射流离心泵动静叶栅匹配的水力与声学性能优化设计

为提高射流离心泵叶轮和导叶水力设计水平,优化动静干涉对泵的水力性能及其声学响应特性影响,采用正交试验方法结合CFD/CFA(计算流体动力学/计算流体声学)技术对叶轮与正导叶的动静叶栅匹配进行多目标优化设计,试验设计统筹考虑叶轮和正导叶相关结构参数,分析叶轮叶片数、叶轮叶片型线、导叶叶片数、导叶叶片型线及动静叶栅间隙对射流离心泵扬程、水力效率和动静叶栅内部流体动力噪声的影响规律,采用矩阵分析法确定多目标优化方案,获得综合性能最优的动静叶栅匹配组合。结果表明:优化后,额定工况下泵的扬程不变,水力效率提高0. 5个百分点,动静叶栅内的整体噪声明显降低,其中叶轮诱导噪声降低7. 1%,导叶诱导噪声提高2. 2%,验证了权矩阵分析法确定多指标优化方案的可行性;低噪声射流离心泵设计的关键是合理确定动静叶栅间隙及动静叶栅的叶片数;动静叶栅的不同匹配方案对射流离心泵扬程的影响比对其水力效率的影响更加敏感,对导叶诱导噪声的影响比对叶轮诱导噪声的影响更加敏感;压力脉动引起具有偶极子特性的流体动力噪声,导叶诱导噪声的频谱特性与压力脉动的频谱特性基本一致,但叶轮诱导噪声的频谱特性与压力脉动的频谱特性有较明显的区别。     

余热排出泵内部压力脉动特性分析

为了研究余热排出泵内部压力脉动特性,基于ANSYS CFX软件,采用SST湍流模型,对模型泵进行三维非定常数值模拟,得到了余热排出泵的水力性能,并与试验结果进行对比,计算了泵内不同位置的压力脉动情况,对计算结果进行了时域和频域分析.研究结果表明:叶轮与导叶内的压力脉动均呈现周期性变化,叶轮内周期为7,压力脉动与导叶叶片数密切相关,导叶内周期为5,压力脉动与叶轮叶片数密切相关;叶轮进口、中间流道、叶轮出口的压力脉动系数幅值分别为0.018 23,0.106 76,0.177 51,压力脉动信号逐渐增强,导叶进口、中间流道、导叶出口的压力脉动系数幅值分别为0.095 56,0.076 02,0.012 44,压力脉动信号逐渐减弱;叶轮内监测点的主频均为7f_p,压力脉动主要由转频决定,从叶轮进口至出口导叶的影响程度逐渐增强,导叶进口主频为15f_p,中间流道和出口主频为5f_p,导叶内压力脉动主要由叶频决定,沿流道至出口叶轮的影响逐渐削弱;蜗壳监测点主频为35f_p,压力脉动主要由叶频决定,且与导叶叶片数相关.     

导叶式离心泵内部流场数值模拟与试验

导叶式离心泵应用范围越来越广泛,迫切需对其稳定性运行及内部非稳态流动机理等相关问题进行探讨与研究。结合数值软件ANSYS-CFX与试验方法,基于SST k-ω湍流模型对导叶式离心泵内部非定常流场进行数值分析,并采用试验方法对其压力脉动特性进行研究,探讨不同流量工况下,压力脉动特性与非稳态流场分布规律。结果表明:导叶进口处压力脉动高于导叶出口处,而蜗壳隔舌处脉动强度小于其出口处;叶轮内压力分布主要受叶轮-导叶动静干涉作用影响;导叶内压力分布同时受动静干涉作用和蜗壳不对称几何形状影响;因叶轮出口尾迹流-射流影响,叶片出口附近出现吸力面静压大于压力面;由于导叶前缘与叶轮尾缘的影响,导叶叶片进口处压力分布极其复杂,规律性较差。     

无后置导叶轴流泵瞬态空化流场的数值分析

为了深入研究TZX-700型无后置导叶轴流泵内部瞬态空化流场的压力脉动情况,通过ANSYS CFX软件,采用SST湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型,对TZX-700型无后置导叶轴流泵压力脉动进行了瞬态空化流场的数值计算研究。主要计算了该无后置导叶轴流泵在3个不同流量工况(0.9Q_d、1.0Q_d、1.1Q_d)下瞬态空化流场的压力脉动情况,分析了轴流泵在设计工况下随叶轮旋转时间的周期性变化叶片表面空化体积分数的分布情况及不同工况下叶轮进、出口截面不同监测点下的瞬态空化流下压力脉动的时域图和频域图。通过数值计算的结果表明:在一个叶轮旋转周期内相较于其他的工况,该无后置导叶轴流泵的空化流场在设计工况下一般是稳定的;叶轮压力周期性脉动在叶轮的各个监测点处随叶轮旋转时间的变化呈现出周期性变化规律,轴流泵叶轮压力脉动的频率主要集中在叶轮转频及其谐波频率。     

低比转数混流泵压力脉动特性的数值模拟

为了研究动静干涉对混流泵内部流动非定常压力脉动特性的影响,在混流泵进口截面、动静耦合面以及出口截面取若干压力脉动监测点,采用RNG k-ε湍流模型和滑移网格技术,对混流泵全流场进行三维非定常湍流计算．计算了叶轮进口截面、动静耦合面以及出口截面的压力脉动,利用快速傅里叶变换进行分析,得到了不同特征截面的压力脉动的频率和幅值,并进行外特性试验验证．结果表明:从轮毂到轮缘,压力脉动最大幅值发生在叶轮出口轮缘侧,而压力脉动最小幅值出现在叶片进口轮毂侧,叶轮进口和叶轮导叶间轮缘处监测点的幅值约为轮毂处监测点幅值的2倍;从叶轮进口到导叶出口位置,压力脉动呈现出逐渐增强的趋势．压力脉动最大值发生在导叶出口监测点,且存在一个低频压力脉动;在60％~85％设计流量工况范围内,扬程-流量特性曲线出现正斜率不稳定特性,数值计算与试验结果存在一定差异．     

导叶叶片数对多级离心泵压力脉动的影响

为了研究叶轮叶片数与导叶叶片数有无最大公约数对多级离心泵内部压力脉动的影响,在保证设计点外特性基本不变的前提下设计了4种不同叶片数的导叶,基于标准k-ε方程,应用CFX软件对M120多级离心泵的设计点工况进行定常和非定常计算,得到次级泵体叶轮和导叶内各监测点的压力脉动时域图和频域图.结果表明:数值模拟结果与外特性试验结果相吻合,证实了数值模拟的可行性.叶轮与导叶叶片数存在最大公约数的匹配方式对多级离心泵内部静压分布有影响,主要表现为正导叶进口边周向压力分布呈现周期性分布规律.导叶内部压力脉动主要受叶轮叶片数的影响,叶频在流动诱导振动中起主导作用.导叶叶片数对多级离心泵内部压力脉动影响较大,导叶内部压力脉动幅值随导叶叶片数的增加而增大.     

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.     

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。     

非定常工况下不同导叶叶片数对潜水泵内部流场的影响

为了研究不同导叶叶片数对潜水泵内部流动和非定常特性的影响，以典型QJ型潜水泵为研究对象，在保证导叶基本参数不变的情况下，建立导叶叶片数为6、7和8的3种不同方案，基于RNG k-ε湍流模型对不同导叶叶片数下潜水泵进行定常及非定常计算。结果表明:导叶叶片数变化对潜水泵外特性曲线影响不大；导叶叶片数变化对叶轮进口和导叶出口两位置的压力脉动影响不大，对叶轮与导叶空腔间的压力脉动影响显著，其幅值随叶片数的增多而增大，8叶片时压力脉动幅值最大。      

熔盐泵分流式空间导叶内部流动及其非定常特性

为了抑制熔盐泵空间导叶内存在的二次流以及轴向旋涡,提高熔盐泵的效率和稳定性,提出一种分流式空间导叶体.采用k-ε模型、SIMPLE对2种不同形式空间导叶的熔盐泵模型进行了数值模拟,以获得2种不同形式熔盐泵的外特性参数及其内部的速度、压力分布等特性.结果显示:在0.8Q和1.0Q下,分流式空间导叶内部速度分布更为均匀,导叶吸力面二次流、旋涡明显减少,提高了模型泵的效率.在1.2Q下,分流式导叶导致模型泵效率降低.但在空间导叶出口速度分布均匀,低速区域明显减少.分流式空间导叶内部压力脉动幅值叶频占主导地位,其出口压力脉动得到明显改善,在设计工况下,压力脉动幅值比常规空间导叶低近40%,空间导叶轮缘面压力脉动普遍高于轮毂面,在导叶轮缘面上,其压力面的压力脉动幅值低于吸力面;在导叶轮毂面上压力脉动幅值则基本相同.     

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.     

泵腔径向间隙对多级离心泵泵腔内部流场的影响

为研究泵腔径向间隙对泵腔内部流场的影响,更好地优化多级泵水力性能,选取某悬臂式多级离心泵为研究对象,应用计算流体力学(CFD)与试验相结合的方法对泵腔内部流场进行研究.k-ε湍流模型下的数值计算结果与多级泵外特性试验值吻合较好,说明应用数值计算对泵腔内部流场进行分析是可靠的.设计3种泵腔间隙方案,对比分析了泵腔内部切向速度分布及压力脉动情况.结果表明:随着测速点位置半径的减小,前泵腔切向速度逐渐增大,且液体旋转速度会超出叶轮旋转速度,而后泵腔中切向速度总体呈现逐渐减小的趋势;泵腔间隙区域及叶轮出口处压力脉动主要集中在0~1 680 Hz范围内,压力脉动主频均出现在1倍导叶叶频处,主频脉动幅值由首级向末级逐级递减;泵腔间隙区域压力脉动也受到叶轮叶片数的影响,次主频出现在1倍叶轮叶频处,且在其他叶频倍频处均发生压力脉动现象.     

导叶进口边相对位置对混流泵压力脉动的影响

以混流泵作为研究对象,探究导叶进口边的相对位置对混流泵水力性能及内部压力脉动的影响.基于ANSYS CFX软件并采用k-ω湍流模型进行了定常和非定常计算.通过改变导叶进口边的相对位置,利用数值模拟来预测混流泵的水力性能,并选取了4个方案,对混流泵的压力脉动进行了频谱分析.结果表明:随着叶轮出口边与导叶进口边的夹角α增大,混流泵的水力性能先增大后减小,在α=5°时,混流泵的水力性能达到最优.α的变化对泵内部的压力脉动幅值波动大小有影响,α越大,泵内部的压力脉动越小.α的变化会影响泵内部的压力脉动主频幅值.在叶轮进出口处,α越大,主频幅值越小,而在蜗壳内部,则无明显规律.随着α的增大,在蜗壳内靠近隔舌位置的压力脉动,受叶轮旋转作用的影响变小,受隔舌的影响作用变大.研究结果可为混流泵的导叶优化设计提供一定的参考.     

混流泵内流场压力脉动特性研究

基于RANS方程和SST湍流模型,应用SIMPLEC算法,对混流泵内流场进行非定常数值模拟,分析了不同流量工况和不同转速工况时混流泵内4个代表性监测面上压力脉动的时域和频域特性.取非定常计算的功率平均值与试验值对比,证明该数值模型可较准确描述泵内流场特征.结果表明:混流泵内最大压力脉动在叶轮进口,从轮毂到轮缘脉动幅值递增;在叶轮进口和叶轮出口压力脉动频率主要为叶轮叶频,而导叶中间和导叶出口压力脉动频率与流量工况相关;偏离最优工况越远脉动越大,偏小流量对叶轮进口压力脉动影响明显;不同转速时最优工况压力脉动频率成分相似,脉动幅值随转速增加而增加.     

旋涡自吸泵内部流场压力脉动数值模拟

为研究不同工况下旋涡自吸泵内部瞬态流动特性,利用ANSYS CFX软件并选取雷诺时均N-S方程和RNG k-ε双方程湍流模型,对包括叶轮、泵体和支架在内的旋涡自吸泵整机内部流场进行了瞬态数值模拟.将定常数值模拟结果与外特性试验进行对比验证,并将其作为瞬态非定常计算的初始值,提取了泵内部流动情况和监测点的压力脉动特性.计算结果表明:与叶轮接触的环形流道内主频为单边叶频,径向方向叶频也存在较明显的峰值;靠近壁面的环形流道内,能量集中在单边叶片通过频率及其倍频处;在隔板间隙处能量值更大,除低频段有明显的波动外,峰值集中在单边叶频及其倍频段,在间隙处的径向上从边缘至中间部位,单边叶频与叶频的能量值呈此消彼长趋势,中间部位叶频为主频;叶轮上的压力脉动转频为主频,峰值分布在转频及其倍频,随倍数的增加能量值依次降低.     

低扬程泵装置压力脉动特性

初步分析了低扬程泵及泵装置压力脉动的基本规律. 基于浙江姚江上游西排工程排涝泵站立式泵装置不同叶片角度和不同流量时的压力脉动特性模型试验结果,研究泵装置的叶轮室进口、叶轮室出口、导叶体出口和出水流道出口处的压力脉动规律. 从叶轮与导叶之间的水流条件、水泵运行工况等方面,对低扬程泵装置压力脉动进行了初步理论分析,提出了导叶体与叶轮间隙的大小、导叶体的叶片数对低扬程泵装置压力脉动特性的影响等需进一步研究的问题. 从水力因素和水泵制造等方面提出了避免低扬程泵装置压力脉动有害影响的对策:适当加大叶轮与导叶之间的间隙,避免水泵在偏离最优工况较多的条件下运行,提高水泵抗空化性能等;从避免产生共振的角度,提出适当加大叶轮叶片厚度、导叶叶片厚度和加强水泵的结构设计等措施.     

多级离心泵叶轮与导叶的匹配特性

基于CFX软件,采用k-ε模型对某一立式三级离心泵全流场进行数值模拟,并进行试验验证,表明在设计工况下数值计算结果与试验结果吻合较好,但泵内流场分析发现,叶轮-导叶间隙及导叶内的流动损失较大.为了减少流动损失,提高多级离心泵叶轮与导叶之间的匹配特性,分别重新设计4种采用不同进口结构形式的导叶.在设计工况下对4种不同进口的导叶模型进行定常数值计算,并对水力性能、内部流动规律及叶片表面压力分布规律进行分析.结果表明:导叶进口采用扩散结构,与叶轮出口边相平行的模型水力性能最好;导叶进口采取扭曲结构时,能够提高叶轮扬程,但也会增大导叶与叶轮间隙的流动损失,并导致导叶进口压力不稳定;当导叶进口与叶轮出口平行时,可以减小导叶内的流动损失,提高导叶的水力性能;当导叶进口与轴线平行时,可以弱化叶轮与导叶之间的干涉作用,提高叶轮的水力性能,但会增大叶轮与导叶间隙处产生的流动损失.     

基于大涡模拟的离心泵蜗壳内压力脉动特性分析

为了研究由离心泵内部非定常流动引起的蜗壳流道内的压力脉动这一现象及其特性,针对带有三长三短叶片叶轮的离心泵,采用大涡模拟方法计算包括吸水室、叶轮和蜗壳全流道的流场,获得蜗壳流道压力脉动分布特性,并对其进行了频域和时域分析.结果表明：由于叶片和蜗壳的动静相干作用,蜗壳内的压力脉动比较明显;在设计工况下,叶轮与蜗壳交界面周向上的隔舌处脉动最大;蜗壳内各监测点压力脉动的主频都是长叶片的通过频率,次主频为叶片的通过频率;蜗壳流道不同断面上的压力脉动基本一致,而扩压管内的压力脉动要比螺旋段的更有规律性;设计工况下,蜗壳内压力脉动没有明显的高频成分.