轴流泵叶轮区域空化特性数值模拟

为了研究轴流泵内部叶轮区域空化特性,该文基于ANSYSCFX软件,分别应用Standardκ-ε,RNGκ-ε,κ-ω和SSTκ-ω湍流模型、均质多相流模型,对比转数ns=1033轴流泵在不同工况下进行全流道数值计算,将模拟值与试验结果进行对比分析,验证不同湍流模型及多相流模型的适应性并探究叶轮区域的空化特性。结果表明:在设计工况下,基于κ-ω湍流模型较其他3种湍流模型计算准确,临界汽蚀余量NPSHc计算值与试验结果误差为6.32%,可以较好反映轴流泵内部空化特性。随着有效汽蚀余量NPSH值的减小,空化首先在叶片背面进口靠近轮缘处发生,然后沿着主流方向往叶片中部发展直至充满整个流道,在临界汽蚀余量工况下,叶片中部区域空化面积较大,空化较严重时,叶片背面流线在叶片后部较紊乱,在靠近轮毂处形成漩涡微团,并向轮缘处移动,同时引起叶轮出口截面处轴面速度分布不均匀,增加了叶轮区域流场的紊乱性,揭示了叶轮区域内部空化流动特性。     

旋流泵含气混输数值计算及涡室流场探针测量

为探索旋流泵内部流场及气液两相流混输特性,该文通过32WB8-12型旋流泵外特性试验和泵最优工况流场五孔探针测量,得出泵性能曲线和5个测点静压ps、绝对速度v、圆周速度vu、径向速度vr和轴向速度vz分布情况。针对N-S方程中四项力在气液两相流动中的具体表现特性进行力学分析,说明了泵内部两相流动特点及关联因素之间约束关系。阐明了旋流泵含气混输抽吸和扬程形成的基本原理,及空化和气液两相流混输的不同特点。选择性能试验最优工况,基于改进重组化群k-ε湍流模型(RNG k-ε模型),应用Fluent软件对泵内部流场进行数值模拟,得到了3个轴面静压、速度矢量和含气率分布图。证明泵进口轴向运动为主流,气体主要集中在压力较低的进口区域。气相的引入,其微团与液相尺寸、形状及弹性模量的不同,造成两相流场惯性力、摩擦力和浮力发生变化,由此解释了外特性变化及气液抽吸与内部流动之间定性的因果关系。探讨了旋流泵内部气液两相流动速度场和过流通道发生畸变的基本原理,为建立旋流泵内部气液及空化流动模型提供实例。     

吸粮机三级离心风机内部流场的数值模拟

为了较好地捕捉多级离心风机内部流动特征,该文以吸粮机使用的三级离心风机为研究对象,应用FLUENT6.3软件对其内部流场进行了整机三维稳态可压缩计算。计算过程中综合考虑了准确性和经济性,以Pro/E系统建立了风机的全流道模型,利用动参考系（moving reference frame,MRF）模型实现了叶轮间流动参数的实时传递,用重整化群（renormalization group, RNG）κ-ε湍流模型、一阶迎风空间离散格式、Roe-FDS（flux difference splitting）通量差分方法实现了该三级离心风机整机的可压缩计算。根据计算结果,得到了风机内部主要区域的压力与速度分布图,通过分析发现风机内部各级叶轮间气体流动速度基本不变,静压力和总压力逐级上升,第1级和第2级叶轮内的流场分布呈对称性,而第3级叶轮内的流场分布呈非对称性。通过对蜗壳内部流场的分析发现了此风机内部流场在蜗壳小端流动不顺畅的设计缺陷,并给出了蜗壳结构的改进意见,为进一步提高风机效率提供了参考。     

旋流泵性能及内部流场试验分析

为了研究旋流泵性能及内部流场特性,在32WB8-12型样泵型式试验和5孔球形探针无叶腔流场测量基础上,阐明旋流泵抽吸及扬程和汽蚀形成原理,得出流量-汽蚀余量性能曲线为下降抛物线形;基于重组化群k-ε湍流模型对模型泵内部三维流动进行数值计算;通过流场测试与数值模拟对比分析,证明数值计算达到一定程度逼真性和精确度。结果表明,旋流泵内部流动主要由贯通流等组成;叶轮区域呈强制涡特征,存在相对轴向旋涡运动;无叶腔区域类似于组合涡,存在回流、循环流和自由涡运动,呈非轴对称、非定常流动,紊乱程度相当高,这是造成旋流泵效率偏低的主要原因。     

双流道泵叶轮内湍流的数值模拟

对双流道泵叶轮内3维不可压湍流流动进行了数值模拟。计算采用了雷诺时均N-S方程和修正了的k-ε湍流模型,计算在体贴坐标系和交错网格中进行并采用了SIMPLE-C算法。计算结果首次揭示了双流道泵叶轮内湍流流动的速度分布、压力分布和湍动能分布规律。研究结果可以用来对双流道泵进行性能预测并为双流道泵的优化设计创造了条件     

旋流泵无叶腔内部流场数值模拟

简要介绍了旋流泵国内外的研究历史和现状。对型号为WQX20-16-2.2的旋流泵内部流道进行了三维造型,应用非结构化网格生成技术,首次把旋流泵无叶腔和叶轮作为一个整体,对其内部三维不可压湍流场进行数值模拟。采用工程实际中广泛应用的湍流模型即基于雷诺时均方程和 双方程湍流模型,用SIMPLE算法来求解,给出了旋流泵无叶腔内部速度和压力分布图,并对计算结果进行了分析和研究。结果表明了旋流泵无叶腔内部流动确实存在较强的纵向旋涡和轴向旋涡,不仅验证了前人提出的流动模型的正确性,而且为今后进一步改进和完善旋流泵设计理论提供了一定的依据。     

离心泵叶轮全流道非定常数值计算及粒子图像测速试验

为揭示离心泵叶轮旋转流道内的流动特性,设计了便于粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)的测试系统,并对离心泵进行了水力性能测试及叶轮全流道流场PIV测试,获得了不同工况下叶轮内的绝对速度和相对速度分布。基于标准k-ε湍流模型和滑移网格技术进行了非定常数值计算,并将数值计算结果与PIV实测结果进行了比较。结果表明,数值计算能够较为准确地预测离心泵的外特性,扬程误差最大仅为4.62%;PIV测量揭示了叶轮隔舌附近2个流道及其他流道的不同流动状态;数值计算得到的内部流动与PIV测试结果基本一致,在数值上仍存在一定的差异。研究结果为离心泵内部流动特性研究提供了借鉴。     

速度矩分布规律的参数化描述及对混流泵性能的影响

为提升设计水平、改进混流泵叶片速度矩分布规律的给定,该文通过理论分析,对速度矩分布规律进行参数化表述,选取无量纲速度矩沿流线分布曲线的相对系数a0与速度矩分布曲线在叶片出口处的导数值P作为速度矩分布参数。基于混流泵叶轮正反问题迭代法设计平台,给定不同速度矩分布参数组合设计了一系列混流泵叶轮。基于SIMPLEC算法,通过求解N-S方程和RNGk-ε湍流模型方程,对混流泵叶轮内部三维湍流流场进行了模拟,获得了相对速度与压力分布,并预估了水力效率。研究表明,速度矩分布参数直接影响着叶片包角与出口边位置,进而影响到叶轮内部相对速度与压力的分布以及流动的稳定性。合理选择速度矩分布参数,有利于增强叶片对于流体运动的控制能力,改善叶轮内部压力分布,使叶轮具有更为优越的水力特性。该文提出的速度矩分布规律参数化方法,为混流泵叶轮设计过程中速度矩分布规律的给定提供了有益的借鉴。     

不同叶顶间隙对斜流泵性能影响的数值分析

斜流泵具有高效,启动特性好,运行工况宽等特点。目前斜流泵设计时,无法定量评估叶顶间隙对性能影响的敏感性。为了揭示不同叶顶间隙值对斜流泵内部流场和性能的影响,给定叶顶间隙选取的范围。分别选取无叶顶间隙和叶顶间隙分别为0.5,1.0,1.5 mm共4种设计方案的斜流泵为对象,基于剪切压力传输模型(shear stress transport,SST k-ω)湍流模型,SIMPLEC算法与块结构化网格,对斜流泵内部流场进行数值模拟和试验验证。结果表明,叶顶间隙为0.5 mm时,可以有效抑制斜流泵的扬程-流量正斜率特性,此时斜流泵的效率值最高;无叶顶间隙时,斜流泵扬程-流量正斜率特性较为明显;叶顶间隙为1 mm时,数值模拟与试验结果吻合较好,SST k-ω模型可较好模拟斜流泵叶顶间隙区流动特征,性能预估结果具有一定的可信度。在小流量工况下,叶顶间隙为0.5 mm可有效抑制斜流泵的正斜率不稳定特性。小叶顶间隙0.5mm时,斜流泵水力性能最优;叶顶间隙增大时,叶顶泄漏流动逐渐显著,叶轮出口近壁区轴面流速和涡量分布规律显著变化,表明叶顶间隙直接影响叶轮轴面速度分布规律和叶片负荷分布规律,由于受壁面摩擦阻力和液体黏滞阻力的影响,叶轮轮毂和叶顶间隙侧的叶轮轴面速度较小;叶顶间隙增大时,叶轮轮毂和叶顶间隙侧叶片负荷急剧衰减,影响叶片的做功能力。同时,叶顶泄漏流动区域与叶片主流区域的掺混效应,使叶片轮缘的低速区扩展到叶轮流道内部的主流区域,引起叶轮流道内部主流流动的堵塞效应,产生二次流动、漩涡等流动不稳定现象。上述研究结果,揭示了叶顶间隙对斜流泵内部流场和性能的影响机理,为斜流泵叶顶间隙的选择提供了理论依据。     

偏置短叶片离心泵内三维流场数值模拟

改善离心泵的水力性能,提高效率是离心泵优化设计的重要研究内容.采用Fluent软件,基于Reynolds时均N-S方程和RNG K-ε湍流模型,对IS65-40-250型偏置短叶片离心泵进行三维流场数值模拟,分析了流体在离心泵内的速度和压力分布,揭示其内部的流动规律.研究表明:采用短叶片偏置设计方法,有利于提高离心泵内...     

半开式叶轮离心泵气液两相条件下内部流动特性分析

半开式叶轮离心泵输送气液两相流时,其性能经常随入流含气率（α）的增加而下降,主要由内部的气液两相不稳定流动造成。为解决传统欧拉双流体模型不能考虑气泡直径变化及气泡形变的问题,采用一种群体平衡模型（Musig模型）数值计算了某设计比转速为88.6的半开式叶轮离心泵在不同入流含气率下的内部流场,并进行了试验验证。研究结果表明：模型泵在1 000 r/min可输送液体的最大入流含气率为4.6%;α>3%以后,Musig模型由于能表征气泡形态及破碎与聚合过程等气液两相流演化规律,其外特性计算结果比欧拉-欧拉双流体模型准确,且与可视化试验流型测试结果较为吻合;α=4%时扬程系数和效率与试验结果的最大误差分别为1.6%和5%;随着入流含气率的增加,叶轮和蜗壳流道内逐步出现均匀泡状流、聚合泡状流、气穴流和分离流等流型分布,设计流量下α≤1%时以均匀泡状流为主,α=3%时以聚合泡状流为主,α=4%时以气穴流为主,α≥4.2%时出现分离流并逐渐堵塞流道;叶顶间隙是影响泵内气液两相流型分布的重要原因,叶轮流道中存在大尺度漩涡和出口回流现象,且随着含气率的增大越发明显,进而在高含气率区域引发较大的湍动能分布,加剧了泵内部的不稳定流动,最终导致α≥4.6%后的泵空转。该研究可为综合分析离心泵内部不稳定流动规律提供一定参考。     

导叶式混流泵多工况内部流场的PIV测量

为研究不同流量工况下混流泵内部流动特性,该文基于粒子图像测速技术(particle image velocimetry)对0.8、1.0、1.2倍流量工况下混流泵的内部流场进行试验研究,测量获得了混流泵叶轮进口轴截面、叶轮与导叶间隙和导叶内部流场的速度场分布,分析了流量变化对混流泵内部流动的影响。研究结果表明,外特性试验重复性较好,试验结果较为可靠。3个工况下混流泵叶轮进口流场的速度分布趋势基本一致,进口的来流基本沿着轴线方向;随着流量增加,叶轮进口速度不断增大,最大速度达到7.49 m/s,从轮毂到轮缘高速区域速度梯度更为明显,速度等值线分布逐渐形成以左上角为圆心,不断向周围递减的趋势。受动静干涉作用影响,叶轮与导叶间隙流场速度分布较为紊乱,在导叶进口边轮毂附近形成逆时针方向旋涡,诱使叶轮出口流体向外缘侧偏转;随着流量增加,逆向旋涡明显减小,内部流动更趋于平稳。动静干涉效应进一步影响导叶进口流场并形成明显的旋涡结构,造成流道堵塞;在导叶出口由于环形蜗室的影响形成大尺度旋涡结构;随着流量增大,导叶外缘高速区向下游移动,导叶进出口的旋涡结构逐渐消失,流动损失减小。研究成果为揭示混流泵内部流动特性和优化混流泵设计提供参考。     

叶轮中心淹没深度对特低扬程下立式泵装置流道水力性能的影响

为提高特低扬程泵站立式轴流泵装置的水力性能,该研究对叶轮直径为3.0、2.5、2.0、1.5 m的立式轴流泵装置在不同叶轮中心淹没深度下的进、出水流道流场分别进行了三维湍流流动数值计算,并对流道流场和水头损失进行了分析比较;对某特低扬程泵站在叶轮中心淹没深度为3.08、2.38、1.68 m下的立式轴流泵装置水力性能分别进行了数值计算及比较,并进行了泵装置模型试验验证。研究结果表明：叶轮中心淹没深度对肘形进水流道的水流流态及水头损失的影响很小,但对虹吸式出水流道的流态和水头损失影响较大;随着叶轮中心淹没深度的增大,虹吸式出水流道内的流态逐渐改善,流道水头损失基本呈下降趋势,泵装置效率逐渐增大,特低扬程工况下泵装置模型试验最优工况点的效率达75.92%,泵装置能量性能数值模拟结果与模型试验结果基本一致。研究结果可为特低扬程泵站采用立式泵装置的设计提供一定参考依据。     

高效低噪无过载离心泵多目标水力优化设计

为了整体提高离心泵水力设计水平,以叶频噪声声压级、扬程、效率和轴功率这4个指标作为判断标准,首次采用权矩阵方法借助数值模拟技术对离心泵叶轮进行了多目标优化设计。各指标的数值计算采用CFD/CA(computational fluid dynamics/computational acoustic,计算流体力学和计算声学)相结合的方法进行。基于L9(34)正交试验,深入研究了叶轮直径、叶片出口安放角、叶片出口宽度和进口安放角对离心泵扬程、效率、轴功率和流动噪声的影响规律,并根据权重分析获得了一组最佳几何参数组合。通过进行优化叶轮与原型叶轮的性能对比试验,发现该优化方案全部达标,设计流量下扬程提高2.5%,效率提高3.8%,轴功率下降3.3%,出口声压级降低1.2%,验证了权矩阵数值优化方法的可行性。粒子图像测速法内流场对比试验说明:优化方案无明显"射流-尾迹"流动结构的存在,其最大速度比原型泵小6.7%,低速区的面积比原型泵大,且由于减小了叶轮外径,叶轮和隔舌间的动静干涉作用也有所减弱;高效率低噪声离心泵叶轮设计的关键是选择合理的叶轮和隔舌间隙,以减弱叶轮出口的尾流脉动。该研究为实现高效、无过载、低噪声离心泵水力设计提供了参考。     

泵轮叶片削剪对液力变矩器性能的影响

削剪泵轮叶片是优化液力变矩器性能的一种手段。为了研究泵轮叶片削剪程度对液力变矩器性能的影响规律,该研究基于计算流体动力学,采用应力混合涡湍流模型（stress-blended eddy simulation,SBES）对液力变矩器内部流场进行仿真模拟,依托外特性试验验证仿真结果的准确性。通过Q准则涡识别方法,甄选合适阈值重构叶片削剪前后泵轮流道三维涡系结构,定性分析多尺度涡动力学特性,量化提取二维流场图谱信息,揭示流速场时空演化规律。结果表明：泵轮叶片设计流线从出口处经过10%、20%和30%的削剪后,液力变矩器的变矩比逐渐增大,由原型变矩器的1.77增大到叶片削剪30%的2.33,泵轮转矩系数降幅明显,由原型变矩器的5.51降低到叶片削剪30%的3.39,叶片削剪10%后变矩比增大4.34%,泵轮转矩系数降低10.73%,降幅明显;随着泵轮叶片削剪程度加剧,叶片对流体的推动作用减弱,流体动能减小,多尺度涡运动趋势衰减,流道中部涡结构特征改变,流道出口高能小尺度“脱落涡”现象减弱;泵轮流道出口流速随叶片削剪程度增大而减小,由原型变矩器的23 m/s降低到叶片削剪30%的19 m/s,泵轮进口流速几乎不变,因进出口流速的变化,泵轮转矩系数降低。研究结果可为液力变矩器叶片设计与性能优化提供指导性建议。     

离心泵作液力透平叶轮出口滑移系数的解析计算方法及验证

为了通过理论的方法准确预测液力透平的性能,该文分析了叶轮内部相对环流流动的特征,提出了3种计算离心泵反转作液力透平叶轮出口滑移系数的方法,得到了相应的叶轮出口滑移系数解析计算公式,然后采用10组离心泵反转作液力透平的试验数据对所提出的滑移系数计算公式进行验证,最后得出与试验结果较为吻合的解析公式。结果表明:当假设叶片工作面上的相对涡诱导速度与叶轮出口边上的相对涡诱导速度的比值等于叶片和涡心所张曲边三角形的面积与叶轮出口边和涡心所张曲边三角形的面积之比时,得到的液力透平叶轮出口滑移系数的计算公式最准确,可用于较准确地预测液力透平的性能。在计算液力透平叶轮内的滑移时只需计算叶轮出口的滑移。该研究结果为更加精确地通过理论方法预测液力透平的性能提供了参考。     

立式管道泵进水弯管和叶轮的参数化分析与验证

管道泵的肘形弯曲进口结构影响了叶轮的入流,导致管道泵内部流动特性复杂,整体性能下降。为了探究管道泵不同设计参数对内部流动的影响,该研究基于三维非定常雷诺时均Navier-Stokes方程,结合剪切应力传输模型对管道泵入流畸变特性展开了数值模拟,并进行了试验验证。同时,选取了进水弯管和叶轮的40个设计参数,使用拉丁超立方设计方法创建了300组设计样本,通过Pearson相关性分析,数值研究了进水弯管和叶轮的设计参数对管道泵效率、扬程及入流不均匀度的影响。结果表明:数值计算结果与试验结果的吻合良好,模拟方法具有较好的预测精度;进口流道内发现了伴有二次流涡对的流动分离区,且其内部流动分布不对称,在设计流量和小流量工况下,进口流道内部流动分别以反向涡对和回流旋涡为主;管道泵的性能与叶片安放角及叶片数显著相关。研究表明具有40°～50°进口安放角、20°～40°出口安放角及较大进水弯管长度的管道泵具有更好的性能和稳定性,此区间内的样本相较于原始模型效率平均提高了5%。研究结果可为管道泵的设计优化提供参考。     

高比转数双蜗壳混流泵设计及流动特性分析

针对目前比转数超过500的蜗壳混流泵研究较少,该文基于理论分析、CFD技术和模型试验的研究方法,以某高比转数混流泵的叶轮与蜗壳在设计工况下的良好匹配为目标,利用速度系数法对蜗壳结构进行优化设计,设计了一台比转数为585的高比转数双蜗壳混流泵,并对优化后的高比转数双蜗壳混流泵的内部流动特性进行了分析。将外特性试验数据与数值计算结果作对比,验证了该文数值计算模型与方法的准确性。研究结果表明,双蜗壳方案下水泵在偏离设计工况下的效率明显高于单蜗壳方案;双蜗壳结构混流泵的径向力在相同工况下比单蜗壳结构的径向力低,双蜗壳结构在保持原有水力性能的基础上还可以起到减小径向力的作用;不同工况下双蜗壳混流泵叶轮径向力矢量轨迹图分布呈类似正方形的封闭区间分布,径向力合力随时域呈现周期性变化,每个转动周期内有4个波峰和波谷;设计工况下的瞬态径向力合力最小,而小流量工况下的瞬态径向力合力最大且最不稳定,说明当双蜗壳混流泵长期运行在小流量工况下会增加安全事故隐患。研究成果为高比转数双蜗壳混流泵的设计以及内部流动特性研究提供了参考。     

离心泵压水室内部定常和非定常流动PIV测量

为研究离心泵压水室内的流动特性,利用PIV技术在内同步和外同步模式下分别测量了其内部的定常和非定常流场,详细分析了压水室内部流动现象和流动规律。结果表明,压水室内速度沿轴向分布均匀,随圆周角增大而减小;在叶轮和压水室的交界处,存在清晰的速度分界线;受蜗舌的分流作用,部分流体回流入叶轮流道,扩散管入口处速度显著降低;压水室内部周期性非定常流动规律明显,第VIII断面上,速度的大小和波动幅度沿径向均呈减小趋势,周向速度的波动与叶轮流道内部高速流区的位置有关,而径向速度的波动主要受叶片干扰和哥氏力的影响。研究结果为压水室设计以及离心泵内部流动的试验研究提供了借鉴。