叶片式混输泵非定常流动的数值模拟

为了加深对叶片式混输泵内相态分离和气体局部聚集现象形成机制的认识,在细泡状流动假设下,基于双流体模型对叶片式混输泵在进口含气率为15％条件下的气液两相输运过程进行非定常CFD模拟．计算中,湍流模型采用SST模型,相间作用力考虑了阻力和附加质量力,初始流场根据纯水工况的稳态计算解给定．对该含气率下的5个流量工况进行了计算,并以其中的最优工况为例分析了输运过程中两相流场的分布及其随时间的演变,探讨了非定常过程中扬程的计算方法及变化特点．结果表明:由于两相所受离心力不同,输运过程中气相主要分布于轮毂面附近;受流道形状变化和叶轮旋转的影响,叶轮进口区容易促发气团的形成,是气团形成的起始位置．输运过程中含气率场和压强场将出现波动,进而导致扬程值的大幅振荡,影响混输泵运行的稳定．通过对比扬程特性的计算和试验结果,说明了所用数值模型和方法的基本可靠性．     

多相混输泵内气液两相流动的压力脉动特性

为了探究含气率对多相混输泵内部流场结构和压力脉动特性的影响规律,基于Standard k-ε湍流模型,应用计算流体动力学软件ANSYS CFX在进口含气率IGVF分别为5%,10%和15%时对多相混输泵内流场和压力脉动特性进行数值计算,进而分析和归纳多相混输泵内部流场结构、频域和压力脉动系数随含气率的变化规律.结果表明:含气率在超过一定范围时会削弱混输泵内的压力脉动,同时主频幅值对压力脉动的影响较大;在气液两相下动静干涉作用仍是引起混输泵内压力脉动的主要因素,与此同时叶轮和导叶内的主频分别是11倍和3倍转频,并且最大主频幅值和压力脉动系数均出现在动静交接面附近.该研究结果可为多相混输泵的结构优化、水力设计和疲劳分析提供一定参考.     

叶片式混输泵气液两相非定常流动特性分析

基于细泡状流动假设,采用双流体模型对一叶片式混输泵叶轮内的气液两相流动进行定常和非定常数值模拟.计算中,进口含气率为15％,湍流模型采用基于k-ω模型的SST模型,相间作用力考虑了阻力和附加质量力.通过分析流域的含气率及两相速度矢量分布,探讨了混输泵内气液两相非定常流动特性.结果显示,混输泵叶轮内的两相输运过程出现“不连续气团运动”现象.该现象的形成与气泡尺寸及气体所受的相间作用力有关,并且只有在非定常计算中才能得到清晰展现.计算还发现,气相轴面涡的位置与高含气率区几乎完全对应,说明气相旋涡是造成气体局部聚集的主要因素之一.通过对比外特性计算和实验结果,验证了所用数值模型和方法的可靠性.     

三级螺旋轴流式混输泵可压缩流场数值模拟

以水和可压缩空气为介质,在不同入口含气率工况下对一台三级混输泵内流场进行定常和非定常数值模拟,三级叶轮几何参数相同。水为主相,采用k-ωSST湍流模型;空气为第二相,采用零方程模型。模拟预测三级泵的性能与实验结果吻合良好。流场模拟结果显示:由于气体可压缩,流体由第1级输送到第3级过程中,含气率逐渐降低,总体积流量也不断降低;由于气液两相所受离心力的不同,含气率从轮毂到轮缘逐渐降低;随着入口含气率的增加,第1级叶轮的增压值逐渐降低,第2级和第3级的增压值呈先增大后减小的趋势;受叶片动静干涉作用以及有限叶片数的影响,各级叶轮与导叶衔接处平均压力有所下降;在入口含气率小于10%或大于80%工况下,三级叶轮增压相近,可以作为不可压流体设计或模拟,在其它入口含气率工况下,应该将介质考虑为可压缩流体。     

基于CFD的球阀三维流场数值模拟

为了探索新型转子式油气混输泵出口球阀内流场规律,建立球阀流场的三维模型,利用Fluent软件,将标准k-ε湍流模型与多相流技术相结合,采用SIMPLE算法,对新型转子式油气混输泵出口球阀内的三维气液两相流场进行数值模拟.在容积含气率为25％,50％,75％的不同工况下,通过对球阀开启高度分别为3,5,7 mm时的速度场、压力场与气液相分布的分析,探讨在气液混输过程中阀的开启高度及不同气液比对阀内流场的影响规律.模拟结果表明:球阀开启高度越大,阀球上下压差越小;阀隙流速随着开启高度的增大而减小.在气液混输过程中气相介质主要靠近阀球壁流动,同一开启高度下气液比对阀隙流速的影响较小.研究结果直观展现了球阀内流场形态,在一定程度上揭示了气液两相介质在阀内的流动规律,为新型转子式油气混输泵出口球阀的设计与优化提供理论指导.     

轴流式油气混输泵吸人室及压缩级流场分析

轴流式油气混输泵兼具泵和压缩机的性能,结构紧凑,能在高含气率下工作.针对混输泵内部流动复杂易产生气液分离,气相能量携带能力差,效率低,稳定性差,设计难度大等问题,采用轴流泵和轴流压缩机设计方法相结合,充分考虑高含气率下气相的可压缩性,用PRO/E对轴流式油气混输泵吸入室及压缩级建模,ICEM对模型划分网格,基于RNG k-ε紊流模型用FLUENT软件对不同含气率下模型流场流动情况进行了计算模拟;分析了流场模拟结果,并进行了实验.结果表明,利用此吸入室、压缩级的设计方法和模拟是合理的.     

轴流式油气混输泵吸入室及压缩级流场分析

轴流式油气混输泵兼具泵和压缩机的性能，结构紧凑，能在高含气率下工作。针对混输泵内部流动复杂易产生气液分离，气相能量携带能力差，效率低，稳定性差，设计难度大等问题，采用轴流泵和轴流压缩机设计方法相结合，充分考虑高含气率下气相的可压缩性，用PRO／E对轴流式油气混输泵吸入室及压缩级建模，ICEM对模型划分网格，基于RNG k-ε紊流模型用FLUENT软件对不同含气率下模型流场流动情况进行了计算模拟；分析了流场模拟结果，并进行了实验。结果表明，利用此吸入室、压缩级的设计方法和模拟是合理的。     

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.     

轴流式油气混输泵压缩级流场CFD模拟分析

利用Fluent计算软件,采用非定常滑动网格技术和非结构网格来模拟油气混输泵单个压缩级三维流场,通过对气液两相介质在流道内的流动情况的分析,为改进压缩级的设计提供了依据。试验证明,该方法在油气混输泵的设计中是有效的。     

离心泵非定常计算中叶轮转动位置对性能影响的数值模拟

利用CFD软件,采用Realizable k-ε湍流模型,分别在3种工况下,对1台比转数为71的导叶-蜗壳组合式离心泵的内部流动进行三维非定常数值模拟,获取了离心泵内部流场结构,计算泵的扬程及效率。根据计算结果,分析了叶轮转动位置对泵外特性和内流场的影响。结果表明：当叶轮转动位置不同时,泵扬程、效率随之发生变化,选取某一特定位置处结果作为最终预测结果会产生较大的随机误差;叶轮转动位置的不同,也会对叶轮、导叶、蜗壳流道内的压力场和速度场产生一定的影响。     

多级离心泵内部非定常压力脉动的数值模拟

为了研究多级离心泵内部稳态和瞬态的流动特征,以不锈钢冲压多级离心泵为研究对象,基于计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)软件ANSYS CFX,选取标准k-ε湍流模型,在设计工况下对整机进行两级全流场非定常数值模拟.计算结果与试验结果吻合较好,验证了数值模型和计算方法的准确性.在叶轮某一流道的压力面和吸力面分别设置了4个监测点,在导叶的某一流道设置了6个监测点,分别分析了叶轮和流道式导叶内不同位置的压力脉动特性,并对其进行了频域分析.结果表明:叶轮与导叶间的动静干涉是产生静压波动的原因,静压波动均值从叶轮进口到叶轮出口逐渐增大;整体式冲压叶轮的形状影响正导叶内的压力脉动,一个周期内的压力波动间隔相似;叶轮和导叶间的动静干涉影响显著,首级泵体反导叶中部及出口位置脉动频率为3倍叶频,而在其他位置处均为1倍叶频;额定工况下导叶内部脉动主频均出现在低频处,表现为叶频压力脉动.     

多级离心泵内部级间影响及压力脉动特征

为了研究多级离心泵内级间相互影响及流道内的瞬时流动特征,对一两级泵内部流动进行了三维定常与非定常数值计算,获得并分析了不同流量工况条件下流道内各个监测点的压力脉动特征.研究表明:首级导叶的存在是导致次级叶轮入口截面上不均匀流动状态的关键因素;在每级叶轮的出口与导叶进口联结处均存在剧烈的动静耦合作用;尽管整体流道的几何形状复杂,叶片通过频率仍支配着该两级泵内全流道的特征压力脉动,而导叶叶片数对压力脉动特征的影响较弱;叶轮内与叶频对应的压力脉动幅值自叶轮进口到叶轮出口逐渐增大,且在叶轮出口处达到极大值,导叶中的相应变化规律则与之相反;偏离最优流量工况,叶频仍占据统治地位,但整个流道内的压力脉动幅值增大,该趋势在小流量工况下尤为明显.     

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．     

轴流泵装置三维非定常湍流流场的数值模拟

为了分析轴流泵内部流场的瞬时特性,结合非定常不可压牛顿流体的控制方程和RNGk-ε双方程湍流模型,考虑各过流部件之间的相互干涉作用,在Fluent软件中应用SIMPLEC算法和滑移网格技术,在一个完整的转动周期中对4000ZLQ53.5-6.6 JS型立式轴流泵全流道内的三维湍流流场进行了数值模拟.给出了在叶片角为0,°设计流量工况为53.5 m3/s时叶轮进出口干涉面的压力、速度与涡量云图,直观地显示了一个转动周期内叶轮干涉面的干涉情况.对干涉面物理量云图进行对比分析,得出了轴流泵内部流场瞬时特性的数值模拟计算结果.引入动态特性预测方法,对瞬时计算结果时均化,将动态特性预测结果与泵站的现场测试数据进行对比,证明了该数值模拟方法的可行性.这表明,计算所采用的轴流泵装置非定常三维湍流流场的数值模拟方法,是人们认识轴流泵流场流动与干涉机理的有效理论手段.     

螺旋混流式喷水推进泵的噪声特性

为了研究螺旋混流泵不同运行工况下的噪声特性,基于DES湍流模型,对螺旋混流泵进行非定常数值计算,提取各过流部件表面非定常压力脉动作为声源,采用声学有限元结合声振耦合的方法对由各过流部件偶极子源所引起的噪声进行数值计算,分析了其外场噪声规律及各过流部件的噪声分布特征.结果表明:壳体偶极子源是外场噪声的主要贡献,叶轮偶极子源噪声在其叶片进口端的前段声压级最高,叶轮工作时叶片表面的非定常载荷及动静干涉的作用是影响叶轮噪声的主要原因;导叶偶极子源声压级最高区域集中在曲率最大处及进口端,流道内不稳定流动及动静干涉的作用是导叶噪声发生的主要原因.     

时序效应对导叶式离心泵叶轮做功的影响

为了研究导叶时序安装位置对离心泵水力性能及运行稳定性的影响,采用SST k-ω湍流模型对在不同导叶安装时序位置时离心泵内部非稳态流场进行数值计算,分析导叶时序位置对叶轮做功的影响规律.结果表明:同一导叶时序位置时,因动静干涉影响,叶轮叶片做功呈现周期性波动;不同导叶时序位置时,各叶轮叶片做功呈现的波峰与波谷时刻不同,且出现明显的相位差,表明时序位置对叶轮叶片做功的影响因素主要为叶轮-导叶动静干涉、叶轮-蜗壳动静干涉及蜗壳不对称几何形状等;不同导叶时序位置时,叶轮流道做功均呈现周期性波动,并出现相位差,同时因叶轮-导叶动静干涉作用影响,叶轮出口处压力场分布不同,表明叶轮-导叶动静干涉是导叶时序效应对其叶轮流道做功影响的主要因素.研究结果可为导叶式离心泵设计提供一定理论依据.     

不同导叶开度下立式蜗壳离心泵失速特性分析

大型立式蜗壳离心泵是长距离输水的核心动力装备,为了研究小流量工况下泵内不稳定失速机理,基于精细化网格和SST-SAS湍流模型,数值分析了活动导叶开度在小开度、最优开度和大开度3种条件下的非定常流态及其诱导压力脉动特性,讨论了导叶开度对立式蜗壳离心泵失速特性的影响.研究结果表明,在不同导叶开度下泵内失速的特征工况点相近,...     

轴伸贯流泵多工况下的压力脉动特性

为了研究轴伸贯流泵在不同流量工况下的压力脉动特性,应用计算流体动力学软件对泵内流场进行数值计算,揭示不同流量工况下泵内压力脉动的变化规律,并利用真机进行压力脉动测试以验证数值计算方法的可靠性.结果表明:机组各监测面的压力脉动都具有一定的周期性,转轮处波峰和波谷与转轮叶片数相关,压力脉动主频为叶频;前导叶进口截面压力脉动主频为转频;在小流量工况下,流动较为紊乱,压力脉动抖动明显;转轮出口截面由于受动静干涉影响,流动紊乱,尤其在小流量工况下,压力脉动峰值最高为设计工况的12倍;在导叶进口以及导叶出口处监测点的压力脉动频域中出现了撞击和回流诱导的低频信号,低频段频谱复杂,出现明显的抖动.     

对旋轴流式喷水推进泵压力脉动的数值计算

为了解喷水推进泵内部压力脉动特性,以对旋轴流式喷水推进泵为研究对象,应用计算流体动力学(CFD)方法,采用雷诺时均法并引入SST k-ω湍流模型使方程封闭,对对旋轴流式喷水推进泵进行设计工况下非定常数值模拟.经网格无关性检验后,计算得到的推进泵功率与扬程与设计值基本一致.在首级叶轮进口处,首、次级叶轮轮缘间隙处,轴向间隙及导叶进口处设置监测点,监测不同位置的压力脉动数据.得到各监测点的时域图和频域图并对各监测点压力脉动特性进行了对比分析.结果表明:对旋轴流式喷水推进泵内压力脉动主要受叶频的影响,首级叶轮和次级叶轮轮缘间隙处的压力脉动不仅与首、次级叶轮的叶片数有关,还与喷水推进泵叶轮数量有关;受两级叶轮反向旋转的影响,轴线方向上首级叶轮与次级叶轮之间轴向间隙处的压力脉动幅值最大, 轴向间隙的压力受到首级叶轮和次级叶轮的共同影响;次级叶轮出口与导叶进口处压力脉动主要受到导叶回流的影响.     

透平工况动静叶栅内固液两相流动压力脉动特性

为了研究泵作透平过流含沙水时动静叶栅内非定常流动所引起的压力脉动特性情况,以径向导叶式离心泵反转作液力透平为研究对象,对全流道进行结构化六面体网格划分,采用大涡模拟(large eddy simulation, LES)与Mixture多相流模型相结合的方法进行了三维非定常数值计算.分别对清水介质和固液两相介质3个流量工况下的压力脉动进行了监测.结果表明:清水介质和固液两相介质下,动静叶栅交界面处监测点P_{3和导叶内监测点P6由于受到叶轮内压力梯度的交替变化影响,时域脉动周期性明显,且与叶片通过周期一致.小流量工况下,颗粒的存在减少了尾水管回流,使得压力脉动较清水介质更稳定,大流量工况下,颗粒的存在加剧流场紊乱.压力脉动频域分布结果显示,不同工况的主频均为叶片通过频率,谐频为叶频的倍数,其幅值呈指数形式衰减.在小流量工况下,叶轮内部涡流诱导了明显的二次谐波,流体介质中的颗粒使得此处的高频压力脉动得到了增强.大流量工况下,流体介质中的颗粒使得此处的高频压力脉动得到了削弱.}