在明显的应力集中现象;叶片的应力和变形均随轴流泵流量的增大而逐渐减小;与不考虑流固耦合作用相比,考虑流固耦合作用的数值计算得到的轴流泵扬程和效率均有所下降,但下降幅度较小.     

基于IBM-LES的贯流泵湍流特性

为充分了解贯流泵运行工况下的内部流动特性,通过基于浸没边界法的大涡模拟(IBM-LES)方法,研究了圆柱坐标系下某贯流泵在设计工况的三维非定常湍流流场.模拟基于三维笛卡尔网格坐标系,空间离散采用有限差分格式,时间推进采用二阶龙格库塔法,大涡模拟采用动态亚格子应力模型.采用水平集法描述流体中流道、叶轮、导叶等固体区域边界...     

冲压焊接离心泵叶轮有限元计算

为计算叶轮的应力及变形情况,在ANSYS软件中采用流固耦合方法将流场计算得到的分布压力施加到叶轮结构上,对冲压焊接离心泵叶轮进行有限元分析.首先对不同网格密度的叶轮模型进行计算,在此基础上,分别计算了设计工况下叶轮在离心载荷、流场压力载荷及两者共同作用下的等效应力及变形情况,并分析了叶轮最大应力及最大总变形随流量的变化情况.结果表明：离心载荷引起的应力及变形明显小于流场压力载荷引起的应力及变形.叶轮在流场中的应力及变形主要由流场压力载荷引起,但在考虑离心载荷后叶轮的最大应力和变形均略有增大.各种载荷作用下叶轮的等效应力在小流量工况下最大,随流量的增大不断减小.叶轮的最大总变形在小流量工况下最大,随流量的增大先减小后增大,在最高效率工况下出现最小值.     

中比转速离心泵叶轮的优化设计及数值模拟

基于流体流动的连续方程和运动方程,通过两类相对流面的迭代计算,实现中比转速离心泵叶轮内准三维正问题的数值计算,得到了轴面速度分布.应用逐点积分法进行叶片骨线绘型,在轴面上加厚叶片,在保角变换平面上修圆叶片头部,实现了离心泵叶轮的反问题设计.正反问题进行迭代计算求解直至收敛,得到最终设计的叶轮.采用RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对离心泵叶轮内三维流场进行数值模拟,得到了叶轮内压力和速度分布.模拟结果表明设计得到的叶轮内部压力分布非常均匀,流动稳定无分离,叶轮出口能量分布合理,所设计的叶轮具有优越的水力性能.     

灯泡式贯流泵空化流的数值研究和性能预测

采用RNG k-ε湍流模型、完全空化模型对低扬程灯泡式贯流模型泵设计工况下的空化流动进行全流道数值计算,并预测其汽蚀性能曲线.选择包括空化开始出现、临界汽蚀余量点、空化严重时6个工况比较分析贯流泵内部空化流动的发展情况.计算获得了不同汽蚀余量时灯泡式贯流模型泵叶轮叶片吸力面静压、气体体积分数分布以及不同轴截面上的气体体积分数分布.计算结果表明:在给定的计算流量条件下,空化发生初期,空化发生在叶轮叶片吸力面的进口边,随着有效汽蚀余量的降低,预测了叶轮流道内的空化区域的演变,这些现象将会影响贯流泵的能量特性;在给定流量的其他空化条件下,当汽蚀余量为0.81 m时,Z=-20 mm横截面上的气体体积分数超过10%的区域占据了Z=-20 mm横截面进口流道的1/3,此时大量气泡严重堵塞叶轮流道.该灯泡式贯流泵空化流动的所有计算成果都可以被用来优化贯流泵的水力与结构设计.     

离心泵关死点叶轮结构场分析

为准确得到叶轮在关死点工况下载荷作用应力和变形,对一比转数为46的离心泵关死点工况下的结构场进行了流固耦合数值计算。基于数值模拟结果,预测了流固耦合后关死点扬程,并详细分析了叶轮结构场的变化规律。研究结果表明:叶轮前后盖板靠近隔舌处区域的位移变形和等效应力都为最大;各叶片的位移变形从进口到出口逐渐增大,但各叶片的等效应力最大值并不在叶片出口边。     

离心泵泵腔内流动特征的数值分

为了分析离心泵在设计工况运行时叶轮盖板两侧泵腔内流场结构的特点,采用RNG kε湍流模型和多重参考系下的雷诺时均NS方程,对由叶轮通道、蜗室、泵腔和密封环间隙组成的计算域进行定常数值模拟.计算结果与试验结果吻合良好,证明了数值计算方法具有较高的可靠性.流场分析结果表明,泵腔内的流场分布具有非轴对称性,其流场结构比由转子定子组成的封闭壳体内的流场结构复杂得多,但二者的速度场沿轴向的变化规律相似.     

竖井贯流泵装置马鞍区流动特性分析

为了分析竖井贯流泵装置马鞍区工况的流动特性,基于流体计算分析软件Fluent对某一典型竖井贯流泵装置开展内流场数值模拟,在验证了计算结果准确性的情况下,对比分析了不同工况下叶轮内部的流动状况,研究了叶轮旋转对进水流道出口断面流态的扰动状况以及叶片表面静压分布情况。结果表明:泵装置设计流量下运行平稳,设计合理,在设计流量54%～63%的范围内存在运行不稳定马鞍区;设计工况下叶片表面静压分布均匀,从1.0 Q至0.54 Q,叶片表面高压区从叶片进口边向整个叶片外缘扩散;随着流量的减小水泵内部逐渐出现回流,马鞍区工况时叶片背面靠近轮毂、轮缘处出现较大范围漩涡与回流;小流量下,进水流道水流跟随叶轮旋转,形成与叶轮旋转方向一致的漩涡,并且水流还会撞击壁面形成回流。     

基于流热固耦合的高温熔盐泵转动系统结构应力分析

基于ANSYS Workbench平台开展高温熔盐泵转动系统的结构应力分析,采用计算流体动力学软件CFX对泵内部全流场进行多工况定常数值计算,并通过试验对计算结果进行验证.综合考虑了高温熔盐泵的水动力载荷、离心力载荷、温度载荷等因素,建立了流、热、固耦合作用下动力学模型,研究不同温度下不同材料属性变化对高温熔盐泵结构性能的影响,并对高温熔盐泵转子部件进行应力分析.结果表明:在同一流量工况下,不同材料的叶轮叶片最大变形量均呈随温度的升高呈先增大后减小的趋势;同时,不同材料的叶轮形变程度基本趋于稳定,受流量影响不大;叶片工作面应力值大于叶片背面应力值,且不同温度工况下不同材料的叶轮背面应力值呈线性递减的趋势;叶轮等效应力最大位置主要集中在叶轮出口处叶片和前、后盖板接触的区域;经过变形及强度综合分析,表明3种不同的不锈钢材料中316L材质的叶轮力学性能最好.研究结果可为高温熔盐泵的结构设计提供一定参考.     

自吸泵内部流场的数值模拟及性能预测

基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,应用三维无结构四面体网格及SIMPLEC算法建立自吸泵内部流场的数值模型,利用计算流体力学软件Fluent对设计工况及多个非设计工况下自吸喷灌泵叶轮和蜗壳的三维不可压缩湍流流场进行了数值模拟,得到其内部流场的速度分布和压力分布情况,揭示了泵自吸过程中流体的运动规律,最后预估该泵的扬程及效率并与试验值进行对比分析.结果表明,在相同半径处,叶片工作面压力比背面压力大;在回流孔处存在较大的压力梯度和速度梯度,并且由于分离室边壁的影响形成了大小不同的旋涡;数值模拟性能曲线与试验曲线基本一致.     

离心泵流场流固耦合数值模拟

离心泵叶轮在流场中受到的应力及产生的变形对速度场和压力场有一定的影响。采用双向同步求解方法对离心泵流场和叶轮结构响应进行联合求解,分析叶轮流固耦合作用对其内部流场的影响。对不同工况进行的计算结果表明,叶轮和叶片中应力分布明显不均,局部出现应力集中;叶轮出口后盖板在偏离设计工况时变形较大,影响叶轮出口速度,使蜗壳出现分流的部位向出口移动;导致叶轮出口压力不对称状态、不稳定性更严重;各监测点上压力变化较明显。     

基于fluent对多级离心泵首级的数值模拟

为了解叶轮叶片数对多级离心泵水利性能的影响,基于κ-ε湍流模型,采用SIMPLEC算法,利用Navier-Stokes时均化方程,对仅改变叶轮叶片数的某多级离心泵首级进行数值模拟。通过fluent数值计算得到泵内的压力,速度流场分布,对其进行分析,得出首级叶轮叶片数为六片时,此多级离心泵的内部流场压力及速度分布最均匀。同时利用fluent的后处理结果对此泵进行性能预测,得出叶轮叶片为六片时,泵的效率达到最高值70.68%。     

间隙回流角度对全贯流泵水力性能的影响

为了研究不同间隙回流角度对全贯流泵水力性能的影响。采用CFX软件对全贯流泵装置进行三维数值模拟,分析不同间隙回流角度下的全贯流泵内部流态和性能。首先,针对初始方案,设计2种间隙回流角度并进行数值模拟计算,再分析全贯流泵的内特性和外特性,最后通过模型试验测试验证数值模拟的可靠性。结果表明:主流靠近叶轮进口轮缘处受到间隙回流的影响,轴向速度减小,径向速度增大;间隙回流角度顺着叶轮内流场的方向,间隙回流出口的流量对叶轮进口处的流场影响较小;小流量工况下,叶轮室内流场不稳定,同时间隙回流对叶轮进口轮缘处产生的影响较大,因此避免水泵在小流量工况下运行。但是回流角度的变化会影响全贯流泵的轴功率,增大了圆盘间的摩擦扭矩,进而增加了轴功率,导致效率降低。研究对全贯流泵的优化具有重要的理论意义和指导意义。     

考虑介质黏性影响的多相混输泵叶片应力应变分析

针对多相混输泵叶片应力应变问题,以单级多相混输泵为研究对象,分别选取水、轻质油、中质油、重质油作为运输介质,基于ANSYS软件进行数值计算.流体域采用ICEMCFD和TurboGrid进行结构化网格划分.通过数值计算得到不同叶高处流场分布规律,同时对0.6Q~1.6Q、含气率10%条件下叶片表面的应力和应变分布规律进行分析.结果表明:最大应力主要集中在进口边靠近轮毂处,而最大变形主要集中在进口边靠近轮缘处,且随着介质黏度的增加,应力集中区域和最大变形区域向进口边偏移;在小流量下,随着介质黏度的增加,等效应力和变形量逐渐减小,而在大流量下,随着介质黏度的增加,等效应力和变形量反而增大.研究结果深刻揭示了多相混输泵叶片的应力应变分布规律,可以为多相混输泵的开发与结构优化提供参考.     

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．