气液两相条件下含气率对高速离心泵的影响研究

为探究气液两相流中含气率对高速离心泵内部流场的变化规律,基于ANSYS CFX欧拉非均相流模型对高速离心泵进行气液两相数值模拟分析,研究高速离心泵在设计流量下不同含气率对其效率和扬程的变化规律、叶轮流道流场的演变过程、隔舌和叶轮圆周出口监测点压力脉动变化特征。结果表明:效率和扬程特性与含气率呈线性关系,含气率越大,效率与扬程就越低,对高速离心泵性能影响就越严重;气相体积分布从叶片吸力面逐渐向叶片后缘处迁移,在叶轮出口处大量聚集,含气率10%附近出现相态分离现象;在含气率条件下隔舌与叶轮出口监测点的时域在t=0.02 s时压力发生较大波动。各含气率下主要变化幅值均发生在叶频及其倍频处,当含气率高于5%时对隔舌和出口的压力脉动幅值影响较大,即含气率5%是影响高速离心泵压力脉动幅值变化快慢的临界点。高速离心泵比常规转速离心泵所承受的含气率范围更小。     

离心泵小流量工况下的内部流动特性

为研究离心泵在小流量工况运行下性能及其内部流动特性,以型号为IS160-50-65的离心泵为研究对象,采用商用化软件Ansys CFX 12.0对模型离心泵的叶轮进口、叶轮流道以及蜗壳流道组成的全流场进行定常数值计算.同时,为了提高数值计算的准确性,考虑采用3种不同的网格数对模型离心泵的扬程进行网格无关性分析.且从离心泵的外特性及其内部流场分析了不同小流量工况下离心泵性能的变化规律.研究结果表明:与试验结果相比,设计工况下,扬程预测偏差为1.47%,效率预测偏差为3.61%;且随着流量降低,计算扬程的偏差值呈一定的下降趋势,计算效率的偏差值逐渐增大.另外,在设计工况下,离心泵的内部流动比较均匀;而在小流量工况下,离心泵进口管道及叶轮流道均出现回流现象,而回流引起的旋涡流有时甚至会堵塞叶轮流道;在极小流量Q/Q_d=0.2时,回流区域已延伸至全部的进水管路中.     

叶顶间隙对诱导轮内部流动特性的影响

为研究不同叶顶间隙值对诱导轮内部流动特性及非定常特性的影响,采用ANSYS CFX软件,基于SST k-ω湍流模型对某高速离心泵在3种不同诱导轮叶顶间隙率(0.01、0.02、0.03)下进行内部流场数值模拟。分析诱导轮内部流动特性、0.6Qd流量工况下轴向截面压力脉动以及诱导轮所受径向力。结果表明:适当增大叶顶间隙对泵的扬程和效率影响较小,但可以减弱壁面射流,改善诱导轮叶片进口压力分布,提高其空化性能。叶顶间隙对诱导轮进口处压力脉动影响较大,对诱导轮中后段处压力脉动影响较小。对本文模型而言,0.6Qd流量工况下叶顶间隙率增加至0.03时,径向力分布情况最好,说明适当增加叶顶间隙有助于减小和平衡小流量工况下诱导轮所受径向力。     

变螺距诱导轮对高速离心泵性能及流场的影响研究

为了定量研究诱导轮对高速离心泵内部流场和性能的影响,分别对有诱导轮和无诱导轮的高速离心泵进行三维非定常全流道数值模拟,并获得其压力脉动特性和作用在叶轮上的径向力分布。通过对比分析发现诱导轮产生的扬程提高了叶轮进口压力,从而提升泵的抗汽蚀性能并且能增大泵的扬程,但对效率有一定影响。模拟结果还表明,有、无诱导轮的高速离心泵内压力脉动均主要是由于叶轮和蜗壳动静干涉产生,且主频与叶频相一致,加装诱导轮对泵内的压力脉动频率分布影响较小,幅值在小流量下有所增大而设计流量和大流量下则有所降低。加装诱导轮之后,设计工况和小流量下叶轮受到的径向力的均值与最大值都比无诱导轮模型泵稍大,其中设计工况下均值和最大值分别增大15.13%和18.4%。     

叶顶间隙对斜流泵进口压力脉动影响的数值分析

由于叶顶间隙对斜流泵内外特性的影响甚大,因此在斜流泵设计时叶顶间隙的合理选取具有重要的工程意义.为了研究叶顶间隙大小对斜流泵进口压力脉动特性的影响,选取叶顶间隙分别为0,0.5,1.0,1.5 mm共4种设计方案的斜流泵为研究对象,基于SST k-ω湍流模型和LES大涡模拟方法,采用SIMPLEC算法与块结构化网格,在小流量工况下,对斜流泵内部流场进行三维非定常数值计算,并监测叶轮进口处压力脉动特性.计算结果表明:随着叶顶间隙的增大,斜流泵的扬程逐渐降低;叶顶间隙对斜流泵叶轮进口压力脉动的径向分布影响显著,叶轮进口主流区的压力脉动幅值较小,而近壁区压力脉动幅值较大;较大的叶顶间隙可以降低叶轮进口的压力脉动幅值,有利于改善模型斜流泵运行的稳定性.     

离心泵压力脉动特性分析

为了研究压力脉动在离心泵不同位置的变化规律及其关系,利用CFD技术对离心泵内部流场进行多工况定常与非定常三维数值模拟,得到内部流场特性及计算点的压力脉动情况,并对其进行频域分析.结果表明,设计工况和大流量工况下,叶频是主要影响频率,而在小流量工况下,轴频是主要影响频率;压力脉动幅值随偏离工况的情况而变化,同一流量下,流道的进出口压力脉动变化大.     

离心泵压力脉动特性分析

为了研究压力脉动在离心泵不同位置的变化规律及其关系,利用CFD技术对离心泵内部流场进行多工况定常与非定常三维数值模拟,得到内部流场特性及计算点的压力脉动情况,并对其进行频域分析。结果表明,设计工况和大流量工况下,叶频是主要影响频率,而在小流量工况下,轴频是主要影响频率;压力脉动幅值随偏离工况的情况而变化,同一流量下,流道的进出口压力脉动变化大。     

多级旋涡泵内部流动特性与压力脉动的数值分析

为了揭示旋涡泵内部流场结构和非定常压力脉动特性,研制具有开式叶轮和闭式流道结构的多级旋涡泵,基于RNG k-ω湍流模型、SIMPLEC算法与块结构化网格,对旋涡泵内部流场进行数值模拟和试验验证.通过外特性数值预测验证了该旋涡泵能够满足设计参数的要求.基于CFD数值模拟技术,对旋涡泵内部流场进行数值模拟.结果表明:随着流量逐渐增大,旋涡泵扬程呈现陡降的趋势,同时叶轮叶片的做功能力变差,叶片对液体的增压能力逐渐降低.在叶轮吸入口和压出口两侧的叶片流道内部,其速度分布和湍动能分布变化梯度较大,其它叶片流道内部速度分布和湍动能分布较为相似.叶轮流道内部叶顶区域中间流道内存在1个低速区,随着流量的逐渐增大,低速区越来越小.叶轮流道内部叶根区域中间流道内存在1个速度梯度密集区,该区域湍动能较大,即叶片流道的叶根区域存在较大的损失耗散区,随着流量的逐渐增大,该损失耗散区越来越小.分析旋涡泵各特征位置的压力脉动特性发现,在叶轮叶片不同监测位置和闭式流道不同监测位置,压力脉动频率特性较为明显,即此处会诱发较为明显的水力振动和噪声.结果揭示了旋涡泵内部流场和性能的影响机理,为旋涡泵的设计提供了理论依据.     

弯管入流对离心泵固液两相内部流动特性研究

通过Mixture多相流模型和ANSYS软件，旨在探究弯管入流对离心泵固液两相流动特性的影响，并以固液两相流为介质，对3种不同入流条件下的离心泵进行全流道数值模拟，以期获得更准确的结果。重点分析了固体颗粒在离心泵进口段运动分布情况以及叶轮内部流动特性。研究表明：进口弯管与固体颗粒的协同影响使离心泵的扬程和效率有大幅度下降，随着进口弯管角度的增大，固体颗粒会向着进口段外壁面以及叶片吸力面尾部集中，进口弯管为60o时影响最为明显。同时，研究表明：适当增大弯管角度可以减小离心泵隔舌径向力，但在固液两相条件下，随着弯管角度的增大对离心泵内部压力脉动会产生较大影响。     

叶轮出口宽度对离心泵非定常性能的影响

为了研究设计工况下不同的叶轮出口宽度对离心泵非定常性能的影响,以一台比转速为66的离心泵为研究对象,保证设计模型其他几何参数不变的前提下,对叶轮出口宽度分别为11、12、13、14、15 mm的离心泵模型进行数值模拟计算,分析其外特性、内部流场以及压力脉动的变化规律。结果表明:叶轮出口宽度对离心泵的外特性有显著影响,出口宽度越大,扬程越高,存在一个最佳的叶轮出口宽度使离心泵在设计工况下效率最高,即b=14 mm;随着出口宽度的增大,叶轮和蜗壳的压力增大,叶轮流道内低速区面积增加,湍动能减小;蜗壳流道内监测点的压力脉动幅值随叶轮出口宽度的增加而增加,隔舌和出口处监测点的压力脉动幅值随出口宽度的增加呈先减小后增加的趋势,在b=14 mm时压力脉动幅值最低。综合分析:说明存在一个最佳的叶轮出口宽度使离心泵性能最佳,为比转速为66的离心泵的水力设计提供一定的参考价值。     

多相混输泵内气液两相流动的压力脉动特性

为了探究含气率对多相混输泵内部流场结构和压力脉动特性的影响规律,基于Standard k-ε湍流模型,应用计算流体动力学软件ANSYS CFX在进口含气率IGVF分别为5%,10%和15%时对多相混输泵内流场和压力脉动特性进行数值计算,进而分析和归纳多相混输泵内部流场结构、频域和压力脉动系数随含气率的变化规律.结果表明:含气率在超过一定范围时会削弱混输泵内的压力脉动,同时主频幅值对压力脉动的影响较大;在气液两相下动静干涉作用仍是引起混输泵内压力脉动的主要因素,与此同时叶轮和导叶内的主频分别是11倍和3倍转频,并且最大主频幅值和压力脉动系数均出现在动静交接面附近.该研究结果可为多相混输泵的结构优化、水力设计和疲劳分析提供一定参考.     

套筒开孔对双层套筒阀流动特性的影响

为了研究内外层套筒小孔孔径对双层套筒阀流量系数和压降流动特征的影响,采用计算流体动力学方法,建立了稳态可压缩过热蒸汽流动的数值模型.对比分析了全开工况下不同内外层套筒开孔孔径组合模型流量系数和压降流动特性的差别.结果表明:内外层套筒不同孔径对于每层套筒的压降有明显影响,内外层套筒开孔孔径等比例放大对每层套筒压降几乎没有影响.只增大外层套筒孔径时,套筒间隙处流体流速不断增大;内外层套筒孔径等比例放大时,套筒间隙处流速变化波动减小.当双层套筒阀需要小幅度提升流量系数时,可以增大外层套筒开孔孔径;当双层套筒阀需要大幅度提升流量系数时,可以对内外层套筒开孔孔径同时等比例增大.研究结果对于套筒阀套筒开孔孔径的设计具有一定的指导意义.     

基于CFD的球阀三维流场数值模拟

为了探索新型转子式油气混输泵出口球阀内流场规律,建立球阀流场的三维模型,利用Fluent软件,将标准k-ε湍流模型与多相流技术相结合,采用SIMPLE算法,对新型转子式油气混输泵出口球阀内的三维气液两相流场进行数值模拟.在容积含气率为25％,50％,75％的不同工况下,通过对球阀开启高度分别为3,5,7 mm时的速度场、压力场与气液相分布的分析,探讨在气液混输过程中阀的开启高度及不同气液比对阀内流场的影响规律.模拟结果表明:球阀开启高度越大,阀球上下压差越小;阀隙流速随着开启高度的增大而减小.在气液混输过程中气相介质主要靠近阀球壁流动,同一开启高度下气液比对阀隙流速的影响较小.研究结果直观展现了球阀内流场形态,在一定程度上揭示了气液两相介质在阀内的流动规律,为新型转子式油气混输泵出口球阀的设计与优化提供理论指导.     

液控蝶阀联动的混流泵机组启动过程数值模拟

为准确预测混流泵机组启动过程的瞬态特性,建立了具有液控蝶阀的某立式混流泵站全过流系统的三维几何模型,运用滑移网格法实现蝶阀的开启规律,结合三维非定常流动过渡过程研究手段,完成对混流泵机组启动过程数值计算,获得了机组启动过程外特性参数和若干测点静压值随时间的变化规律以及不同时刻内部流场瞬变特性.计算结果表明,机组启动过程最大反转转速为正向额定转速的0.16倍,水泵出口最高压力为额定值的1.26倍,均未超过允许值;机组处于泵工况转速趋于稳定时,泵段内水流流态和压力梯度变化受蝶阀开度影响明显,小开度时,泵段内压力梯度较大,最大压差为45.6 m,为额定扬程的1.62倍;高压水以射流的方式通过蝶阀从而在其出水侧产生回流,导致蝶阀两侧压差剧烈波动诱发阀体振动.     

小型气液射流泵内部流场数值模拟及优化选择

为深入研究采用空气作为工作流体的气液射流泵性能和特征,设计了不同结构的气液射流泵试验模型.应用VOF方法,结合k-ε湍流模型,根据试验所得数据确定边界条件,对相同工作气体压力和不同参数下的气液射流泵内部流动进行了数值模拟.模拟结果表明,带有扩张式喷嘴的气液射流泵流体的速度和静压分布情况比非扩张式喷嘴的气液射流泵的好;喉嘴距为5mm气液射流泵的速度分布情况较佳;混合室直径为6 mm的气液射流泵的速度分布情况较好.带有扩张式喷嘴喉嘴距为5 mm及混合室直径为6 mm的气液射流泵有较好的速度分布.     

导叶与隔舌相对位置对离心泵非定常压力脉动影响的数值模拟

导叶叶片出口边与蜗壳隔舌的相对安放位置对单级离心泵水力性能影响较大,该问题在设计和安装过程中容易被忽略.为了研究时序效应对离心泵运行时非定常压力脉动的影响,首先通过试验测得离心泵外特性曲线,然后采用雷诺时均法对离心泵内部流场进行数值模拟,并将模拟结果与试验进行对比.结果表明,模拟值与试验值契合度较高.模拟结果显示时序效应对离心泵非定常压力脉动影响较大.当安放角度ψ为25°和41°时,叶轮及扩压器内部压力脉动较小,蜗壳内部压力脉动较大;当安放角度ψ为5°和59°时,蜗壳内部压力脉动较大,叶轮及导叶内部压力脉动较小.研究结果对导叶安装有一定借鉴价值.     

平衡孔直径对离心泵叶轮进口流态的影响

为研究平衡孔直径对离心泵叶轮进口流态的影响,在降速后的IS80-50-315型离心泵上,用平衡孔直径d分别为0,4,6,8,10 mm的同一个叶轮,对离心泵的扬程、效率和轴功率进行预测,研究泵在设计工况、不同平衡孔直径时叶轮进口处速度矢量和压力的分布情况,并监测叶轮进口处的压力脉动特性.结果表明:加大叶轮平衡孔直径,泵的扬程与效率下降、轴功率提高,且在小流量工况下泵扬程变化更为明显;随着平衡孔直径的增大,平衡孔内液体流速减小,对叶轮进口流体的冲击作用逐渐减弱,叶轮进口处压力变得均匀,在一定程度上改善了泵的抗汽蚀性能;随着平衡孔直径的增大,叶轮进口主流区的压力脉动幅值减小,在一定程度上稳定了压力脉动幅值的变化,改善了其不稳定特性;平衡孔直径增大时,叶轮进口区平均静压变化逐渐稳定.研究成果为离心泵叶轮平衡孔直径的选择提供了参考.     

油气混输泵单向球阀启闭瞬态性能试验研究

为了研究变工况来流环境下各参数变化对单向球阀的启闭迟滞性影响,针对3DP-60/3.0型往复式混输泵单向球阀的启闭瞬态过程及往复运动特征,运用UDF动网格技术计算气液单向阀启闭高度-时间函数,重点分析启闭瞬时2种极限情况下入口流体速度、压力及动能损失.揭示了不同入口流量、开启高度、含气率等工况参数对单向球阀内部压力场、气液两相分布的影响规律,并通过试验数据和模拟结果进行对比,验证数值模拟的可靠性.研究结果表明:无论是在纯液相还是低含气率下,随着入口流量的增加,球阀压降增加,而且增加幅度比较均匀.在含气率分别为80%,60%,40%时,开启高度从2~6 mm过程中入口压差逐步减小,呈现递减分布规律;20%至纯液工况(含气率为0)时,开启高度越低入口压差变化越大,体现球阀界面气液逐步分离产生界面压差也更大.含气率从0增加到0.9,球阀压降的降低幅度非常明显,随着含气率的进一步增加,压降不断减小.     

离心泵泵腔流道液体泄漏量试验与计算方法

设计了针对泵腔流道液体泄漏量测量的专用试验装置,采用改变叶轮轴向位置(即改变泵腔轴向间隙)来改变隙径比的方法,在间隙为0.2 mm、0.3 mm,长度为15 mm密封环条件下,对隙径比为0.127、0.101、0.076、0.051、0.025、0.006的泵腔流道的进出口液体压力和液体泄漏量进行了测试及分析,并提出了泵腔流道液体泄漏量计算公式及其速度系数的确定方法。结果表明:不同隙径比的泵腔流道液体泄漏量系数与压力系数的变化很有规律性,其关系曲线几乎是一些斜直线,但隙径比和密封环间隙对其有较大影响;在泵结构不变情况下,只减小泵腔轴向间隙就能有效地减少液体泄漏量,提高泵容积效率,泵腔轴向间隙最佳取值范围为1~5 mm。     

斜流泵叶轮和导叶叶片数对压力脉动的影响

为了研究斜流泵叶轮和导叶由于动静相干作用(RSI)而引起的压力脉动规律,基于标准k-ε湍流模型、SIMPLEC算法和滑移网格技术,根据叶轮和导叶叶片数及其叶片厚度设计了多种计算方案,并对不同方案的斜流泵模型进行了非定常数值模拟．采用叶轮进口、叶轮出口和导叶内部布点监测压力的方法获得了压力脉动曲线,并基于时域图分析了叶轮叶片数、导叶叶片数及其厚度对斜流泵内部压力脉动特性的影响．数值计算结果表明:斜流泵叶轮叶片动静干涉对整个流场的压力脉动影响较大,叶轮叶片数越少,叶轮进、出口压力脉动幅值越大;在设计工况下,导叶内部的压力脉动波形主要受叶轮叶片数影响,而导叶厚度对导叶内部压力脉动影响较小．研究结论将为斜流泵的设计和稳定运行提供参考．