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。     

透平工况动静叶栅内固液两相流动压力脉动特性

为了研究泵作透平过流含沙水时动静叶栅内非定常流动所引起的压力脉动特性情况,以径向导叶式离心泵反转作液力透平为研究对象,对全流道进行结构化六面体网格划分,采用大涡模拟(large eddy simulation, LES)与Mixture多相流模型相结合的方法进行了三维非定常数值计算.分别对清水介质和固液两相介质3个流量工况下的压力脉动进行了监测.结果表明:清水介质和固液两相介质下,动静叶栅交界面处监测点P_{3和导叶内监测点P6由于受到叶轮内压力梯度的交替变化影响,时域脉动周期性明显,且与叶片通过周期一致.小流量工况下,颗粒的存在减少了尾水管回流,使得压力脉动较清水介质更稳定,大流量工况下,颗粒的存在加剧流场紊乱.压力脉动频域分布结果显示,不同工况的主频均为叶片通过频率,谐频为叶频的倍数,其幅值呈指数形式衰减.在小流量工况下,叶轮内部涡流诱导了明显的二次谐波,流体介质中的颗粒使得此处的高频压力脉动得到了增强.大流量工况下,流体介质中的颗粒使得此处的高频压力脉动得到了削弱.}     

工质黏度对导叶式液力透平压力脉动特性的影响

为探究液力透平内压力脉动受工质黏性的影响,基于雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型,以带导叶的离心泵反转作液力透平为研究对象,选取清水及2种黏油作为对比工质进行三维瞬态数值模拟,并对模拟结果进行时域及频域分析.结果表明:清水工质下叶轮部分流道内存在和叶轮同向的非定常涡,而黏油工质下叶轮及尾水管内流场结构显著改善,黏性作用下,动静叶栅的相干作用仍是透平内压力脉动的主因.导叶内的平均压力脉动最强,叶轮内次之,尾水管内相对最弱,且此规律不受工质黏度影响.随着工质黏度的增大,各监测点的压力脉动峰峰值及最大压力脉动幅值均减小,且与导叶、尾水管内各测点主频及次主频幅值的变化趋势均同步,而与蜗壳、叶轮内各测点主频及次主频幅值的变化趋势差异较大,但与二者之和趋势吻合.同时,工质黏度越大,蜗壳、导叶和叶轮内各测点的时均静压越低.     

径向导叶式潜水泵内部流动与非定常特性研究

为了更全面地研究潜水泵的内部流动特性与非定常特性,现以一台径向导叶式潜水泵为研究对象,基于CFX对其进行计算及分析。结果表明:该泵有较好的无过载性能;从叶轮进口至导叶过渡段的压力逐渐增大,在大流量工况下,叶轮流道稍微偏离进口处存在极低压区。叶轮叶片工作面处出现覆盖约半个叶片的低速区,随着流量增大,该低速区逐渐消失。叶轮与导叶的动静干涉是影响叶轮径向力、轴向力以及叶轮导叶压力脉动的重要原因,随着流量增加,叶轮的平均径向力与平均轴向力都逐渐增大,并且波动幅值也逐渐增加;叶轮压力脉动的主频为轴频的7倍(7APF),导叶内的主频由正导叶内的4APF逐渐变化到过渡段与反导叶内的7APF。     

导叶式离心泵内部流动特性数值模拟

采用SST k-ω湍流模型对导叶式单级离心泵内部流场与压力场进行非稳态数值模拟,并进行试验验证。根据数值计算结果分析导叶、蜗壳内非定常压力回收与总压损失、压力脉动等特性。结果表明,数值模拟性能预测结果与试验结果较吻合;由于动静干涉作用影响,导叶与蜗壳内总压损失、静压回收呈现周期性波动,且导叶内总压损失与静压回收都大于蜗壳;导叶内大量漩涡主要由导叶叶片前缘漩涡诱导产生,且逐渐向出口延伸,而蜗壳内漩涡主要由导叶叶片尾缘诱导产生。叶轮中最大压力脉动强度集中于叶轮出口处,导叶与蜗壳中压力脉动强度最大区域分别集中于导叶前缘附近、蜗壳出口。     

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。     

颗粒对离心泵内部压力脉动特性的影响

为了研究离心泵动静叶栅内固液两相流非定常流动所引起的压力脉动特性情况,采用大涡模拟与Mixture多相流模型相结合的数值模拟方法,运用滑移网格技术,对带有径向导叶的离心泵三维全流场进行了耦合计算.研究结果发现,对于清水相或固液两相,各监测点的压力系数均随着流量的增加而逐渐减小;脉动也随着流量的增加而逐渐趋于规律化.在动静叶栅交界面处,小流量工况下颗粒的存在增强了此处的高频压力脉动,而大流量工况下颗粒的存在削弱了此处的高频压力脉动;在导叶流道内,小流量工况下颗粒的存在削弱了此处的高频压力脉动,而大流量工况下颗粒的存在增强了此处的高频压力脉动;在蜗壳流道内,除了隔舌位置处,颗粒的存在已经不影响这一区域的压力脉动;在蜗舌位置处,颗粒的存在增强了蜗舌处的高频压力脉动.在动静叶栅交界面处,1.4Q时颗粒存在对压力脉动幅值影响最小,0.2Q时影响最大;在导叶流道内,1.4Q时颗粒存在对压力脉动幅值的影响最小,0.6Q时影响最大;在蜗壳流道内,1.0Q时颗粒存在对压力脉动幅值的影响最小,0.2Q时影响最大;在蜗壳蜗舌处,1.0Q时颗粒存在对压力脉动幅值的影响最小,0.2Q时影响最大.     

多级离心泵多工况压力脉动数值模拟

为了研究多级泵中叶轮和导叶的动静干涉现象,采用Ansys CFX软件对某一5级离心泵不同流量工况下非定常流动进行数值模拟,获得并分析了叶轮和导叶内4个典型位置的流动压力脉动分布特性。通过与外特性试验和振动试验结果的对比,验证了数值模拟的可信性。结果表明:各监测点脉动主频560 Hz左右,为2倍叶频处,且振动幅值较大,动静干涉现象强烈;叶轮与导叶交界面的压力脉动强度最大;导叶内压力脉动受叶轮的影响,离叶轮出口越远,压力脉动幅值越小;导叶内在叶频处存在较大峰值,说明叶频是其出口压力脉动的主要成分,流量越小,脉动强度越大。通过掌握压力脉动分布特性,能够为多工况运行的低压力脉动多级离心泵水力设计提供重要的理论依据。     

多级离心泵内部非定常压力脉动的数值模拟

为了研究多级离心泵内部稳态和瞬态的流动特征,以不锈钢冲压多级离心泵为研究对象,基于计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)软件ANSYS CFX,选取标准k-ε湍流模型,在设计工况下对整机进行两级全流场非定常数值模拟.计算结果与试验结果吻合较好,验证了数值模型和计算方法的准确性.在叶轮某一流道的压力面和吸力面分别设置了4个监测点,在导叶的某一流道设置了6个监测点,分别分析了叶轮和流道式导叶内不同位置的压力脉动特性,并对其进行了频域分析.结果表明:叶轮与导叶间的动静干涉是产生静压波动的原因,静压波动均值从叶轮进口到叶轮出口逐渐增大;整体式冲压叶轮的形状影响正导叶内的压力脉动,一个周期内的压力波动间隔相似;叶轮和导叶间的动静干涉影响显著,首级泵体反导叶中部及出口位置脉动频率为3倍叶频,而在其他位置处均为1倍叶频;额定工况下导叶内部脉动主频均出现在低频处,表现为叶频压力脉动.     

含沙空化对轴流泵内涡量分布的影响

考虑空化与泥沙磨损的联合作用,采用SST k-ω湍流模型和ZGB空化模型,数值模拟研究不同空化程度下,轴流泵内涡量的变化过程。结果表明:涡量主要分布在叶片背面后部、出口边处以及叶片头部,工作面处涡量较小。相比清水而言,输送介质中含沙对叶轮和导叶内涡量的影响较大;随着粒径的增大,叶轮和导叶表面涡量随之增大,然而涡量的增大幅度不明显。低含沙量和小颗粒泥沙可以改善导叶内漩涡分布,减小漩涡强度。随着空化压力的降低,泵内涡量迅速增大,说明,粒径对泵内涡量的影响不大,含沙量和空化是引起涡量增大的主要原因。     

径向导叶出口型式对洒水车泵压力脉动的影响

为了研究径向导叶出口型式对自吸式洒水车离心泵外特性、压力脉动及径向力的影响,基于Shear Stress Transport湍流模型和SIMPLE算法,对3种不同径向导叶出口型式的自吸式洒水车泵进行了非定常数值计算,监测径向导叶出口处的压力脉动和蜗壳的径向力,并对压力脉动进行时域分析,同时比较监测点的压力脉动幅值和蜗壳壁面受到的径向力大小.计算结果表明:增大径向导叶出口面积,可以改善径向导叶出口处流态,从而提高离心泵的效率;在同一工况下,增大径向导叶出口面积,可以降低径向导叶出口处压力脉动幅值,减轻径向导叶和第二级叶轮动静干涉的危害,并且减小蜗壳径向力;同一径向导叶出口型式洒水车离心泵模型,在流量较小时,在一个旋转周期内蜗壳壁面所受到的径向力平均值较大.     

偏置小翼对离心泵压力脉动及尾迹结构的影响

为研究离心泵叶轮叶片尾迹对压力脉动的影响,以一台低比转数离心泵为研究对象,运用DDES(delayed detached eddy simulation)方法,开展了泵内精细非定常数值计算,对比了普通叶轮、翼型叶片叶轮和偏置小翼叶轮这3种方案下的泵压力脉动频谱特性及尾迹涡结构.结果表明:偏置小翼叶轮可明显提升泵的扬程,设计工况附近效率高于其他2种方案,且高效区变宽;与普通叶轮相比,偏置小翼方案叶频处压力脉动幅值大幅降低,特别在隔舌附近叶频幅值下降43%,且低频范围内脉动能量亦得到抑制;受到偏置小翼尾迹干涉的影响,叶轮叶片尾迹高涡量区域明显减小,涡量平均强度减弱,这是压力脉动幅值降低的主因.因此,偏置小翼可有效抑制叶轮叶片尾迹涡从而降低泵压力脉动能量.     

基于大涡模拟的动静叶栅内固液两相流动

为研究离心泵动静叶栅内固液两相非定常流动情况,了解流道内的流动细节,以导叶式离心泵为研究对象,采用ICEM软件对模型泵进行结构化六面体网格划分,基于Mixture混合模型和滑移网格(sliding mesh)技术,运用大涡模拟(large eddy simulation,LES)模型对其全流道进行三维非定常数值计算.对比分析了清水和固液两相2种介质时,动静叶栅内的拟序涡流结构及演化过程的不同,并分析了固液两相流介质时流道内几个不同位置处涡的演化.结果表明:泵在输送清水和固液两相介质时,附着涡的结构基本保持不变,而由于叶轮旋转所产生的涡,在叶轮旋转运动的过程中则会有卷曲、合并、撕裂的演化形式;流道内的涡量大小分布规律在清水和固液两相介质下是相同的,但是固体颗粒的加入会加快涡的耗散速度,并且涡产生的位置和合并形式都发生了变化;固液两相介质时,动静叶栅内的涡在不同位置的演化过程是不同的.     

时序效应对导叶式离心泵叶轮做功的影响

为了研究导叶时序安装位置对离心泵水力性能及运行稳定性的影响,采用SST k-ω湍流模型对在不同导叶安装时序位置时离心泵内部非稳态流场进行数值计算,分析导叶时序位置对叶轮做功的影响规律.结果表明:同一导叶时序位置时,因动静干涉影响,叶轮叶片做功呈现周期性波动;不同导叶时序位置时,各叶轮叶片做功呈现的波峰与波谷时刻不同,且出现明显的相位差,表明时序位置对叶轮叶片做功的影响因素主要为叶轮-导叶动静干涉、叶轮-蜗壳动静干涉及蜗壳不对称几何形状等;不同导叶时序位置时,叶轮流道做功均呈现周期性波动,并出现相位差,同时因叶轮-导叶动静干涉作用影响,叶轮出口处压力场分布不同,表明叶轮-导叶动静干涉是导叶时序效应对其叶轮流道做功影响的主要因素.研究结果可为导叶式离心泵设计提供一定理论依据.     

动静叶栅内固液两相过渡过程的数值研究

为了研究过渡过程动静叶栅内固液两相流的瞬态流动特性,以导叶式离心泵为研究对象,进行几何建模及结构化网格划分,借助Fluent软件,基于Mixture多相流模型、分离涡湍流模型及用户自定义函数,对其全流道进行三维瞬态数值模拟计算.对过渡过程动静叶栅内瞬态流动进行分析,结果表明:过渡过程中,位于动叶进口背面的低压区范围扩大,位于动叶工作面靠近轮缘处的高压区范围缩小;随着时间增加,动叶栅流道内的涡持续产生、合并,并在静叶栅内破碎、耗散,且流量增大,使得动叶进口处的流动滞止,导致动叶进口逐渐产生旋涡;流量未增大到设计流量之前,固相容易沉积在静叶栅出口;在流量瞬态增加到设计流量时,动叶栅子午面中间流线上的固相体积分数总体变小且趋于均匀分布.     

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.     

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.     

混流泵叶片安放角对内涡结构及叶轮-导叶适应性的影响

转叶式混流泵的叶片安放角可以调节,当工况发生改变、叶片安放角调节后,叶轮-导叶的适应性将随之变化,进而影响到混流泵的水力性能.以一叶片安放角可取-4°,0°和4°的转叶式混流泵为研究对象,从涡结构的角度出发,探究叶片安放角改变对叶轮-导叶适应性的影响规律.研究结果表明:随着叶片安放角的增大,叶轮内部涡结构的大小在逐渐增...     

超大型离心泵内脉动压力特性研究

采用大涡模拟方法对某超大型明蜗壳立式离心泵进行全流道三维非定常数值分析,得到了运行状态下的泵内流场脉动压力特性.研究结果表明:泵内流态复杂,脉动压力的频率由泵的转动频率、叶轮叶片数和固定导叶数等多因素耦合决定;脉动压力幅值从蜗舌至蜗壳出口沿蜗壳周向先逐渐减少然后再逐渐增大,从叶轮至蜗壳沿泵径向快速减小,扩散段脉动压力变化不明显.     

多级离心泵多工况内部压力脉动数值计算

为研究多级离心泵内部压力脉动特点和瞬态流动特征,以三级卧式离心泵模型为研究对象,采用DES方法进行了4种不同流量工况下的全流场非定常数值模拟.为保证划分的网格准确反映多级离心泵内流动特性,进行网格无关性分析.通过定常计算的扬程效率和外特性试验值进行对比,证明数值模拟的可靠性.在每级叶轮、正导叶、反导叶上共设置36个监测点,通过分析模拟数据得出压力标准差值图、系数图和频域图.结果表明:导叶喉部是低压区频繁出现的区域,不同流量下,压力脉动呈现周期性变化规律,脉动强度以正导叶最为剧烈,偏离设计流量工况,压力标准差幅值增大.不同流量下,多级离心泵正导叶流道内压力脉动主频为叶频(327 Hz),倍频处峰值衰减迅速.研究成果为揭示多级离心泵内部压力脉动规律提供一定的理论参考.