流固耦合作用对双向流道泵装置流场影响

双向流道轴流泵装置由叶轮,导叶,双向进出水流道组成。双向进水流道由于其形状特征容易在叶轮进口端产生不稳定态,导致叶轮振动,而叶轮振动反过来又会影响泵装置的内部流动。为了研究流固耦合作用对双向流道轴流泵装置内部流场的影响,以双向流道轴流泵装置为研究对象,采用双向同步求解的方法对轴流泵内流场和叶轮结构响应进行联合求解。结构计算基于弹性体结构动力学方程;流场模拟基于Reynolds时均化N-S方程和SST湍流模型。在考虑双向进出水流道的情况下,将流固耦合计算前后所得轴流泵内部流场分布与叶轮表面压力分布进行对比分析。研究结果表明,考虑流固耦合作用后,进水流道出口处压力波动强度增大,涡量强度增大;叶轮工作面速度增大,导叶附近的漩涡位置发生变化;叶轮工作面与背面压力差减小,叶轮做功效率下降,轴流泵装置扬程下降。     

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.     

前置导叶对轴流泵马鞍区工况回流涡特性的影响

基于RANS方程和SST k-ω湍流模型,对带前置导叶轴流泵进行三维非定常计算,研究了"马鞍区"工况进水流道回流涡的特性以及前置导叶对回流涡结构及压力脉动的影响,揭示了前置导叶提高轴流泵"马鞍区"工况扬程的机理。结果表明,小流量工况,轴流泵进水流道内形成大范围螺旋形回流,其与主流的剪切作用导致回流涡的产生,引起大量低频压力脉动,并造成能量损失,致使泵扬程下降,出现马鞍形;增设前置导叶可打破连续的回流涡,降低低频压力脉动幅值,提高轴流泵运行稳定性;同时,前置导叶可提高轴流泵扬程,消除扬程曲线马鞍形,且随着前置导叶位置不断靠近叶轮进口,泵扬程提高幅值不断增大;最后,前置导叶调角可进一步提高轴流泵扬程。     

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.     

基于双向流固耦合的混流泵叶轮力学特性研究

基于双向同步求解方法对混流泵内流场和叶轮结构响应进行联合求解,研究流固耦合作用下混流泵叶轮转子的力学特性。流场计算采用雷诺时均方法和标准k-ε湍流模型,结构响应采用弹性体结构动力学方程。通过对比分析流固耦合前后流道内不同位置压力监测点的压力脉动、外特性变化,研究流固耦合作用对混流泵流场的影响,并基于双向流固耦合分析了叶轮叶片的变形与动应力分布。研究结果表明,流固耦合作用对导叶出口处压力脉动幅值影响较大,耦合后扬程和功率波动幅值有所增加,而效率有所下降。考虑流固耦合作用,叶片最大变形发生在叶片出口边背面靠近轮缘处,最大变形量约为0.062 7 mm;最大等效应力发生在叶片背面靠近轮毂出口边附近,最大等效应力约19.85 MPa;采样点耦合动应力呈现周期性变化,轮缘与轮毂上动应力幅值相差3个数量级,轮毂处相比其他位置更易发生疲劳破坏。研究结果为混流泵叶片的结构设计和可靠性分析提供了参考依据。     

立式轴流泵装置进口导水锥支架对马鞍区性能影响研究

【目的】研究进口导水锥支架对"马鞍区"和设计流量工况下立式轴流泵装置水力性能以及水泵内部流场的影响。【方法】基于RANS方程和SST k-ω湍流模型进行三维计算,选择立式轴流泵装置进行有无进口导水锥支架方案的对比分析,通过模型试验验证了数值计算的可靠性。【结果】小流量工况下,无进口导水锥支架方案立式轴流泵装置进水流道出口出现流动回流,形成大范围回流漩涡,造成进水流道堵塞,引起大量低频压力脉动,并产生能量损失,致使扬程突降,出现马鞍区。有进口导水锥支架方案可以有效抑制回流漩涡的范围和强度,降低低频压力脉动,提高泵装置稳定性。马鞍区最低点扬程上升5.5%,明显消除马鞍形。设计流量工况,进口导水锥支架的设置增加了叶片做功能力,抵消了支架的部分水力损失,使得扬程下降较小,约1.3%,内流场较为均匀。【结论】进口导水锥支架在工程应用中具备改善立式轴流泵装置马鞍区的巨大潜力。     

进口流场对虹吸式出水流道的性能影响

采用数值模拟方法,把轴流泵后导叶的出口流场作为虹吸式出水流道的进口流场,研究对其水力特性的影响。计算结果表明,导叶出口流速和压力分布不均匀,存在横向流速和剩余环量,使虹吸式出水流道水力特性变差,下降段和出口段的回流区增大,驼峰断面和出口断面轴向流速分布均匀度显著下降,水力损失增加。轴流泵后导叶出口流场影响虹吸式出水流道两侧的流量分配,右侧流量恒大于左侧流量,而右侧的水力损失却小于左侧的水力损失,但两者都比无旋、轴向进水条件下的流道水头损失大得多,流量和水头损失的关系并不符合二次抛物线变化规律。     

流固耦合作用对离心泵内部流场影响的数值计算

采用双向同步求解的方法对离心泵内流场和叶轮结构响应进行联合求解,研究了叶轮流固耦合作用对离心泵内部流场的影响.流场模拟基于Reynolds时均化N-S方程和标准k-ε两方程湍流模型,采用多重坐标系法;结构响应基于弹性体结构动力学方程.并将计算所得的流道网格变形、流场静压和速度的分布以及径向力等结果与非流固耦合计算的流场进行对比分析.分析结果表明,流固耦合作用使得流体和固体区域计算网格发生微小变形,这不仅会改变流体对固体载荷的分布,而且会影响结构对流体的做功作用,从而影响流场的分布;叶片相对隔舌不同位置时,叶轮出口处和蜗壳流道内流场的静压分布变化趋势不同;流场速度变化主要出现在叶片和叶轮出口附近;各时间点上径向力的大小和方向变化较明显.     

导叶出口安放角对双向轴流泵水力性能影响研究

随着湿地生态保护治理过程中对双向轴流泵的需求日益增加，开发设计双向轴流泵已然成为重要课题，为了探究导叶出口安放角对轴流泵双向运行性能的影响，以一台比转速为903的轴流泵为研究对象，利用ANSYS CFX软件的标准k-ε湍流模型对5种不同导叶出口安放角的双向轴流泵进行定常和非定常数值模拟，研究分析了导叶出口安放角对轴流泵双向运行的外特性、水力损失、内部流场、压力脉动的影响。结果表明：正向运行设计工况下，减小导叶出口安放角，可减小导叶部分水力损失，并且减小导叶吸力面低压区面积，因脱流产生的能量损失也随之减小，轴流泵效率明显增大；设计工况反向运行时，随着导叶出口安放角的减小，导叶回收能量的能力也随之减小，导叶部分水力损失增加，并且轴流泵效率降低。改变导叶出口安放角度，可对正向运行时轴流泵内压力脉动产生一定影响。适当增加正向运行时导叶出口安放角均能在一定程度上减小轴流泵内压力脉动幅值，改善能量损失；导叶出口安放角对双向轴流泵反向运行时的压力脉动幅值大小无明显影响。因本次研究的轴流泵为双向运行，结合正反两向效率变化相反的情况，考虑该轴流泵在双向运行时均有较高效率的运行范围，所以取导叶出口安放角为...     

轴流泵装置虹吸式出水流道内流机理数值分析

为研究轴流泵对虹吸式出水流道内部流动特性的影响机理,采用CFD(Computational fluid dynamic)方法对虹吸式轴流泵装置进行全流道的数值计算,在考虑了轴流泵与虹吸式出水流道内流相互影响的条件下定性地分析了虹吸式出水流道的流场特征,定量地研究了导叶体出口剩余环量和流量对虹吸式出水流道水力损失的影响,给出了相应的数学关系模型,并将泵装置性能预测结果与模型试验结果进行了对比。结果表明:受导叶体出口剩余环量和流量的双重作用虹吸式出水流道内部流态差异较大,虹吸式出水流道的水力损失主要集中于驼峰断面前的过流通道。各工况时虹吸式出水流道驼峰断面的速度加权平均角的均值为52.34°,不同工况时速度加权平均角变化范围仅在0.1°~2.3°之间。随流量系数的增大,驼峰断面的轴向速度分布均匀度逐渐增大,导叶体出口剩余环量则先减小后增大,在高效工况范围内导叶体出口剩余环量存在最小值。导叶体出口剩余环量通过影响虹吸式出水流道内部流态而对出水流道水力损失产生影响,虹吸式出水流道的水力损失与流量未呈二次方关系。     

基于流固耦合的双向流道轴流泵装置振动特性研究

双向流道轴流泵装置广泛应用于农田灌溉以及抗洪排涝领域。双向进水流道由于形状特征容易导致叶轮产生振动,严重时叶轮叶片甚至会产生裂纹,影响泵装置的安全运行。故采用双向同步求解的方法,在考虑双向进出水流道的情况下,对轴流泵内流场和叶轮结构响应进行联合求解,分析叶轮表面的应力及变形分布,可以为叶轮进行结构改进提供理论指导。计算结果表明,轴向力随叶轮旋转产生周期性变化,叶轮最大等效应力主要分布在靠近轮毂处,最大变形量主要分布在叶轮前缘与轮缘夹角处。当流量增大时,叶轮最大等效应力与最大变形量逐渐减小。在此基础上,研究了位于叶轮前缘与叶轮后缘上的4个特征点所受等效应力的情况,通过对比发现,叶轮前缘所受等效应力远大于叶轮后缘。     

灌排双向立式泵装置内部水流压力脉动特性

通过物理模型试验方法研究灌排双向立式轴流泵装置内部压力脉动特性.在进水流道前端、导叶体出口和出水流道后端壁面上布置3个压力脉动测点.在额定转速为1 450 r/min时,对5个不同叶片安放角度下能量试验的压力脉动、叶片安放角为-4°时不同特征工况点空化试验的压力脉动,以及3种不同转速的压力脉动等进行了测试和分析.测试结果表明：进水流道前端、出水流道后端和导叶体出口处的最大压力脉动相对幅值分别为0.22,1.10和1.20.在不同叶片安放角度时,进水流道前端和出水流道后端的压力脉动相对幅值随流量的增大而增大;而导叶体出口处的压力脉动相对幅值随流量的增大,先减小后增大,其最小值出现在最优工况点对应的区域.在空化试验情况下,当泵装置进口压力降低至某一值后,导叶体出口处的压力脉动相对幅值开始增大.不同转速时,各测点的压力脉动相对幅值随扬程的变化趋势相同.在相同扬程时,进水流道前端和出水流道后端的压力脉动相对幅值随转速的增大而增大,然而未发现导叶体出口处的压力脉动相对幅值与转速的变化有明显的规律.     

前置导叶可调式轴流泵低频压力脉动特性研究

基于RANS方程和SST k-ω湍流模型,对前置导叶可调式轴流泵进行三维非定常计算,研究了前置导叶调节对轴流泵外特性和压力脉动的影响,揭示了小流量工况泵内低频压力脉动随前置导叶调节变化机理。结果表明:前置导叶负角度时,轴流泵扬程升高,效率在小流量工况基本保持不变,大流量工况略有升高;前置导叶正角度时,轴流泵扬程和效率均下降,且大流量工况效率下降幅度较大;小流量工况泵后置导叶内的涡旋引起低频压力脉动,且低频压力脉动频率与涡脱落频率一致;偏离设计工况时,前置导叶调节可减小叶轮进口流动冲角,改善泵内流态,从而降低低频压力脉动幅值。     

轴流泵内部流场压力脉动性能预测与试验

基于雷诺时均控制方程和标准k-ε湍流模型,应用SIMPLEC算法,对轴流泵全流场进行三维非定常数值模拟,得到轴流泵在不同工况和不同导叶数内部流场的压力脉动特性.数值分析与试验结果表明:轴流泵内最大压力脉动发生在叶轮进口处;在偏离设计工况点较大的流量时,压力脉动幅值明显增大;导叶数减少会增大导叶出口处的压力脉动;脉动频率受叶轮转动频率控制,导叶数对压力脉动频率基本无影响.     

导叶叶片数及导叶相对位置对低扬程轴流泵装置性能的影响

为研究导叶叶片数及导叶相对位置对轴流泵装置性能的影响,设计了3个不同导叶数方案和4个不同导叶相对位置方案,采用计算流体动力学软件分别对每个模型在0.8Q_d~1.2Q_d之间的5个工况进行计算.根据数值计算结果,选择最优模型,即导叶数为5,叶轮出口距导叶距离为0.086D的泵装置模型进行能量特性试验,并将试验结果与数值计算结果进行对比分析.结果表明:当轴流泵叶轮叶片数一定时,增加导叶数,将使导叶水力损失增大,出水流道水力损失增大,泵装置效率将下降;当叶轮叶片数和导叶数一定时,叶轮出口至导叶进口距离过大或过小时,将使导叶水力损失增大,导叶出口速度环量减小,出水流道水力损失增大,泵装置效率将下降;试验结果与数值计算结果的误差在4%以内,验证了数值计算的可靠性、准确性.研究结果可为泵装置的导叶水力设计和效率提高提供一定参考.     

竖井贯流泵装置水力特性的数模分析

为了探讨水泵与进出水流道水力耦合所诱发的水泵装置水力特性畸变,选择了典型竖井贯流泵装置作为研究对象,采用雷诺时均的纳维-斯托克斯方程(RANS)和标准k-ε湍流模型,首先数值模拟整体水泵装置的能量特性,并与模型试验结果进行比较。计算结果表明,在水泵装置运行净扬程0~1.22 m范围内,相同净扬程下的流量相对偏差小于3.53%,验证了三维建模、网格剖分和数值模拟方法的合理性。在此基础上,数模研究了不同工况下水泵与进出流道水力耦合与非耦合时的竖井贯流泵装置水力特性。研究结果表明:(1)耦合与非耦合时的进、出水流道水力损失变化规律差异显著;(2)小流量工况,水泵进口存在较大的速度环量诱导进水流道水流旋转,导致进水流道水力损失曲线畸变,水泵进口入流条件变差,并与水泵马鞍区显著关联,但大流量工况时耦合与非耦合特性差异较小;(3)水泵出口存在速度环量,导致出水流道水力损失曲线畸变,出水流道内存在螺旋流动,但随流量增大而减弱,水泵出口断面涡角随流量增大而增大。     

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.     

轴流泵装置运行工况对肘形进水流道水力性能的影响

为研究肘形进水流道的水力性能与泵装置运行工况的定量关系,采用CFD(Computational fluid dynamic)方法对轴流泵装置进行全流道的数值计算,在考虑了轴流泵与肘形进水流道内流相干条件下定量地分析了肘形进水流道水力特性各参数与泵装置运行工况的关系,并给出了相应的数学模型,对比了物理模型试验与数值预测结果的差异性。结果表明:在高效工况范围内,流道出口流场水流稳定性及均匀性均较好;在大流量工况时,流道出口流场水流稳定性及均匀性较差。流道出口流场的偏流角受泵装置运行工况的影响较小,极差为0.91°。肘形进水流道均化效率为99.215%,流道断面的均匀性主要受弯肘段几何边界条件的约束,在弯肘段时压能与动能的转换率较高,对于肘形进水流道结构尺寸设计及优化的关键在于弯肘段。     

不同导叶参数对箱涵式轴流泵装置水力性能的影响

为了研究不同导叶参数对箱涵式轴流泵装置水力性能的影响,采用正交设计的方法,选取导叶叶片数、相对位置及扫掠角作为设计因素,每个因素选取3个水平进行组合,应用数值模拟方法研究3个因素对泵装置效率、出水流道轴向均匀度、导叶体水力损失及出口处平均涡角的影响规律,最终综合确定最优的设计方案.研究结果表明:如果只改变导叶的参数,导叶叶片数对导叶出口处的平均涡角和出水流道轴向均匀度影响较大;导叶相对位置在对泵装置的效率和导叶体水力损失影响中占主导地位;随着导叶扫掠角增大,泵装置效率、出水流道轴向均匀度、导叶体水力损失先增大后减小,平均涡角影响较小;对比数值计算和模型试验的结果,在设计工况附近效率基本吻合,扬程在误差允许范围内.研究结果可为箱涵式轴流泵装置优化设计提供一定的理论依据.     

立式轴流泵装置进水流道出口流态与脉动试验分析

进水流道出口流态是影响立式轴流泵装置运行稳定性的关键因素之一,基于立式轴流泵装置整体物理模型,采用在肘形进水流道出口段壁面布置丝状红线和压力脉动传感器,研究分析了不同转速时立式轴流泵装置肘形进水流道出口段的流态及压力脉动变化规律。结果表明,当流量小于0.7Qbep时肘形进水流道出口段内壁面的丝线偏移方向与叶轮旋转方向相同,各测点的脉动幅值均随转速的增加而增加;当流量大于0.7Qbep时肘形进水流道出口段内壁面的丝线偏移方向与泵轴方向相同,各测点的脉动幅值随转速的增加而减小。相同转速时,各测点的脉动幅值随流量的增大先减小后增大,在最优工况时脉动幅值最小。不同转速下,流道出口各测点的脉动主频均为4倍转频,最优工况时各测点的脉动次主频均为1倍转频。随转速增加,肘形进水流道出口段各测点主频幅值的增幅存在差异性,小流量工况时各测点的脉动主频幅值增幅小于最优工况和大流量工况。