基于DEM-CFD的旋流泵大颗粒内流特性模拟与试验

鉴于抗堵塞性能较优的旋流泵在输送污水时，其过流部件仍存在磨损、半堵塞等问题，将DEM-CFD方法引入旋流泵数值模拟中，研究旋流泵在输送不同粒径、体积分数颗粒时的颗粒运动物理特性，以及颗粒与液相、固壁多向耦合的运动特征，并进行了试验验证。结果表明，由旋流泵输送油菜籽试验可知，外特性计算结果与试验结果基本一致；在该旋流泵模型特征下，进口管与无叶腔区域由循环流引起的颗粒旋转流动现象较为严重，从无叶腔沿着进口壁面螺旋式逆向回流，与进口顺向来流相混达到平衡，试验拍摄结果与数值模拟结果较为相符，说明DEM-CFD耦合方法具有一定可靠性；旋流泵内部存在3种不同的颗粒运输方式，第1种为颗粒随贯通流经由叶轮进入蜗壳，第2种为受循环流影响经由无叶腔直接甩入蜗壳，第3种为颗粒从叶轮前端面区域进入叶轮，再经叶轮进入蜗壳；对蜗壳内流特性进行分析，发现颗粒主要分布在蜗壳后侧，在扩散段到蜗壳出口区域，颗粒随液体以螺旋的方式流出，蜗壳断面叶轮侧形成大小不等的螺旋涡。     

基于熵产的旋流泵流动损失特性分析

为揭示旋流泵运行过程中的能量损失特性,通过数值模拟的方法分别对60%,100%和120%设计流量工况下旋流泵的内部流场进行分析和研究,同时基于熵产理论对旋流泵各个过流部件的流动损失进行定量分析.结果表明:旋流泵在运行过程中总熵产先减小后增大,其中能量损失最大的区域是无叶腔和后腔部分,约占总熵产的70%以上.叶轮区域的熵产随着流量增加逐渐增大,设计流量、大流量工况下叶轮区域的熵产占总熵产的比例超过20%.进口延长段区域的熵产随流量增加逐渐减小,设计流量、大流量工况下熵产占比低于1%.流场分析显示,在小流量工况下,蜗壳隔舌前端和进口流道有明显的大尺度涡团和回流.设计流量、大流量工况下流动不稳定区域主要集中在叶轮区域,该区域涡核几乎充满所有流道,且有大量旋涡产生造成流道阻塞和回流.研究结果能够为旋流泵的优化设计提供一定的参考.     

旋流泵内部盐析颗粒流场PIV试验

为探索旋流泵内盐析颗粒的流动规律,利用PIV粒子图像速度场仪对泵内颗粒流场进行了测量,获得了颗粒准三维速度场分布,初步掌握了泵内不同工况下颗粒的流动特征.结果表明,叶轮各轴截面上速度分布差异显著,无叶腔中速度分布呈现强迫涡旋和自由涡旋的特征;流量增加,颗粒流在叶轮进口处相对速度增大,出口处相对液流角也增大,无叶腔小半径处颗粒径向速度分量随之增大;颗粒流存在纵向涡旋,涡旋中心位于叶轮流道中部,且随流量变化并不明显.     

固相浓度对旋流泵内循环流动结构的影响

为研究固相体积分数对旋流泵内部循环流结构的影响,以150WX-200-20型旋流泵为研究对象,基于流体动力学理论,采用Eulerian双流体模型,以体积分数为10%~35%的固相与清水的6种混合流体为介质进行数值模拟.对比分析旋流泵内流场的流线变化规律,研究不同固相体积分数时,在泵内以轴为中心阵列的4个1/4截面上涡结构的涡核位置及形状变化规律.结果表明,固液两相流时,在叶轮旋转作用下旋流泵内形成一组主循环流Ⅰ和一组次循环流Ⅱ,主循环流传递至进口处的流体形成另一组次循环流Ⅲ,固相的介入会减弱旋涡的强度并抑制循环流Ⅱ截面涡结构面积的扩展,提出一种了旋流泵流动模型;固相体积分数增大时,主循环流在无叶腔内变化范围随流量的增大缩小,在无叶腔内,涡核效率均随流量增大而增大,而当涡核进入叶轮域被破坏后,泵效率降低.在高效点1.2Q_d,固相体积分数越大,涡核与轴线距离越小;在无叶腔内,表征截面上涡结构的形状系数e的值在高效点1.2Q_d处均较大,涡结构的形状均较扁.     

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。     

旋流式模型泵内部三维湍流场的测量

为获得旋流泵内部三维湍流场的真实情况,设计制造了模型泵并构造了试验装置.运用激光多普勒测速仪（LDA）,对旋流泵最优工况下的无叶腔及叶轮内部速度场进行了测量,得到周向速度、轴向速度、径向速度及其对应的均方根脉动速度分布等.测量结果表明：旋流泵内流场是强制涡旋和自由涡旋的叠加,同时存在循环流与贯通流,与前人提出的流动模型相吻合;无叶腔与叶轮内周向速度分布差异较大;在叶轮进口处,液流已有预旋,流动撞击损失较大;该型泵内湍流脉动呈各向同性.所得结果不仅可用来验证数值计算结果的准确性,而且为旋流泵内部两相流场的深入研究打下基础.     

斜流泵小流量工况压力脉动数值模拟与实验

基于标准的Smagorinsky亚格子尺度模型,对斜流泵全流场进行大涡模拟并结合压力脉动实验对小流量工况下的压力脉动和内部流场进行研究。实验结果表明,叶轮进口处的脉动幅值最高,随着流量的降低压力脉动幅值逐渐增加,不同工况下叶轮进口、叶轮出口、导叶进口的压力脉动主频为叶频,但导叶出口脉动主频随着流量的变化而变化。大涡模拟表明,0.8Qopt工况下叶轮进口流动状态较好,叶轮进口轴面速度变化较小,而在0.4Qopt工况下叶轮进口流动状态较复杂,轴面速度变化较大,0.4Qopt工况时叶轮进口冲角增加以及受到相邻叶片叶顶泄漏流的影响,在t*=0.041 6时叶片进口吸力面已发生流动分离,当叶轮从t*=0.041 6旋转到t*=0.124 9时,叶片吸力面流动分离加剧,轮缘处的轴面速度明显升高,同时分离涡的旋转强度也逐渐增强,导致该区域的静压下降,逆压梯度上升,促使回流的产生,当回流到达叶片进口时进口处的静压逐渐恢复,因此叶轮进口流动分离是引起叶轮进口压力脉动幅值增加的重要因素。     

深海采矿斜流泵颗粒运动与叶片磨损

针对某型深海采矿提升斜流泵,采用k-ε湍流模型和Particle Transport Solid粒子输运模型进行了固液两相流数值模拟,对比分析了不同颗粒浓度(2%~12%)和不同颗粒粒径下(1~30 mm)的颗粒运动规律和叶片磨损情况.结果表明,随着颗粒浓度的增大,叶轮进口区域的颗粒聚集程度上升,导叶流道内的颗粒聚集程度加剧;叶轮叶片的磨损面积和导叶叶片的磨损面积逐渐增大.其中,叶轮叶片的主要磨损位置在叶片前缘,导叶叶片的主要磨损位置在叶片转向处和叶片尾缘.叶片的磨损位置都呈现从叶顶向叶根逐渐发展的趋势;导叶叶片的磨损面积比大于叶轮叶片的磨损面积比;随着颗粒粒径的增大,叶轮出口区域的聚集程度减弱,导叶流道内的颗粒聚集减轻;其磨损规律与不同浓度下的工况相一致,叶轮叶片的叶片压力面为主要磨损区域,而且导叶叶片在尾缘的磨损减小.研究结果可为深海采矿斜流泵的优化设计提供理论依据.     

折边对旋流泵性能影响的数值计算与试验

为提高旋流泵的扬程和效率,进行了折边对旋流泵性能影响的数值模拟与试验研究.通过对3种具有不同折边大小的叶片的水力性能进行对比,分析折边对旋流泵性能的影响.采用Pro/E造型和非结构化网格,把旋流泵无叶腔和叶轮作为一个整体来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.计算结果表明,旋流泵内部存在较强的纵向旋涡和轴向旋涡,折边可以改善旋流泵内部流动情况,限制径向转为轴向的循环流动;通过对比试验讨论了折边对旋流泵性能的影响,试验结果表明,扬程提高3.64 m,效率提高近7.0%,折边能够减小水力损失,提高旋流泵的扬程和效率.     

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。     

大尺寸固体颗粒对固液两相流输送泵叶轮的磨损

针对大尺寸固体颗粒对输送泵叶轮的磨损问题,借助商用计算流体动力学软件STAR-CCM+开展数值模拟研究.采用变曲率弯管试验结果验证数值模拟模型的物理有效性,进而考虑介质浓度、颗粒粒径对输送泵运行性能和磨损特性的影响.研究结果表明:泵内固体颗粒的分布不均匀,叶片工作面对颗粒做功导致颗粒高速撞击叶片是叶片发生磨损的关键因素.输送泵叶轮的磨损主要发生在叶片的进口边和背面,首级叶轮的磨损量始终大于次级叶轮.介质浓度的增加会导致叶轮磨损量增加.当颗粒粒径由25 mm增加至30 mm时,首级叶轮和次级叶轮的磨损率均出现急剧增长,叶轮的磨损加剧.输送小颗粒时,应着重对叶片的进口角度进行优化,减轻小颗粒对叶片进口边的磨损;输送大颗粒时,应对叶片的型线进行优化,以减少大颗粒对叶片背面的磨损.     

多级旋涡泵内部流动特性与压力脉动的数值分析

为了揭示旋涡泵内部流场结构和非定常压力脉动特性,研制具有开式叶轮和闭式流道结构的多级旋涡泵,基于RNG k-ω湍流模型、SIMPLEC算法与块结构化网格,对旋涡泵内部流场进行数值模拟和试验验证.通过外特性数值预测验证了该旋涡泵能够满足设计参数的要求.基于CFD数值模拟技术,对旋涡泵内部流场进行数值模拟.结果表明:随着流量逐渐增大,旋涡泵扬程呈现陡降的趋势,同时叶轮叶片的做功能力变差,叶片对液体的增压能力逐渐降低.在叶轮吸入口和压出口两侧的叶片流道内部,其速度分布和湍动能分布变化梯度较大,其它叶片流道内部速度分布和湍动能分布较为相似.叶轮流道内部叶顶区域中间流道内存在1个低速区,随着流量的逐渐增大,低速区越来越小.叶轮流道内部叶根区域中间流道内存在1个速度梯度密集区,该区域湍动能较大,即叶片流道的叶根区域存在较大的损失耗散区,随着流量的逐渐增大,该损失耗散区越来越小.分析旋涡泵各特征位置的压力脉动特性发现,在叶轮叶片不同监测位置和闭式流道不同监测位置,压力脉动频率特性较为明显,即此处会诱发较为明显的水力振动和噪声.结果揭示了旋涡泵内部流场和性能的影响机理,为旋涡泵的设计提供了理论依据.     

轴流泵运行工况和叶顶间隙对叶顶泄漏涡轨迹的影响

采用SST k-ω湍流模型模拟和旋涡强度方法,对某一轴流泵模型泵叶轮叶顶区流场和叶顶泄漏涡轨迹进行了数值计算,分析了运行工况和叶顶间隙两个因素对轴流泵叶顶泄漏涡运动轨迹的影响.数值模拟结果表明,随着流量增大,轴流泵叶顶泄漏涡的涡核轨迹起点由叶尖向叶片翼型中部逐渐移动.随着流量的增大,叶片流道内的流动方向发生偏移,叶顶泄漏涡在主流的卷吸下,运动轨迹随之变化,涡轨迹线的斜率受叶轮内主流的影响而变大.随着叶顶间隙增大,泄漏涡的卷吸程度逐渐增强,影响范围增大,涡核的起点由叶片前缘逐渐向后缘移动,且涡核的压力逐渐降低,因此在大间隙时涡带更易出现空化现象.当叶顶间隙达到1.5 mm时,轴流泵在0.9Qd工况附近出现驼峰现象,说明叶顶泄漏涡对驼峰区不稳定流场具有重要的影响.     

混流泵叶片安放角对内涡结构及叶轮-导叶适应性的影响

转叶式混流泵的叶片安放角可以调节,当工况发生改变、叶片安放角调节后,叶轮-导叶的适应性将随之变化,进而影响到混流泵的水力性能.以一叶片安放角可取-4°,0°和4°的转叶式混流泵为研究对象,从涡结构的角度出发,探究叶片安放角改变对叶轮-导叶适应性的影响规律.研究结果表明:随着叶片安放角的增大,叶轮内部涡结构的大小在逐渐增...     

混输泵小流量工况的空化特性

为改善混输泵在小流量工况下的水力性能,采用基于均相流假设的多相流模型和Rayleigh-Plesset方程,应用标准k-ε湍流模型,对混输泵小流量工况全流道空化流场进行数值模拟,分析几种典型空化工况下混输泵的输运性能以及在不同工况下叶轮内部空泡的分布规律,最后根据模拟结果预测混输泵的能量特性并与试验结果作对比分析,从而在一定程度上验证了数值模拟的可靠性.研究结果表明:在小流量工况下,叶片进口绕流和动静干涉对叶轮内的流动分离产生较大的影响,同时旋涡形成的低压区会加剧进口空化、降低泵的混输性能;从初生到深度空化发展过程中,空化首先发生在叶片进口和靠近中间位置,在叶片背面进口的空化程度较严重,越靠近轮毂空化程度越严重,甚至阻塞流动,加剧叶轮内相态分离.该研究结果为混输泵的进一步优化设计、性能改善及实验研究提供理论依据.     

低比转数潜水排污泵的内部流场PIV试验研究

针对低比转数潜水排污泵的研究现状进行调研后发现,目前主要的研究手段以数值计算为主,缺乏对其内部流场的可视化试验研究,因此,为揭示低比转数潜水排污泵内部流场的物理结构及流场演化过程,针对一比转数n_s=60的潜水排污泵进行结构改造后,以透明的有机玻璃材料代替传统的金属材料,以空心玻璃球作为示踪粒子,进行了不同工况下的二维PIV测试.试验结果表明:在科氏力的作用下,叶片进口吸力面上的相对速度大于压力面上的,而叶片出口则相反;在大流量工况下叶片进口边的速度梯度最大,叶片出口的“射流-尾迹”现象也最为明显;在不同流量工况下,叶片压力面一侧均存在一定脱流现象,该脱流区域随流量的减小向叶片出口方向移动,并逐渐形成一个与叶片旋转方向相反的旋涡;当流量为0.2Q_d时,该旋涡位于叶片流道出口中心,并堵塞了大部分流道.     

不同叶顶间隙下斜流泵内部 流动特性的数值模拟

为研究轮缘叶顶间隙对斜流泵性能和流动不稳定特性的影响,基于SST k-ω湍流模型对某斜流泵选取了0, 0.25, 1.00, 2.00 mm 4种尺寸的叶顶间隙进行数值计算,分析间隙区域内压差分布、泄漏量、叶顶泄漏涡旋强度以及进口轴面速度分布.结果表明:不同运行工况下,斜流泵泄漏量从叶轮进口到叶轮出口先增大后减小,其与间隙区内压差变化趋势相吻合.叶顶泄漏量随着间隙尺寸的增大而增大,导致泵的能量损失增大.经对比发现,间隙尺寸是影响叶顶泄漏量的主要因素.小流量工况下,随着叶顶间隙尺寸的增大,叶顶泄漏流与主流卷吸作用形成的泄漏涡强度逐渐增强.部分泄漏流进入相邻叶片通道,导致其流动失稳.随着叶顶间隙的增大,斜流泵能量损失明显增多,且内流不稳定性明显加剧.增大流量后,不同间隙下叶顶泄漏涡旋转强度均逐渐降低.