双流道泵水力设计的研究

在大量试验研究和设计实践的基础上，对双流道泵叶轮和蜗壳的一些主要几何参数进行了统计分析，发展和完善了双流道泵水力设计方法。给出了双流道泵叶轮轴面图前、后盖板圆弧半径R₁、R₂与比转数n_s及叶轮进、出口直径D_j、D₂的关系，提出了叶轮平面图流道中线方程。总结了双流道泵蜗壳基园直径D₃、进口宽度b₃、隔舌角φ₀和面积比系数y的计算公式。     

双流道泵叶轮内湍流的数值模拟

对双流道泵叶轮内3维不可压湍流流动进行了数值模拟。计算采用了雷诺时均N-S方程和修正了的k-ε湍流模型,计算在体贴坐标系和交错网格中进行并采用了SIMPLE-C算法。计算结果首次揭示了双流道泵叶轮内湍流流动的速度分布、压力分布和湍动能分布规律。研究结果可以用来对双流道泵进行性能预测并为双流道泵的优化设计创造了条件     

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%。     

基于Mixture多相流模型计算双流道泵全流道内固液两相湍流

采用Mixture多相流模型、扩展的标准k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,应用计算流体力学软件Fluent对双流道泵全流道内的固液两相湍流进行了数值模拟,并将计算结果与清水单相流数值模拟及泵外特性性能试验进行了对比,揭示了不同粒径及颗粒体积浓度条件下双流道泵全流道内的固液两相流动规律.研究结果表明:在叶轮流道内,固相体积浓度分布极不均匀,颗粒主要集中于叶轮出口处的工作面和后盖板上,但是随着颗粒浓度和粒径的减小,会出现颗粒向背面迁移的趋势;在蜗壳流道内,颗粒主要集中于靠近蜗壳出口侧的流道区域,颗粒运动轨迹紊乱,少部分颗粒脱离叶轮后能直接从蜗壳出口流出,大部分颗粒撞击蜗壳壁面,留在蜗壳内转动数圈才能流出;颗粒浓度变化对固相的离析作用影响相对较小;粒径变化对固相的离析作用影响较大,粒径越大,颗粒撞击点愈加集中于叶轮工作面,固相的离析作用越明显;相同体积流量下,泵进出口总压差随颗粒浓度和粒径的增加而减小.     

不同叶轮外径下双流道污水泵压力脉动特性分析

叶轮外径是双流道污水泵的一个重要结构参数。基于Mixture多相流模型对双流道泵进行了非定常数值计算,研究了设计工况下不同叶轮外径(101、103和105 mm)对泵内压力脉动的影响,并进行了试验验证。结果表明不同叶轮外径时加入适量颗粒后蜗壳周向各点压力脉动基本均在减小且最大减幅达30.9%,各点平均压力脉动减小量随外径增大而减少。加入适量颗粒后随叶轮外径的增大隔舌附近各点压力脉动随时间的周期性越来越不明显,各点压力脉动主频基本都是叶频;随外径变大压力脉动最大幅值相比清水的减小量先增大后减小,各点平均幅值最大减小了22.7%。加入颗粒后叶轮外径增大到105 mm时动静干涉增强各点瞬时静压均剧烈波动,输送固液两相流时选择合适的叶轮外径能减小泵内压力脉动。     

交错叶片对三通道蜗壳离心泵水动力性能的影响

为改善筒袋泵水动力性能,基于SST k-ω湍流模型,对立式筒袋泵首级叶轮进行三维非定常数值模拟,采用时-频域数据处理法,对各个监测点的压力脉动进行分析,主要研究了同一叶轮模型下蜗壳不同截面的压力脉动情况及不同交错角对离心泵内压力脉动和径向力的影响。结果表明:在三隔舌三通道蜗壳内,每隔120°压力脉动情况相似;随着交错角度的增加,距离隔舌较近且顺着叶片旋转方向的监测点压力脉动下降最多,压力脉动标准差下降了85%以上;叶轮所受径向力最多下降了60%;叶片交错后液体在轴向方向上会更容易产生流动,导致流动损失但有助于平稳蜗壳内的压力。综上所述,采用交错叶片有助于提高筒袋泵水动力性能。该研究为交错叶片结构在筒袋泵中的应用提供了参考。     

离心泵能量性能预测的对比

简述了离心泵性能预测的研究现状。分别采用流场计算法和水力损失法对10台离心泵的设计点工况进行了性能预测并详细比较两种方法的预测结果。流场计算采用FLUENT,在双参考坐标系下,选用标准k-ε湍流模型,SIMPLEC方法对叶轮蜗壳进行耦合相对定常求解。预测了各模型的总效率和扬程并与试验值做了比较;计算了理论扬程以及叶轮和蜗壳内的水力损失。对比研究结果表明,基于FLUENT的流场计算法具有比较高的预测精度,其中扬程预测精度平均高0.98%,效率预测精度平均高1.51%。分析了两种方法预测差异的原因。     

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。     

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。     

竖井与轴伸贯流泵装置水力特性比较

为比较竖井与轴伸贯流泵装置的水力特性,借助大型商用CFD软件在水泵水力模型、导叶以及流道总长度保持不变的情况下,对竖井和轴伸贯流泵装置进行了数值仿真模拟计算,并对竖井式贯流泵装置外特性进行了试验验证,试验结果表明设计工况点扬程和效率的模拟结果和试验误差在1%以内,非设计工况误差偏大。计算结果表明:进水流道水力损失较小但是能够影响着水泵性能的发挥,竖井与轴伸进水流道出口的面积加权均匀度分别为92.8%、95.2%,1.25倍设计流量工况下,叶轮的效率在竖井内比在轴伸贯流泵装置内效率最多低1.3%。出水流道的水力损失较大并影响着泵装置的性能曲线,轴伸与竖井出水流道水力损失最大值出现在0.59倍设计流量工况点,此时轴伸出水流道内水力损失值为0.459 m,竖井直管出水流道内水力损失值为0.741 m,轴伸贯流泵装置效率比竖井高了3.5%。算例中扬程以1.27 m为分界线,扬程低时竖井贯流泵装置整体性能较好,扬程高时轴伸贯流泵装置性能较好。该研究可为低扬程泵站的选型提供参考。     

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。     

离心泵径向导叶正叶片参数的优化设计

针对工业生产中常见的节段式多级泵径向导叶和叶轮匹配程度较低的问题,该文借鉴面积比原理,利用数学关系给出了径向导叶正叶片参数确定的新方法。基于FLUENT软件,采用标准k-ε模型、SIMPLEC算法对径向导叶式离心泵单级叶轮与导叶进行了数值验证。结果表明:导叶喉部面积对离心泵性能影响重大,Anderson的面积比系数对导叶式离心泵偏大;正导叶参数的优化设计能提高离心泵的效率,该文设计的最优模型相比传统方法设计的模型,设计工况下扬程提高2.3m,效率提高1.6%,优化设计有效。该研究可为节段式多级泵的水力优化提供参考。     

双向潜水贯流泵装置性能试验与数值分析

该文针对城市防洪排涝泵站的特点,研发了2套双向潜水贯流泵装置,并采用CFD(computational fluid dynamics)技术计算了双向潜水贯流泵装置的内流场,分析了灯泡体段对泵装置正反向运行的影响,包括灯泡体段的水力损失、导叶体内部的流态及"S"形叶轮的水力性能,并经试验验证分析了数值计算结果的有效性。计算结果表明,反向运行时导叶体内部流态较好,反向运行工况优于正向运行;正向运行工况流量为4和5m3/s时,导叶体内均出现涡旋;灯泡体支撑件对"S"形叶轮的水力性能影响极小,但对泵装置水力性能影响较大;正向工况时"S"形叶轮所受轴向力小于反向工况。通过泵装置模型性能试验比较了2套泵装置的综合水力特性指标,并给出了供参考的潜水贯流泵装置的结构尺寸,其中导叶体扩散角为3°,灯泡体长度为2.43D、灯泡体直径为0.46D、泵装置总长为13.45D(D为叶轮名义直径),灯泡体采用流线型尾部及5片支撑件。     

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。     

无过载离心泵结构参数优化设计

低比转数离心泵轴功率曲线随流量的增大而急剧上升,最大轴功率与设计点功率之比远大于一般离心泵的相应值,很容易在大流量区引起配套电机过载。为了实现无过载性能、保证泵运行的可靠性,该文在前人研究成果的基础上,采用改变叶轮几何参数和堵塞部分叶轮流道相结合的方法,对IS50-32-160型无过载离心泵进行了优化设计。利用商业软件Fluent,对两叶片间流道有效部分出口和进口面积之比FII/FI与低比转数离心泵性能的关系进行了研究,当堵塞1/4流道,FII/FI为1.17时,效率曲线平坦,轴功率曲线在大流量区内出现极值,呈现出无过载特性。结果表明:采用该方法可以在实现无过载性能的前提下,有效地改善无过载离心泵的性能。     

基于奇点分布法的轴流泵叶片翼型设计与计算

为将奇点分布法这一有优势的流体机械叶片翼型设计方法应用于轴流泵叶轮叶片设计,以平面势流理论及数值计算为基础,推导了基于适合轴流泵叶片翼型边界条件的漩涡密度函数的系统应用性计算公式,所获结果将准确确定各翼型骨线关键节点位置,它们形成的翼型骨线在满足给定设计点泵的性能参数的同时,还能形成要求的流动奇点与驻点,由此产生流动损失最小的叶片翼型。以该方法改型设计的一台轴流泵的型式试验表明,设计泵在设计点的效率由原来的78%提升到85%,特性曲线符合要求。该研究深化了轴流泵叶轮叶栅流动理论,将奇点分布理论转化为轴流泵叶轮翼型的实用设计方法,为设计技术人员提供了开发新产品的工具。     

基于BP神经网络的离心泵关死点功率预测

离心泵关死点功率至今还不能通过理论计算求得。该文介绍了BP神经网络的结构和特点及其在离心泵性能预测领域的应用现状。基于BP神经网络建立了离心泵关死点功率的预测模型。给出了预测模型的输入模式,并应用试凑法确定了BP神经网络中间隐含层的数目。用46组数据该预测模型进行了训练并给出了神经网络权值和阈值,用3组数据该预测模型进行了仿真并对仿真结果进行了线性回归分析。研究结果表明:建立的离心泵关死点功率预测模型具有比较高的预测精度,其预测平均偏差为4%,可以应用于工程实践中离心泵关死点功率的理论求解。     

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。     

叶片数对离心泵振动噪声性能的影响

叶片数是离心泵的主要几何参数之一。为研究叶片数对离心泵振动噪声性能的影响,以比转速为97的离心泵为例,对比了不同叶片数下的水力和振动噪声性能,并采用FEM\BEM声振耦合计算方法对流动激励下的振动及其声辐射噪声进行了数值模拟,同时与试验数据进行对比分析。结果表明:提出的数值模拟方法可用于预测泵的流动诱导振动和声辐射性能,且在模拟中考虑口环泄漏的影响能够提高计算精度,有口环方案预测得到的振幅较无口环方案的预测精度提高了13.5%。随着叶片数的增加,扬程和轴功率均逐渐增大,最大增幅分别为15.9%和14.1%;效率随叶片数的增加呈先增大后减小再增大的趋势。离心泵蜗壳的压力脉动幅值随叶片数的减小而增大。由于叶轮蜗壳动静干涉的作用,蜗壳隔舌处、第1到第2断面间和扩压管壁面等3个区域的压力脉动幅值相对较高。随着叶片数的减少,蜗壳壁面的振动位移有所增大,最大位移主要发生蜗壳第8断面处。振动速度随着叶片数的增大后减小,与振动位移的规律有一定的差异,振动高速区主要集中在隔舌、蜗壳的第4与第6断面之间和靠近扩压管的第8断面处。设计工况下,泵在叶频对应的声压级和声强随着叶片数的增加先增大后减小,高声压级区域主要出现在泵出口附近的高振动速度引起的垂直方向。综合考虑水力和振动噪声性能,确定该模型泵的最佳叶片数为6。     

轴流泵装置导叶出口水流速度环量对出水流道水力损失的影响

为了定量研究大型泵装置导叶出口水流的速度环量对出水流道水力性能的影响,提出了泵装置导叶出口断面水流的速度环量定量表示方法和平均角速度的测量方法,分别采用数值计算和模型试验的方法研究了导叶出口水流的剩余环量对虹吸式出水流道和直管式出水流道水力损失的影响。结果表明:导叶出口水流的环量对出水流道水力损失的影响较为明显,存在使出水流道水力损失最小的最优环量,虹吸式和直管式出水流道的最优环量分别为0.972和1.308 m2/s;虹吸式出水流道和直管式出水流道最优环量时的水力损失计算值较零环量时的水力损失计算值分别小0.126和0.180 m。研究结果不仅有助于改进低扬程泵装置出水流道的优化水力设计,同时对改进轴流泵导叶的优化水力设计也有重要意义。