高效率离心泵水力设计及BVF诊断

引入边界涡量流(BVF)理论对叶片进行诊断,探究叶片表面BVF分布与水力性能的关系,为将来改进设计提供诊断依据.选用IS150-125-250型离心泵(参考离心泵)基本参数,基于速度系数法和二元理论自编程序,设计出新的离心泵叶轮.与参考叶轮相比,新设计的叶轮进口端空间弯扭特征明显.采用RANS控制方程组和标准k-ε湍流模型对设计离心泵和参考离心泵全流道内流场进行数值模拟,对比分析两者含设计工况点在内的13个工况点的水力性能.同时根据设计离心泵和参考离心泵叶轮内流场计算结果,基于BVF诊断方法,对两叶轮叶片压力面和吸力面BVF分布进行对比分析.结果表明:相比参考离心泵,设计离心泵在小流量工况下扬程和效率较高,最高效率可提高5.3％.参考离心泵叶片表面BVF峰值较大,而设计离心泵叶片表面BVF分布更均匀,变化也更平坦,说明设计离心泵叶轮能更有效地抑制流动分离等不良流动的发生,改善了离心泵的水力性能.     

轴流泵马鞍区内流特性分析

为了分析轴流泵在马鞍区工况的内部流动特性,对比转速为822轴流泵的内流场进行数值模拟和分析,并对外特性进行试验测试。研究结果表明:扬程模拟值与实验值误差均在1%以内,效率模拟值与实验值误差均在2%以内;0.6Q_(BEP)工况叶片压力面静压力分布不均匀,较最优工况从叶片进口到出口静压力的压力梯度明显增大,在吸力面出现了较大面积的低压区,0.55Q_(BEP)工况叶片压力面靠近轮缘的高压区较0.6Q_(BEP)工况时明显增大,吸力面从叶片进口到出口静压力逐渐增大;最优工况下叶片压力面和吸力面涡量螺旋度Hn分布较均匀,马鞍区内叶片吸力面和压力面存在明显的旋涡集中区;马鞍区内叶轮进口靠近前缘侧出现回流,叶轮出口靠近轮毂处产生明显旋涡。     

离心泵内双龙卷风式分离涡数值分析

为探究弯管式离心泵的内流不稳定特性,基于雷诺时均模型和旋涡判别Q准则,对离心泵设计工况下的旋涡流动进行仿真研究。基于数值计算结果,获得了叶片吸力面的拓扑结构,捕捉到驻扎于叶片上的驻脚和游离于叶轮上游的低压泡,两者共同构成了双龙卷风式分离涡。导出其基本形成机理:吸入室中的弯管流动和消旋板绕流构成了进口畸变流,包含反向涡对和低压回流。畸变流迫使进口冲角增大,吸力面发生流动分离并伴有旋涡脱落,脱落涡在回流作用下向叶轮上游运动,逐渐发展成为独立的集中分离涡,连接叶轮上游壁面与叶片吸力面。嵌入完全空化模型,证实设计工况下龙卷风式分离涡存在涡生空化特性,可能增加离心泵运行噪声。     

余热排出泵叶轮内空化流动特性的数值分析

为研究余热排出泵叶轮内空化流动特性,基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型和剪切应力运输SST k-ω湍流模型,对余热排出泵水力样机叶轮内空化流动进行数值计算.根据计算结果获得了余热排出泵水力样机空化性能、设计流量工况不同装置空化余量条件下叶轮内空泡分布规律及其叶片表面载荷分布.研究结果表明:设计流量工况下,叶轮内空泡随着装置空化余量的降低逐渐呈不对称性分布,当装置空化余量低至2.63 m时,个别流道发生了堵塞.叶轮不同切面上的空泡分布不一样,切面越靠近后盖板,叶片吸力面上空化区面积越大,扬程发生突降之前,泵叶轮内空化表现为准静态空穴的特征.由于主流方向在叶轮进口处发生了急剧变化,使得叶片压力面靠近叶片进口边处上叶片载荷出现了先突然增大然后又迅速降低的变化规律.     

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。     

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。     

多相混输泵叶轮不同区域增压性能

为了改善多相混输泵叶轮域的增压性能,提高混输泵叶轮的做功能力,选用标准的k-ε湍流模型,分别在纯水条件不同流量下和设计流量不同含气率下进行了数值计算,对多相混输泵叶轮不同区域的增压性能展开了研究.结果表明：从叶轮进口到出口,各级叶轮叶片工作面和吸力面压差大的区域主要集中在叶轮的前半段,且在叶轮前半段,越靠近轮缘,叶轮的增压性能越强,越靠近轮毂,叶轮的增压性能越弱,在叶轮后半段,越靠近轮缘,叶轮的增压性能越差,越靠近轮毂,叶轮的增压性能越强;在不同流量下,随着流量的增大,叶片工作面和吸力面的压差逐渐减小,流量对叶轮前半段叶轮叶片工作面和吸力面压差的影响先增大后减小,流量对叶轮后半段叶轮叶片工作面和吸力面压差的影响逐渐减小;在不同含气率下,含气率越高,对混输泵叶轮的增压性能影响越大,且随着含气率的升高,叶片工作面和吸力面压差下降越快.研究结果对多相混输泵叶轮的进一步优化设计提供重要的理论依据.     

气液两相条件下离心泵内部流态及受力分析

为研究离心泵在气液两相条件下叶轮内部流态及受力情况,选取一比转数n_s=129的离心泵为研究对象,基于CFX软件提供的Eulerian-Eulerian非均相流模型对泵内部流场进行三维瞬态数值模拟,得到不同初始气相体积分数下叶轮流道内气相体积分数分布及叶片载荷等物理量变化规律,并将数值模拟结果与试验结果进行对比验证.结果表明:叶轮内气体主要集中分布在叶片吸力面区域,出口处则集中分布在流道中间区域,叶轮前盖板区域气相体积分数大于后盖板区域;当初始气相体积分数逐渐增大时,叶轮流道内流动紊乱,气液两相流动的不均匀性加剧,旋涡区域增大;随着初始气相体积分数的增大,叶片进口到靠近出口位置,叶片压力面所受压力载荷相对于吸力面减小的更快,而在出口位置附近叶片吸力面压力载荷减小的更快,叶轮径向力的不平衡性加剧,叶轮所受转矩减小.数值计算结果与试验结果在趋势上趋于一致.     

卧式轴流泵空化特性的数值分析

轴流泵内部的空化现象是影响叶轮能量转换,导致轴流泵扬程、效率等性能下降的重要原因.为了研究轴流泵内部的空化现象,以轴流泵TZX-700为研究对象,该型号轴流泵相较于一般的轴流泵无后置导叶.为了验证数值计算结果的准确性,对该卧式轴流泵分别进行了试验研究和数值模拟,试验曲线和数值计算曲线基本吻合.在设计工况和小流量工况下进行全流道数值模拟,对其空化特性曲线、叶片吸力面和压力面的静压分布以及空化体积分数分布进行分析.结果表明:当进口压力为101.325 kPa时,在叶片的吸力面就已经发生空化;在叶片压力面,当有效空化余量NPSH_a下降到临界空化余量NPSH_cr=7.79 m时,靠近进口边的叶顶处开始产生少量的空泡;随着NPSH_a的下降,叶片表面的空化区域进一步增加,对叶轮内的流场产生明显的影响,导致扬程急剧下降;在同一轴流泵进口压力下,小流量工况下叶片表面的空化区域相较于设计流量工况进一步扩大,由靠近轮缘的进口边向出口边和叶根处发展,空化现象更为严重.     

离心泵作透平多工况内流与能量转换特性

为揭示不同流量下离心泵作透平的能量转换特性,基于1台比转数为90的单级悬臂式离心泵,在透平工况下对其进行数值模拟,并结合试验验证了数值模拟的准确性.结果表明:叶轮是透平内水力损失的主要部件,叶轮内水力损失占比随流量的增大呈现出先减小后增大的变化趋势.设计工况(Q=80m³/h)下,蜗壳、叶轮、腔体的水力损失占比分别为33.0%,35.1%,22.3%.通过对内流场中的流线分布和叶片进口速度三角形进行分析,揭示了不同工况下透平内流特性与水力损失之间的关系.设计工况下叶轮内流动均匀,无明显旋涡存在,在小流量工况下叶轮进口端面存在回流现象,旋涡出现在大流量工况叶片的吸力面.最后,采用拟涡能系数从能量的角度分析了不同工况内部流动的损失情况,进一步揭示了透平的能量转换机理.研究结果可为离心泵作透平的高效设计及实际现场运行调控提供参考.     

基于CFD的汽车水泵优化设计

以时均Navier-Stokes方程作为基本控制方程,对某款WP7柴油机冷却水泵的原模型进行优化设计,并采用CFX提供的标准k-ε双方程湍流模型及多相流模型进行全流场数值计算．为了提高数值计算的精度,采用结构化网格处理技术进行六面体网格划分．对比分析原模型泵及优化模型泵的压力分布、湍动能分布、气泡体积分数分布、外特性及汽蚀性能,结果表明:优化模型泵的叶轮叶片进口处的湍动能及气泡体积分数明显低于原模型泵;优化模型泵的外特性及汽蚀性能也优于原模型泵;在泵的其他几何参数保持不变情况下,叶轮叶片进口前伸并增加一定的斜度,不仅能够减少叶片进口处的冲击损失,提高泵的外特性,使计算扬程提高约316 m,还可以极大地改善叶片进口处液体的流动,改善泵的汽蚀性能,使临界汽蚀余量降低约110 m;通过对比模型泵的试验值与模拟值,发现两者之间存在一定的误差,但整体变化趋势一致．     

双向流道轴流泵装置的飞逸特性

为研究双向流道轴流泵装置的飞逸特性,以引江济淮枞阳站泵装置模型为研究对象,基于RANS方程和RNG k-ε模型,应用CFX软件对双向轴流泵装置全流道进行了非定常数值模拟,获得了不同扬程下的流量值及飞逸转速值,计算得到了单位飞逸转速.通过数值计算结果与试验结果相比较,验证了数值计算方法的正确性.结果表明:单位飞逸转速随着叶片安放角的增大而逐渐减小;水流通过泵段后流动变得不稳定,在出水流道中产生大量旋涡;叶轮进口处压力脉动主频为叶轮转频的叶片倍数,压力脉动幅值从轮毂到轮缘逐渐增大;叶片吸力面中部压力分布较不规律,叶片压力面头部及吸力面尾部存在高压区,且面积随飞逸扬程增加而变大;叶片尾部流速较大,边缘存在流动分离现象,而头部存在低速区域,扬程增大后低速区面积增大,流场更加不稳定.研究结果可为泵装置的设计优化及安全管理提供一定参考.     

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.     

双蜗壳离心泵空化流动对隔舌处压力脉动特性的影响

应用数值计算方法分析了双蜗壳离心泵内空化流动影响隔舌部位压力脉动特性情况,以进一步明晰空化流动诱导泵振动噪声机理.采用SST k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对设计工况下的泵内空化流动和无空化流动进行了非定常数值模拟,数值模拟结果表明:SST k-ω湍流模型能准确预测双蜗壳离心泵的能量特性指标;泵内空化的空泡初始产生于叶轮叶片进口吸力面根部,随着装置空化余量的降低,空泡云沿着叶轮叶片吸力面向叶片出口和前盖板方向发展,叶轮内部空泡的发展并不均匀,加剧了叶轮内部流动的不稳定性.对比叶轮旋转一周在空化和无空化流动状态下发现,2个隔舌处各个监测点的压力脉动具有明显周期性,在无空化状态下,隔板进口处监测点的压力脉动主频为2倍叶频,其他监测点压力脉动主频均为叶频;空化状态下2个隔舌处各个监测点的压力脉动主频均为叶频,压力脉动幅值明显增大.     

潜水轴流泵内部固液两相流动的数值模拟

为分析潜水轴流泵流道内部固液两相流动特征,采用Mixture多相流模型,RNG k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,应用Fluent软件对一污水处理厂用潜水轴流泵中固液两相流动进行了数值计算.并与清水单相流数值计算结果进行了对比,揭示了不同颗粒固相体积分布和颗粒直径条件下潜水轴流泵流道内的固液两相流动规律.结果表明：在叶轮流道内,固体颗粒主要分布于叶轮压力面上,而在叶轮吸力面的分布较少;在叶片压力面上,固体颗粒主要集中于叶片进口处和靠近轮毂处;当颗粒固相体积分布不变时,随着粒径的增大,会出现颗粒由压力面向背面迁移的趋势,而在背面会向出口处迁移;当粒径不变时,随着颗粒固相体积分布的增大,在叶片压力面上颗粒逐渐向进口和轮毂处靠拢,而在叶片吸力面上颗粒不断向着出口及靠近轮毂处迁移.     

轴流泵叶轮的三维多参数设计及试验

为解决南水北调某泵站改造工程中轴流泵的设计问题,利用BladeGen软件进行了轴流泵叶轮的三维多参数设计,建立了轴流泵全流道模型并进行结构化网格划分、数值模拟和试验验证,分析了不同叶轮参数对轴流泵外特性的影响,并对影响较大的参数即翼型中心线角度方程的3种方案进行了叶片压力和流速分布对比分析及空化性能分析.计算结果表明:通过对比,最终确定叶轮选取方案6,即轮毂比为0.40,叶片轮缘截面中心点处厚度为10 mm,叶片翼型B;该轴流泵在设计流量工况下,扬程为4.90 m,装置效率为79.76%,叶轮效率为92.19%,符合设计要求,且与试验结果基本一致;利用BladeGen软件可对轴流泵叶轮进行较为精确的三维化设计,可减小原始叶轮设计及优化过程中反复建模的工作量,提高了轴流泵叶轮优化的效率.     

反应堆冷却剂模型泵空化性能数值模拟与试验

为研究CAP1400核主泵事故工况下的空化性能,采用标准k-ε模型和 Mixture模型,开展了CAP1400核主泵1∶2.5模型泵的整机空化数值模拟.分析了模型泵空化初生时的空化特性和不同空化余量下叶轮内空化发展规律,以及叶片中间流线上的载荷特性,并采用砂铸叶轮、精铸铝制叶轮与砂铸导叶结合开展了模型泵性能的试验研究,结果表明：蜗壳与叶轮的相对位置对叶轮内空泡体积分布具有一定的影响,靠近蜗壳出口的叶片吸力面空化更加严重,空化的排挤效应改变了叶片进口附近的液流角并导致压力面前缘出现空化;空化对叶片载荷影响较大,发生空化后叶片载荷在沿流线吸力面空泡结束的位置附近会出现极大值,且叶轮内空化区域的不均匀分布加大了不同叶片之间的载荷差异,靠近蜗壳出口的叶片沿流线压力载荷的极大值最大;叶轮的制造精度对泵的空化性能有较大影响.     

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.     

对旋轴流式喷水推进泵空化流动数值模拟

基于ANSYS CFX软件,利用Rayleigh-Plesset空化模型和SST湍流模型,在设计工况下,分别对首、次级叶轮单独以及对旋轴流式喷水推进泵整体进行了空化定常模拟,得到了各自的空化特性曲线.选择空化开始发生、临界空化点以及空化严重时3个工况比较分析首、次级叶轮内空化流动的发展情况.计算获得了不同净正吸头下叶片工作面、背面静压、背面空泡体积组分分布.计算结果表明,空化最初发生在首级叶轮叶片背面进口靠近轮缘的局部低压区,随着NPSH的减小,该空泡区域从轮缘向轮毂方向延伸.首、次级叶轮空化发展不同步,由于次级叶轮处于首级叶轮的预压下,首级叶轮发生空化时,次级叶轮并没有发生空化.计算结果从理论上较好地揭示了对旋轴流式推进泵空化性能的特点及其内部空化流动的特征.