双叶片泵内压力脉动的数值模拟

为分析双叶片泵内压力脉动特点及其主要影响因素,采用RNG κ-ε模型对由叶轮水体、蜗壳水体及叶轮进口延伸段水体组成的三维计算区域进行3种不同工况下的非定常计算。通过分析计算模拟数据得出压力脉动时域图及频谱图,结果表明,双叶片泵内压力波动呈正弦周期性变化,进口处监测点压力波周期为其他监测点的2倍;压力脉动主要与泵内动静耦合作用有关,叶轮进口压力脉动主频等于叶轮的转频,叶轮与蜗壳耦合处及蜗壳出口压力脉动主频等于叶轮转频与叶片数的乘积,不同流量下同一监测点具有相同的主频,但其主频幅值不同,小流量下幅值最大,设计流量下幅值最小,叶轮与蜗壳耦合处压力脉动从隔舌处开始在叶轮旋转方向上逐渐衰退,所得结论对掌握双叶片泵内压力脉动产生的原理及其特性具有重要的指导意义。     

混流泵压力脉动特性及其对流动诱导噪声的影响

为了研究不同工况下混流泵内部压力脉动特性及其对流动诱导噪声的影响,基于RANS方程和SST k-ω湍流模型,对混流泵进行非定常数值计算,在此基础上取叶片表面非定常压力脉动作为声源,采用间接边界元法对由叶片旋转偶极子源所引起的外场噪声进行数值计算。结果表明:混流泵叶轮进出口处的压力脉动幅值均是沿着轮缘到轮毂逐渐减小,叶轮进口处压力系数的最大值是出口处的2倍;沿着蜗壳周向,隔舌部位处压力脉动最为剧烈,随着监测点的位置远离隔舌,其压力脉动情况逐步改善;不同工况下,混流泵内各处的压力脉动主频均保持叶片通过频率不变;混流泵叶轮和蜗壳之间的动静干涉作用是引发流动诱导噪声的主要原因;流动诱导噪声的主频是由压力脉动主频以及泵体结构的固有频率综合决定的;不同工况下,混流泵内部压力脉动程度越强,该工况对应的流动诱导噪声辐射水平越强。该文对混流泵机组的稳定运行以及流动诱导噪声的控制提供了参考。     

旋转失速条件下离心泵隔舌区动静干涉效应

为研究旋转失速条件下离心泵隔舌区动静干涉效应和流动特性,采用大涡模拟方法对一离心泵进行了数值模拟,得到了水泵内部流场和隔舌区压力脉动特性。对不同旋转时刻的内部流动进行分析,发现当流量小于0.75倍额定流量时,叶轮中发生了旋转失速,并且由于隔舌附近逆压梯度较大,当叶轮流道通过隔舌处时会发生"固定失速"的流动现象。对旋转失速条件下蜗壳上的压力脉动进行分析,发现蜗壳隔舌处的压力脉动幅值最高,沿着流动方向依次减小。当旋转失速发生以后,蜗壳上的压力脉动幅值约为非失速工况下的2~3倍,并随着流量减小,压力脉动主频幅值增大。在旋转失速初始阶段,隔舌区"固定失速"对压力脉动的影响较弱,旋转失速的影响占主导,蜗壳上的压力脉动主频为0.5倍叶频;而当流量进一步减小至0.25倍额定流量时,隔舌区的"固定失速"对压力脉动的影响作用增强,削弱了旋转失速的作用,蜗壳上靠近隔舌区的压力脉动主频为叶频,而远离隔舌区的位置受"固定失速"影响较小,旋转失速的影响占主导,主频仍是0.5倍叶频。该研究结果可为离心泵机组运行稳定性提供参考。     

双吸泵作液力透平时叶轮内部能量损失机理分析

叶轮是双吸泵作液力透平的核心部件，其性能决定着液力透平的能量回收能力。为研究液力透平叶轮内部能量损失机理，该研究基于熵产理论和数值模拟，采用剪切压力传输（Shear-Stress Transport，SST）湍流模型，分析了不同流量下液力透平各过流部件的能量损失规律。结果表明：叶轮流道内部不稳定流动造成的能量损失和近壁区的内摩擦效应引起的能量损失是整机水力损失产生的主要组成部分；叶轮内部的流动分离、漩涡、动静干涉、强曲率流动以及尾水室内部的死水区对叶轮内部流动状态的反作用等会对能量损失产生较大影响，且平均损失占比高达41%；叶轮近壁区的能量损失主要由叶片和前后盖板与流体间的相互作用导致。研究结果可为双吸液力透平的水力优化设计提供参考。     

基于滑移网格研究双流道泵内非定常流动特性

为研究双流道泵内由叶轮/蜗壳相互作用引起的非定常流动特性,基于滑移网格和RNG湍流模型计算双流道泵内的非定常流动。计算结果表明：在一个周期内,随叶轮流道相对于隔舌位置不同,其内相对速度、静压及总压分布呈周期性变化;当叶轮流道靠近蜗壳出口侧时,相对速度、静压及总压分布规律性较强;喉部为蜗壳内循环流体与叶轮排出流体的混合区域,流动最为复杂;蜗壳内各监测点的静压呈周期性变化,远离蜗壳出口的监测点的静压脉动明显大于靠近蜗壳出口的监测点的静压脉动,且越靠近喉部的监测点的静压变化越大,非定常流动特性越强烈;与定常计算相比,非定常计算所得有效扬程更符合实际情况,大于实测扬程且相对偏差仅为10%。     

隔舌安放角对旋流泵内非稳态流动特性的影响

为明确舌安放角对旋流泵性能及非定常流动特性的影响,该研究设计了不同隔舌安放角的蜗壳模型,基于Navier-Stokes方程和RNG k-?湍流模型对旋流泵进行了全流场数值模拟,并通过能量性能和压力脉动试验对数值模拟方法进行了验证。能量性能预测结果表明,存在最优隔舌安放角使泵扬程和效率均达到极大值。流场分析结果表明,隔舌安放角对蜗壳隔舌及扩散段的流态具有较大的影响：较小的隔舌安放角会减小蜗壳喉部的过流面积,使无叶腔内流体的旋转运动受阻,致使循环流与隔舌的动静干涉作用增强;过大的隔舌安放角会造成扩散段产生大尺度的漩涡和回流。压力脉动分析表明,隔舌处压力脉动分布特征受安放角和测点位置共同影响：随隔舌安放角的增大,隔舌处的压力脉动先降低后增大,安放角由30°增大至45°时,2倍轴频（fn）的脉动最大降幅约47%,安放角继续增大至50°时,（0.25～0.5）fn的低频脉动最大增幅约86%;随着测点与叶轮轴向距离增大,隔舌处的压力脉动逐渐减小,叶轮一侧的脉动幅值约为泵体进口一侧的2倍。涡量场分析表明：蜗壳隔舌处频率为2fn的压力脉动由入口螺旋状入流发展扩散产生;隔舌处涡核分布的不对称性是导致蜗壳隔舌处压力分布不对称的原因。适当增大隔舌安放角能有效改善旋流泵隔舌处内流的稳定性,并一定程度提升旋流泵扬程和效率。综合各项性能表明该模型泵隔舌安放角45°时性能最优。研究结果可为旋流泵优化设计提供理论参考。     

隔板起始位置对大型双蜗壳双吸泵径向力和压力脉动的影响

为研究双蜗壳泵内压力脉动情况,该研究以某大型双蜗壳双吸泵为研究对象,通过三维非定常计算对不同隔板起始位置对水力性能、叶轮径向力、蜗壳内各点压力脉动的影响进行研究。研究结果表明,采用双蜗壳结构后,设计点效率下降4%～5%;径向力大小在叶轮旋转过程中呈周期性变化,径向力大小受隔板起始位置影响较大,因此需要合理布置隔板起始位置;隔舌附近各点压力分布均呈现明显的周期性波动变化,隔舌后测点压力峰值、平均值及脉动值要远小于隔舌前测点,仅为隔舌前测点相应值的25%～50%,而且随着隔板起始位置后移,隔舌附近各点压力波动逐渐减弱;综合考虑水力性能及压力脉动影响,隔板起始点应布置于自隔舌点以叶轮中心为圆心向蜗壳出口方向旋转200°位置,该结构下水力效率最高,径向力最小,研究结果可以为大型双蜗壳双吸泵水力性能改进及结构优化提供一定的理论支持。     

多级离心泵内部非定常压力分布特性

为研究多级离心泵运行过程中的振动特性,以一台两级离心泵为例,建立整泵的流道模型,基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件ANSYS CFX,选取标准k-ε模型,进行全流场三维非定常数值计算,获取额定工况下叶轮出口处和径向导叶内不同位置处的压力脉动特性、作用在叶轮上的扭矩特性以及作用在叶轮上的径向力特性,并对其进行频域分析。结果表明:各监测点的压力均呈现出以叶片通过频率为主频的周期性压力波动;作用在叶轮上的径向力呈现脉动状态,其矢量分布图基本呈圆形分布,作用在叶轮上的扭矩呈现出以叶片通过正导叶频率为主频的周期性波动;叶片和导叶间动静干涉是影响压力和扭矩波动的主要因素。该研究结果为改善泵体结构设计,提高多级泵的使用稳定性提供依据。     

水泵水轮机甩负荷过程流动诱导噪声数值模拟

为研究水泵水轮机甩负荷过程压力脉动特性及其流动诱导噪声,该文基于网格壁面滑行技术和DES湍流模型,对水泵水轮机发电工况下导叶关闭过程进行连续性模拟,并将流场叶片表面压力脉动信号作为声场流动诱导噪声计算声源,通过对压力脉动特性和流动诱导噪声分析得到：导叶进出口处2个无叶区内压力脉动主频位置均在叶频为斯特劳哈尔数等于0.051与1处,导叶出口处频谱值是进口处10倍之上,说明动动干涉对流态的影响强于动静干涉;当尾水管内出现2个反向旋壁涡带时,压力脉动最强烈且其幅值最大。声场分析结果表明外场噪声的主频由压力脉动主频与壳体固有频率综合决定,声压分布具有"∞"形式的指向形态,且各阶叶频处声压分布呈现出明显的对称性,说明叶片噪声辐射具有明显的偶极子特性;在一阶、二阶叶频处,导叶关闭前一半阶段,流量对于外场噪声辐射能力的影响表现为大流量工况下最强,小流量工况下最弱,导叶关闭后一半阶段正好相反。     

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。     

高扬程潜水排污泵叶轮和蜗壳的匹配优化与试验

为提高高扬程潜水排污泵的性能,该文基于数值模拟、粒子成像测速(particle image velocimetry,PIV)测量和外特性试验并重的研究方法,以比转速为60的高扬程排污泵为研究对象,针对具有超厚叶片的叶轮与3种不同基圆直径的蜗壳进行了匹配优化。数值计算结果表明,具有超厚叶片的高扬程潜污泵蜗壳基圆直径对泵性能影响较大,当其与叶轮直径比D3/D2=1.13时,泵额定点的效率和扬程下降值均小于1%,但当D3/D2增大至1.19时,泵最高效率下降了3.3%;超厚叶片与蜗壳的匹配将直接决定泵内部流场特征,当D3/D2=1.01时,泵内部压力脉动和非定常径向力的峰峰值为D3/D2=1.13时的3倍左右,当D3/D2大于1.13时,其峰峰值变化较小。试验结果表明,兼顾考虑泵的外特性和内流场,方案B(D3/D2=1.13)具有陡降的流量-扬程曲线和饱和轴功率特性,最大轴功率不超过45kW,比国标规定的55kW小10kW,降低了生产成本。泵的高效区范围宽,在设计点泵效率达到71.80%,比国家标准高10.8个百分点;3个超厚叶片形成的3个通道,最大可通过颗粒直径为40mm的固体颗粒。PIV测量结果表明,在较大的流量范围内,叶轮内流场稳定,未出现不良流动现象,且此时泵内的压力脉动和径向力较小。该研究可为"高效率、无过载、无堵塞"的高扬程潜水排污泵的设计研究提供新的思路和实践指导。     

基于运行稳定性的离心泵导叶安装位置优化试验与分析

为提高导叶式离心泵的运行稳定性,探寻径向导叶相对隔舌的最佳安装位置,该文通过数值模拟确定了某型号单级单吸导叶式离心泵的3种典型导叶安装位置,并通过试验对3种安装位置下的外特性、压力脉动和振动特性进行了测试。对比分析了外特性曲线、压力脉动幅值和频域特性、振动幅值和频域特性。研究结果表明,蜗壳隔舌处于导叶出口流道中间位置时,离心泵水力性能最好,效率相对于其他2个位置最多提高2个百分点;测点在3个方向上的振动加速度幅值均处于较低水平,但是会增大蜗壳扩散段在大流量时的压力脉动幅值,最多高出2.25 k Pa。由于径向导叶的存在,2倍轴频和3倍轴频是压力脉动的主要激励频率;2倍轴频与6倍轴频是振动加速度的主要激励频率。蜗壳扩散段压力脉动幅值随着流量增加先减小后增大,在0.6倍工况达到最低值。导叶安装位置对压力脉动频域分布规律和振动加速度频谱特性的影响较小,相同工况下,测点的压力脉动频域分布规律和振动加速度频谱特性基本相同。因此,该研究为径向导叶的合理布置提供了参考。     

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。     

管道泵不稳定压力及振动特性研究

为了找到引起管道泵振动的原因,该文研究了一比转速为59的管道泵叶轮-蜗壳的动静干涉所引起的压力脉动现象,及其对泵振动特性的影响。该文通过对比数值计算方法与试验方法获得的能量特性曲线,验证了计算模型的有效性;在此基础上分析管道泵蜗壳内的脉动压力场,通过数值计算有效研究了蜗壳周向不同位置处43个监测点在不同流量下的压力脉动幅值,特别在叶片通过频率下,蜗壳内的压力脉动特征与流量及蜗壳内监测点位置的关系。同时,通过振动试验,获取泵4个监测区域内25个监测点在不同流量下的振动幅值,通过快速傅里叶变换对振动信号进行频谱分析。计算和试验结果共同表明,隔舌区域的压力脉动幅值最大,叶片通过频率210Hz是压力脉动的主导频率;压力脉动及泵振动均在叶片通过频率下达到最大峰值,进一步论证了叶片通过频率是管道泵产生振动的主要频率值,由该频率引起的压力脉动冲力是管道泵产生振动的主要作用力;泵的压力脉动幅值和振动幅值均高于设计工况;4个监测区域内的振动幅值从大到小依次为:管道支撑,电机,泵体,底座。研究结果可为管道泵低振动的设计提供参考。     

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。     

阀板尾迹对离心泵性能的影响

离心泵进水管路通常布置阀门供检修时切断水流，这会导致离心泵入流畸变。该研究旨在分析泵前检修阀所诱发的非定常尾迹特征及其对大流量工况离心泵运行特性的影响机理。试验对比了均匀来流和畸变来流条件下离心泵的外特性，数值模拟研究了阀板尾迹涡的流动特征及其对离心泵非稳态内流场的影响，分析了阀板尾迹涡诱发的叶轮径向力。结果表明：两种来流条件下数值模拟与试验得到的离心泵外特性误差在5%以内；对离心泵性能产生主要影响的尾迹涡主要来自阀门阀板一侧的边界层分离与卷吸，入流畸变导致大流量工况下离心泵效率相较于均匀入流下降9.15%，扬程降低1.2 m；阀板尾迹在离心泵入口产生1.9倍转频的脉动频率；尾迹涡的周期性入流导致两个叶片前缘的最大相对液流角由30°分别增大至43°和39°，这两个叶片的压力面脱流加剧，产生逐渐向下游耗散的失速团，叶片承受2倍转频的非稳态激振力；尾迹涡的周期性吸入导致叶轮上的时均径向力增大至均匀入流的4.5倍左右，最大径向力达到均匀入流的7倍左右，径向力矢量发生偏移，离心泵断轴风险加剧。研究结果可为工业现场中离心泵运行稳定性的改善提供理论依据。