基于开放边界条件的离心泵自吸过程瞬态流动数值模拟

为探明泵内气液两相瞬态流动特征及自吸过程中吸水管液面震荡上升机理,该研究基于欧拉-欧拉多相流均相模型及标准k-ε湍流模型,采用开放型进、出口边界,对某外混式自吸离心泵在变转速启动条件下的自吸过程进行了数值模拟,分析了吸水管液面变化和主要过流部件内气液两相分布等瞬态特征。结果表明,开放型边界条件可以准确捕捉自吸过程中吸水管内液面震荡上升现象,与试验结果吻合良好。自吸过程包含3个阶段：快速吸入阶段对应吸水室内初始储液被快速吸入叶轮并将叶轮内气体排出,占自吸总用时的11.7%;震荡排气阶段是泵自吸过程的主要阶段,占总自吸时间的61.3%,该阶段内气液分离室内液体反复进入蜗壳和叶轮外缘区域,参与气液掺混及气液分离过程,完成自吸排气,过流部件内气液两相占比及吸水管液面震荡均近似呈0.25 s的周期性变化,叶轮内气相占比周期性变化和液柱惯性是导致该自吸阶段吸水管内液面震荡的主要原因;加速排气阶段为自吸末期,吸水管内液体加速进入叶轮,将泵内气体快速排出,其历时占总自吸时间的27%。研究结果可为自吸泵设计及性能优化提供重要参考。     

Numerical simulation on gas-liquid two-phase flow of self-priming pump during starting period

自吸泵的自吸过程是一个十分复杂的瞬态气液两相流动过程,自吸过程中气水混合及分离效果的好坏,是决定自吸泵自吸性能的关键。该文运用VOF多相流模型结合滑移网格技术,加载试验所获得启动过程中叶轮的转速变化曲线及泵出口压力变化曲线,模拟了启动过程中气液混合现象及气液分离现象,获得了气液分离室进口、回流孔、蜗壳各断面及叶轮内监测点的含气率变化曲线。结果表明,叶轮外缘出现了明显的气液混合层,气液分离室进口回流现象明显,启动过程初期泵运行的不稳定,使气液分离室进口及蜗壳隔舌处含气率出现明显的振荡,气泡在叶轮中不断地生成及溃灭是造成叶轮上监测点含气率振荡的原因。该文采用的模拟方法能够较好地模拟自吸泵启动过程内部气液两相流动,为进一步研究自吸泵内部气液混合及分离提供参考。     

自吸泵启动过程气液两相流动的数值模拟

自吸泵的自吸过程是一个十分复杂的瞬态气液两相流动过程,自吸过程中气水混合及分离效果的好坏,是决定自吸泵自吸性能的关键。该文运用VOF多相流模型结合滑移网格技术,加载试验所获得启动过程中叶轮的转速变化曲线及泵出口压力变化曲线,模拟了启动过程中气液混合现象及气液分离现象,获得了气液分离室进口、回流孔、蜗壳各断面及叶轮内监测点的含气率变化曲线。结果表明,叶轮外缘出现了明显的气液混合层,气液分离室进口回流现象明显,启动过程初期泵运行的不稳定,使气液分离室进口及蜗壳隔舌处含气率出现明显的振荡,气泡在叶轮中不断地生成及溃灭是造成叶轮上监测点含气率振荡的原因。该文采用的模拟方法能够较好地模拟自吸泵启动过程内部气液两相流动,为进一步研究自吸泵内部气液混合及分离提供参考。     

射流喷嘴几何参数对喷灌泵自吸性能的影响

为探索射流喷嘴几何参数对射流式自吸喷灌泵自吸性能的影响规律,该文选择射流喷嘴的喷管总长L1、喷管角度θ、出口长度L2及出口直径D2为变化因素,按L9(34)正交试验的方法设计了9种不同参数的射流喷嘴,通过数值模拟得到使用9种不同射流喷嘴的泵自吸过程气液两相体积流率、叶轮进口速度、叶轮进口气相体积分布及叶轮气相体积分布规律。分析结果表明:射流喷嘴几何参数对射流式自吸喷灌泵气相及液相流率影响的主次顺序为D2>L2>L1>θ;对叶轮进口速度影响的主次顺序为L2>θ>D2>L1;对叶轮进口气相体积分布影响的主次顺序为θ>L1>D2>L2;对叶轮气相体积分布影响的主次顺序为D2>θ>L1>L2;对该射流式自吸喷灌泵射流喷嘴各几何参数最佳组合为射流喷嘴的喷管总长L1=55mm、喷管角度θ=42°、出口长度L2=2mm及出口直径D2=13mm。研究结果可为射流式自吸离心泵射流喷嘴的设计提供参考。     

液环泵复合叶轮内流场及外特性分析

为分析复合叶轮液环泵的内流场及外特性,以2BEA203型液环泵为基础,综合考虑液环泵叶轮及复合叶轮设计原理,设计了液环泵复合叶轮,并采用数值模拟与试验测试相结合的方法对原型叶轮液环泵和复合叶轮液环泵内瞬态流场进行对比分析。结果表明:相对于原型叶轮液环泵,复合叶轮液环泵内气液分界面更加光滑,排气区及压缩区壳体处压力分布均有所降低,叶轮流道内二次流旋涡强度减弱。2BEA203型液环泵复合叶轮在0.02、0.035和0.05kg/s流量工况下的效率分别提升了2.7、3.8和4.3个百分点,各工况下的真空度也略有提高。由于流动的非对称特性,复合叶轮和原型叶轮液环泵壳体内压力脉动沿周向均呈现出明显的分区特性。液环泵壳体从吸气区开始沿圆周方向的压力脉动幅值先变小,在压缩区达到最小而后再变大;复合叶轮液环泵壳体绝大部分监测点处压力脉动幅值小于原型叶轮;液环泵壳体各分区的压力脉动呈现不同的主频特征。     

高比转速斜流泵内部非定常压力脉动特性

为了研究斜流泵叶轮和导叶的动静相干作用引起的内部压力脉动特性,该文基于标准k-ε模型,采用SIMPLEC算法和滑移网格技术,对高比转速斜流泵进行非定常数值模拟,分析了不同工况下的叶轮进出口、导叶中部和导叶出口等位置的压力脉动的时域和频域特性。通过定常计算的扬程、效率值与试验值进行对比,证明该计算方法和网格可以较准确地反映斜流泵内的流动特性。计算结果表明,斜流泵最大压力脉动发生在叶轮进口前,泵运行偏离最优工况越远,叶轮进口处压力系数幅值越大,在0.7Qopt工况时叶轮进口监测点P03的压力系数幅值约为最优工况的1.5倍;压力脉动主频为叶轮叶片通过频率。研究成果为揭示斜流泵内部压力脉动规律提供了一定的理论参考。     

斜流泵叶轮水力径向力的数值模拟与试验验证

该文采用数值分析法研究了斜流泵叶轮的水力径向力变化规律,通过数值模拟准确地预测了斜流泵的水力性能,扬程预测误差在4.4%以内。通过数值分析获得了斜流泵叶轮的瞬态水力径向力数据,均匀进口条件下,叶轮的瞬态水力径向力均值几乎为零。对瞬态水力径向力进行傅里叶分析,获得其在频域内的分布,结果显示,当工况从0.6倍设计流量点变至0.4倍设计流量点时,1倍和4倍轴频下的径向力突然增大,叶轮的水力不平衡和动静干涉中的叶片通过激励增强了上述频率下的水力径向力数值。流场分析显示,在小流量工况时,叶轮与导叶体之间的回流涡旋完全占据了泵内流道空间。进一步的压力脉动分析证实,在小流量工况下,动静干涉中的叶片通过激励显著增大了叶轮与导叶之间测试点的压力脉动幅值。     

斜流泵叶轮水力径向力的数值模拟与试验验证（英文）

该文采用数值分析法研究了斜流泵叶轮的水力径向力变化规律,通过数值模拟准确地预测了斜流泵的水力性能,扬程预测误差在4.4%以内。通过数值分析获得了斜流泵叶轮的瞬态水力径向力数据,均匀进口条件下,叶轮的瞬态水力径向力均值几乎为零。对瞬态水力径向力进行傅里叶分析,获得其在频域内的分布,结果显示,当工况从0.6倍设计流量点变至0.4倍设计流量点时,1倍和4倍轴频下的径向力突然增大,叶轮的水力不平衡和动静干涉中的叶片通过激励增强了上述频率下的水力径向力数值。流场分析显示,在小流量工况时,叶轮与导叶体之间的回流涡旋完全占据了泵内流道空间。进一步的压力脉动分析证实,在小流量工况下,动静干涉中的叶片通过激励显著增大了叶轮与导叶之间测试点的压力脉动幅值。     

渣浆泵叶轮磨损的数值模拟及试验

为研究渣浆泵运行过程中叶轮的磨损情况,该文以一台离心式工程塑料渣浆泵为研究对象,对其全流场进行了结构化网格划分,首先对包括设计工况点在内的5个工况进行了清水条件下的数值模拟,并与试验数据进行对比,发现最大误差不超过5%,设计工况点误差不超过3%,说明所用数值模拟方法得到的结果是可信的。随后基于ANSYS CFX商用软件中的Particle欧拉多相流模型,对模型泵内流场进行了固液两相数值模拟并进行了快速磨损试验,模拟与试验结果表明:叶轮磨损较严重的部位位于叶片进口边、流道中前段靠近叶片压力面的后盖板内侧、叶片压力面与后盖板交界处及叶片压力面端面;背叶片的磨损主要发生在叶片压力面外缘,并由此处开始往轮毂处发展,磨损形状大致呈抛物线型,分析认为隔舌处的高压引起流道中颗粒相回流撞击背叶片外缘是造成背叶片磨损的主要原因。通过模拟结果与试验结果的对比,证明所采用的数值模拟方法可以有效地预测渣浆泵运行时叶轮的磨损,其结果可较好地解释磨损产生的原因,该研究可为今后渣浆泵叶轮抗磨损性能的优化设计提供参考。     

气液两相离心泵受力特性研究

离心泵在气液两相流工况运行时,叶轮内部流动极不稳定,为了研究叶轮在该工况下的受力情况,该文采用计算流体动力学的方法对某一气液两相离心泵进行了研究。基于欧拉-欧拉非均相流模型及SST湍流模型求解气液两相流离心泵的三维湍流流场,并将数值模拟结果与试验数据对比,两者吻合较好。通过对不同含气率工况下的离心泵瞬态特性进行分析发现,叶轮所受轴向力的大小随着时间的变化而波动,进口含气率达到3%时,轴向力脉动出现明显的峰值,这些峰值所对应的频率均为叶轮转频,随着进口含气率的增加,出现了2个及以上的峰值,进口含气率为7%工况的轴向力脉动峰值是3%工况的3倍,是5%工况的2倍;叶轮所受径向力大小及径向力脉动幅值均随进口含气率的增加呈先增加后减小的趋势,各工况下径向力脉动峰值所对应的频率均为叶片转频的倍数;通过分析进口含气率分别为1%、3%及7%工况下叶轮中间截面的含气率分布、涡量分布以及静压分布可得,叶轮内含气率较高区域的涡量也较大,而该区域的压力分布也不均匀,由此可见,叶轮内气液分布不均导致了叶轮内的压力分布不均,从而使叶轮受力不均。     

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。     

离心泵射流自吸装置的研究

介绍一种新型离心泵射流自吸装置的工作原理及结构，通过在普通离心泵的进口处增设一个带“文氏管”的自循环射流器，使该射流器与压水室第六断面的回流孔贯通形成自循环，当泵运转时，不仅可以完成自吸过程，而且可以将自循环射流器上的阀关闭，射流器同时停止工作，因此：泵的效率提高了3%以上。泵的性能试验分析表明，该泵不仅可以实现自吸，性能曲线稳定、平坦，高效率区范围宽，工况佳，而且泵的各项技术指标均满足设计要求。     

基于机器学习的离心泵气液两相压升预测

针对离心泵气液两相压升难以准确预测的问题,该研究构建了基于机器学习的离心泵压升预测模型.通过试验获得入口体积含气率、转速和液相流量对离心泵两相压升性能的影响规律,建立气液两相运行条件下离心泵性能基础数据库.根据试验结果,确定以入口体积含气率、转速和液相流量作为输入特征,构建基于线性回归、BP神经网络、支持向量机和随机森...     

相同外特性的后掠式轴流泵固液两相分布与缠绕试验

针对轴流泵在输送污水介质中的磨损和缠绕问题,设计了外特性相同但后掠角分别为40°和60°后掠叶片,并采用Particle颗粒模型进行固液两相流数值模拟,发现设计流量工况下60°后掠叶片固相分布情况要优于40°后掠叶片,60°后掠叶片压力面上的固相体积分数平均比40°后掠叶片上的固相体积分数小0.1,60°后掠叶片吸力面上的固相体积分数平均比40°后掠叶片小0.2。进一步对60°后掠叶片进行研究,发现随着颗粒直径的增加,叶片上的固相体积分数随之增加,且固相集中的区域都很相似;随着初始颗粒体积分数的增加,60°后掠叶片上的固相体积分数也随之增加,但初始颗粒体积分数越大,对后掠叶片压力面上固相体积分数的影响越小。为检验后掠叶片的抗缠绕能力,对60°后掠叶片进行缠绕试验,发现单独的后掠叶片形式的轴流叶轮不易发生缠绕,但当叶轮与套筒配合后,若面对大量棉线,容易在进口边轮缘处发生堆积。该研究为输送污水介质轴流泵的抗磨损和抗缠绕性能的研究提供了参考。     

混流泵启动过程压力脉动特性试验

为研究混流泵启动瞬态过程规律,建立了混流泵启动过程瞬态外特性和压力脉动测量系统,探究不同启动时间和不同流量下瞬态压力脉动的时频特性。通过变频器设置启动时间,分别采用LWGY-250型涡轮流量计和MPM480型压力传感器进行瞬态流量和瞬态压力测量,并基于小波变换对启动过程的非平稳压力脉动信号进行分析。研究结果表明,在启动过程中,随着泵转速增加,流量和扬程曲线均可近似分为缓慢上升、快速上升而后缓慢趋于稳定3个阶段,且每个阶段完成时间均与启动时间长短呈正相关。启动结束时刻,由角加速度与低工况运行共同引起的压力冲击现象与流量大小和启动时间有关。流量一定时,启动时间越短,压力冲击越显著;启动时间一定时,流量越大,进口压力冲击越小甚至消失,而叶轮中部与出口的压力冲击愈加明显;1 s启动且稳定工况为1.2倍设计流量时,叶轮中部与出口的最大冲击压力值分别可达37和28 kPa。对于快速启动,流量对启动过程瞬态压力变化无影响,在启动结束后流量对压力变化影响开始显现,当压力趋于平稳时,2种不同流量下叶轮中部的压力差约为30k Pa;对于慢速启动,流量对启动特性的影响在启动过程便有明显体现,在启动结束时刻,叶轮中部和出口的压力峰值均下降15k Pa。启动过程中,叶轮主频为叶频及其倍频,其变化趋势与转速变化一致。快速启动条件下,在启动结束时刻主频压力幅值存在由压力冲击造成的极大值。研究成果可为揭示瞬态运行特性及优化、设计瞬态工作水泵提供参考。     

旋流自吸泵泵体结构参数的优化设计

采用CFD软件通过大涡模拟,基于正交设计法对旋流自吸泵泵体进行了优化设计,研究了泵体各几何参数对旋流自吸泵性能的影响。设计了一个4因素3水平的正交方案,对数值计算的数据作了极差分析,得到了各几何参数对设计点扬程、效率,最优点的扬程、效率及最大自吸高度5个性能指标的影响的主次顺序。对于数据处理结果,通过综合平衡法分析得出了最优的参数组合。并对得到的最优参数组合进行性能试验,验证了理论计算的可靠性。计算及分析结果对旋流自吸泵性能优化设计具有一定的参考价值。     

基于CFD的射流自吸泵性能优化与试验

为提高射流自吸泵效率,该文选择关键结构参数射流器喉管直径、射流器出口直径、叶轮出口宽度和叶片数作为目标因素,设计四因素三水平正交试验,共9组试验。运用数值分析软件提供的湍流模型对各方案进行数值计算。通过极差分析确定性能最优参数组合,其中对效率影响最主要因素为喉管直径。以喉管直径为优化目标设计单一变量试验,分别在小流量点、额定流量点及大流量点进行数值计算,通过数据拟合得到正交试验最优参数组合在不同流量下以喉管直径为自变量的扬程、效率方程式,运用极值运算及加权平均得到最优喉管直径。试验结果表明:相比原型泵,优化模型在额定流量点效率提高约5%。该研究为同类泵的优化提供了一种较可靠的试验设计及数据处理方法。