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.     

高转速行星齿轮止推垫圈流体动压润滑特性

以直齿行星排的行星轮止推垫圈为对象,为了减小其与行星齿轮之间因轴向力而导致的磨损,通过对止推垫圈加工径向沟槽的方法,对其进行流体动压润滑设计,使止推垫圈与行星轮间有相对运动时产生流体动压承载力,从而使两者之间实现非接触而减小磨损.因结构的对称性,允许正反向旋转且加工容易而选择径向直线矩形槽.建立了定常雷诺方程的模型,应用有限体积法对其进行离散求解.分析了槽数、槽宽比、槽深和径向宽度等结构参数对垫圈流体动压力承载性能、润滑油流量和温升的影响规律.考虑到工程应用,着重对较少油槽数量（2～12）情况下的润滑特性进行了分析.结果表明：槽数约为20时,油膜具备最大的承载力;油槽数量介于10～60时具备较大的承载力;槽区角度与周期槽角度之比约为0.5时具有最佳承载力,径向宽度越大则承载力越大;槽数越多、槽深越大、径向宽度越大,流量越大,反之减小;槽宽比增大能使流量减小;降低润滑油温升的措施为增加垫圈槽数、增大径向宽度,使槽深处于10～40μm.     

上游泵送机械密封润滑膜固液两相流动特性

为了研究上游泵送机械密封润滑膜内部微小颗粒的分布规律及其对密封性能的影响,建立密封动、静环间液膜三维几何模型和数值模拟计算模型.基于两相流体的连续介质理论,利用Mixture模型对液膜内的两相流动进行数值模拟,分析了微尺度液膜内颗粒相的分布特点、进口颗粒体积分数对颗粒分布的影响以及由此引起的密封性能变化.研究表明:微小颗粒相主要存在于螺旋槽的槽根半径处及靠近螺旋槽的密封坝处,分布特征随着颗粒进口体积分数的增大而逐渐明显,这可能是上游泵送机械密封易出现螺旋槽堵塞的原因;在所研究的参数范围内,颗粒相的存在使液膜开启力增大且开启力和端面摩擦扭矩随着颗粒进口体积分数的增大而增大.     

射流泵液固两相流特性三维大涡模拟

为研究射流泵的三维液固两相流动特性,应用计算流体动力学（CFD）方法模拟其内部流动特征.采用LES方法和混合模型对射流泵在输送固体颗粒时的三维流场进行了数值模拟,分析了不同的固体颗粒直径、固相初始体积分数及流量比等参数对射流泵液固两相射流的湍射流场及射流泵基本特性的影响.结果表明：在较小的流量比条件下,固液两相流射流泵的压力比和效率与清水时的差别不大;但是在较大的流量比条件下,随着固相初始体积分数的增大,基本性能曲线与效率均下降,且流量比和固相初始体积分数越大时,其下降幅度越大;在固相初始体积分数和固相颗粒直径一定时,流量比越大,充分混合后的含砂体积分数将随之增大.固体颗粒直径越大,则越容易产生局部体积分布集中的现象,易在射流泵内形成堵塞.研究结果为工程实际应用提供了一定的技术支持.     

不同几何形状环形槽对高速诱导轮空化性能的影响

为进一步探究提升航空航天用高速离心泵空化性能的方法,研究环形槽几何形状对高速诱导轮空化性能的影响,设计了矩形、单曲率、双曲率3种不同几何形状的环形槽.使用原模型泵的外特性和空化性能试验验证了数值模拟方法的有效性,对不同方案进行数值模拟,分析不同几何形状环形槽对高速诱导轮离心泵空化性能、流道内能量分布以及诱导轮入口流态的影响.结果发现：在高速诱导轮上游设置环形槽可以降低泵的必需汽蚀余量,其中单曲率槽可以使离心泵的必需汽蚀余量降低得更多,为27.0%,双曲率槽和矩形槽分别使必需汽蚀余量降低14.7%和5.4%;环形槽可以减小叶顶间隙回流对上游主流的影响,诱导轮叶片上湍动能分布更加均匀,诱导轮流道内的压力明显提升;回流在单曲率槽中的过渡更为平滑而对周向旋涡的抑制作用较弱,矩形槽和双曲率槽吸收壁面旋涡的能力更强,可以削弱上游不对称涡向诱导轮流道的发展和影响.     

涡旋阀压电泵内部空化流动的数值分析

设计了一涡旋阀压电泵,采用动网格模型对其进行数值分析.首先对涡旋阀压电内部流场进行了动态模拟,得到了不同时期压电泵内的速度和静压分布图,有效地将压电振子的动态特征和流体的运动特征进行了间接流固耦合分析,验证了动网格模型在研究压电泵运动边界方面的可行性.研究了驱动频率,压电振子振幅,泵腔高度对涡旋阀压电泵输出性能的影响,发现驱动频率越小,压电振子振幅越大,出口体积流量越大,泵腔高度约为250μm,出口流量达到最大值.此外,还分别对涡旋阀和涡旋阀压电泵进行了空化模拟,得到了空化时涡旋阀内和不同时刻泵腔中的气液分布,为有效预测压电泵腔内空化,抑制空化现象提供了一定依据.     

射流泵内部流动计算中不同湍流模拟方法的比较

为了掌握射流泵中工作流体与被吸流体的混合过程,通过基于雷诺平均N-S方程(RANS)的不同双方程湍流模型以及大涡模拟(LES)对射流泵内部三维单相流场进行数值模拟,并将这些模型的计算结果和试验值进行对比,研究了适合射流泵模型的数值方法,并在此基础上,对不同工况下射流泵的内部流动进行了分析．结果表明:采用LES方法对射流泵湍流场进行模拟计算的结果是可靠的,无论是压力比还是效率,LES模型的数值模拟结果均与试验值吻合较好;采用双方程模型预测的喉管段高速核心区在混合过程中能量耗散过快,且没有预测出剪切层的旋涡结构,只有LES方法才能得到合理的旋涡结构,从而能准确地反映出大流量工况时剪切层中工作流体和被吸流体间的动量和能量输运及混合过程,因此LES所预测的射流泵的能量特性比其他湍流模型更接近试验值;流量比越大,工作流体与被吸流体在喉管内的混合位置越靠后,势流核区沿轴向区域越长,均匀混合后的轴向速度越大．     

立式轴流泵装置模型水力性能数值分析及预测

依托南水北调东线一期工程某低扬程泵站的设计参数,基于三维湍流流动雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对由肘形进水流道、轴流泵和虹吸式出水流道组成的低扬程立式轴流泵装置模型内部流动进行数值模拟,分析了小流量工况(0.180 m³/s)、设计流量工况(0.299 m³/s)和大流量工况(0.360 m³/s)等3个典型工况时的泵装置流态和叶轮叶片表面的压力分布情况,对泵装置模型的能量性能进行预测,并与泵装置模型试验结果进行对比分析.结果表明:泵装置效率的数值计算结果与模型试验结果基本一致,最优工况点附近较为接近,在计算范围内最大差值不超过2%;设计流量工况时泵装置进、出水流道内的三维湍流流动状况,与进、出水流道分别进行数值计算时的状况基本一致;3种不同典型工况时泵装置进水流道内的流场分布状况相同,而出水流道内的流场差别很大.对不同工况时立式轴流泵装置模型内部三维湍流流动的研究结果,可为低扬程泵装置多工况水力设计优化研究提供一定的参考.     

小流量工况叶片数对多相混输泵增压性能的影响

叶轮叶片数是多相混输泵设计的重要参数,同时与泵的性能密切相关。为了研究叶片数对多相混输泵增压性能的影响,以自主研发的多相混输泵为研究对象,使用Geometry软件改变叶轮叶片数。基于标准的k-ε湍流模型,选用Fluent软件来对小流量工况下叶片数分别为3,4和5的多相泵内流动特征进行数值计算,总结不同叶片数对其内部压力分布和增压性能的影响规律。研究发现:在叶片压力面,当叶片数为4时,叶片进口低压区面积最少、压力变化均匀,同时对介质增压效果较好。因此,综合比较发现当叶片数等于4时的混输泵增压性能最好。     

液体射流泵内部流动分析:Ⅰ试验与三维数值模拟

对偏向吸入和水平放置的液体射流泵的基本性能和内部流动分别进行了试验和三维数值模拟．数值模拟采用k-ε双方程湍流模型和SIMPLE算法,数值模拟结果与试验结果在最高效率工况附近基本重合．利用数值模拟结果对射流泵内两股流体的混合过程和流动规律进行了分析,发现对于大流量工况(流量比q>08),在喉管入口06倍喉管直径长度内,出现由局部损失和摩阻损失引起的当地压力比降低,被吸流体能量损失的现象;随着流量比的增大,单位被吸流体获得能量减少,两股流体传能距离增加,速度混合均匀长度为6～8倍喉管直径,大于喉管内压力比达到峰值的长度;喉管内两股流体混合流动过程与形成充分发展湍流过程类似;对偏向吸入的射流泵,吸入腔体内流动不对称,导致内部截面存在二次流动诱导旋涡,但是喉管内二次流动速度远小于主流速度,因此采用二维理论分析能够反映射流泵性能的主要特征．     

颗粒对离心泵内部压力脉动特性的影响

为了研究离心泵动静叶栅内固液两相流非定常流动所引起的压力脉动特性情况,采用大涡模拟与Mixture多相流模型相结合的数值模拟方法,运用滑移网格技术,对带有径向导叶的离心泵三维全流场进行了耦合计算.研究结果发现,对于清水相或固液两相,各监测点的压力系数均随着流量的增加而逐渐减小;脉动也随着流量的增加而逐渐趋于规律化.在动静叶栅交界面处,小流量工况下颗粒的存在增强了此处的高频压力脉动,而大流量工况下颗粒的存在削弱了此处的高频压力脉动;在导叶流道内,小流量工况下颗粒的存在削弱了此处的高频压力脉动,而大流量工况下颗粒的存在增强了此处的高频压力脉动;在蜗壳流道内,除了隔舌位置处,颗粒的存在已经不影响这一区域的压力脉动;在蜗舌位置处,颗粒的存在增强了蜗舌处的高频压力脉动.在动静叶栅交界面处,1.4Q时颗粒存在对压力脉动幅值影响最小,0.2Q时影响最大;在导叶流道内,1.4Q时颗粒存在对压力脉动幅值的影响最小,0.6Q时影响最大;在蜗壳流道内,1.0Q时颗粒存在对压力脉动幅值的影响最小,0.2Q时影响最大;在蜗壳蜗舌处,1.0Q时颗粒存在对压力脉动幅值的影响最小,0.2Q时影响最大.     

基于CFD的反渗透海水淡化高压泵的性能预测

运用FLUENT软件,在双参考坐标系下,采用基于雷诺时均的Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,对万吨级反渗透海水淡化高压泵的6组水力模型的叶轮与导叶组合的内部流场进行了数值模拟和性能预测,并挑选出两组效率高的水力模型制作成2台单级模型泵进行试验研究.结果表明：根据计算的数据预测该泵单级的特性曲线,并与试验数据进行了比较,两者在高效区流量-扬程曲线比较接近,误差在工程应用允许范围内.CFD计算中没有计入容积损失和机械损失,实测轴功率普遍都要比模拟轴功率稍大,进行修正后试验所得出的效率和模拟所得到的效率接近.经试验模型泵的效率接近80%.     

两级离心泵径向导叶水力优化

为提高已有两级离心泵中径向导叶的水力性能,按照正交试验要求,选取径向导叶的喉部面积、扩散角、反导叶数、反导叶高度4个因素,每个因素取3个水平,设计9个导叶.基于ANSYS CFX软件,选取k-ε湍流模型,并结合全隐式耦合算法对装配具有不同几何参数径向导叶的两级泵全流场进行数值计算,获得了9组设计方案在额定工况下的扬程、效率.以泵的扬程和效率作为试验指标,利用极差分析法分析了所选几何参数对于两级泵扬程、效率的影响规律,以及影响径向导叶性能的主要因素和次要因素,提出了性能较优的径向导叶方案.径向导叶喉部面积对两级泵的扬程、效率影响较大.经数值计算可得,较优方案的额定工况下的扬程为211.70 m,效率为47.63%,较之优化前的径向导叶,扬程提高了1.24 m,效率提高了4.00%,取得了较好的优化效果.     

离心泵压水室形式对微型电泵性能影响的数值模拟

基于标准k～ε湍流模型,应用ANSYS CFX 12.0软件,在原来微型电泵的螺旋形压水室的基础上重新设计了矩形断面的环形压水室,并对环形压水室做了两种改进方案,将4种不同的压水室与同一叶轮组合进行数值模拟与预测。计算结果表明,配环形压水室的微型电泵能够提高关死点扬程及泵的效率,使泵的高效点向大流量方向偏移,综合水力性能较优于螺旋形的电泵,而功率曲线却没有明显变化;采用环形压水室,叶轮四周具有较为均匀的静压,隔舌间隙变大,防止了流动的突然偏斜,使泵在变工况下运行效率变化不敏感,即能在较宽的工况区维持较高的泵效率;将环形压水室的断面轴面高度增加50%的微型电泵获得较优的水力性能,且小流量到额定工况点附近径向力小于螺旋形压水室;通过了试验验证,具有一定的可行性,且为企业节省了加工成本。     

基于Ansys的矿用潜水电泵转子系统的优化设计

应用三维造型软件Pro／E对矿用潜水电泵过流部件内部水体和部件进行实体造型,导入ICEM软件对水体部分进行非结构化网格划分．基于雷诺时均Navier—Stokes方程、标准k—ε湍流模型和SIMPLEC算法,采用计算流体动力学软件CFX对矿用多级潜水泵不同工况下的外特性进行数值模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比,验证模拟结果的可靠性．将流场模拟结果导入AnsysWorkbench,对两支点支撑方式的转子系统进行基于流固耦舍的模态分析,计算得到了原有转子系统的一阶临界转速低于运行转速．根据对转子振型特点的分析,对转子系统进行三支点优化设计,并再次进行模拟计算．结果表明：原有两轴承支撑转子系统临界转速过低,是轴承7217AC／DB提前损坏、密封环磨损严重的主要原因;三支点转子临界转速远大于泵的实际运行转速,可大幅度提高轴承可靠性,减缓密封环的磨损．     

大型泵站蜗壳出水流道型线的优化与试验

对大型泵站蜗壳出水流道的型线进行了多方案的优化设计和试验研究：将导水锥型线进行了优化,在流道宽度不变的条件下,仅将出水室蜗壳段弧线曲率半径适当加大,同时延长扩散管的长度,减小扩散管出口及蜗壳断面流速.最终得到了水力性能优良的蜗壳出水流道型线方案.在模型比为10.27,叶片角度（-2°）和转速（1400 r/min）都保持不变的情况下,该流道形式的模型泵装置效率达到78%以上,比优化前提高了6个百分点,达到或已超过常用流道型式立式泵装置效率,为蜗壳进出水流道在大型低扬程泵站中推广和应用奠定了基础.     

基于CFD的对旋轴流式喷水推进泵转速控制方法

为了研究不同转速比下对旋轴流式喷水推进泵的外特性,应用计算流体动力学的方法对不同工况下的喷水推进泵进行数值模拟,分析了推进泵外特性与转速比的关系以及不同转速比下对旋泵的内部流动结构与能量耗散的特征.计算结果表明：不同转速比下喷水推进泵的外特性变化较大;通过比较,得到了不同流量下效率最高点的最优转速比;当流量小于1.0Qd时,控制首级叶轮的转速可以获得最优转速比;流量大于1.0Qd时,控制次级叶轮的转速获得最优转速比;通过对0.9Qd时速度三角形和内部流场的分析,发现降低转速可以减小首级叶轮进口冲角,改善内部流场,减小水力损失.通过以上分析验证了转速控制方法的有效性.     

弹性体转子泵压力特性数值分析与试验

针对弹性体转子型线存在密封性能差和转子尖部容易发生粒子卡滑的缺陷,提出一种新型宽头刮边转子,其型线由宽圆弧ab、刮边圆弧bc、长幅内摆线cd和圆弧de组成.基于CFX浸入式实体技术和RNG k-ε湍流模型,通过转子泵全流场瞬态计算,研究了包角θ=5°,8°,11°,15°,18°和半径r=30.9,37.1,44.5,53.4 mm结构参数下转子腔内脉动特性.结果表明:包角和半径是影响转子泵性能的关键参数,随着包角增大,瞬时质量脉动率减小,半径对出口瞬时质量脉动率、进出口转子腔压力脉动无影响.进口啮合处汽蚀和出口啮合处压力随包角增大而增大;半径增加,进口啮合处汽蚀减小,出口啮合处压力减小.对θ=18°,r=53.4 mm新型转子泵及传统转子泵进行性能对比试验,试验表明新型转子型线性能优于传统转子型线,新型转子泵理论流量较传统转子泵小3.35%,新型转子泵容积效率较传统转子泵大1%~5%;新型转子泵整机效率较传统转子泵高1.5%~4.9%.     

多喷嘴射流泵流场的数值模拟与PIV测量

为研究多喷嘴射流泵性能和内部流场特征,设计了不同结构的多喷嘴射流泵试验模型.采用k-ε湍流模型和壁面函数法对不同参数下的多喷嘴射流泵进行了数值模拟,模拟结果表明,喷嘴数和喷嘴角度及喉嘴距对射流泵工作性能影响较大;在吸入室及喉管入口处湍动能较大.利用PIV系统对不同结构射流泵内部流场进行了三维测量,获得了射流泵对称面流场的速度矢量和湍动能等值线图.试验结果表明,其速度梯度衰减得愈快,工作流体和被吸流体混合距离越短.验证了多喷嘴射流泵可缩短喉管长度.测量结果证明数值模拟的正确性,为多喷嘴射流泵理论研究和合理设计提供了理论依据.     

前置导叶预旋调节离心泵性能的数值预测与试验

在分析叶轮进口流态的基础上,给出了一种用于调节离心泵工况点的前置导叶水力模型设计方法,目的是通过减小离心泵在变工况条件下叶轮进口的冲击损失和回流损失来改善在非设计工况的水力性能,拓宽高效运行范围.基于SIMPLEC算法,通过数值求解Reynolds平均Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型方程,模拟了不同预旋角度下前置导叶离心泵全流道的三维湍流流场,外特性计算结果和试验数据吻合较好.在此基础上,分析了离心泵前置导叶预旋调节的基本规律及调节机理.