采用熵产理论的离心泵断电过渡过程特性

该文对商业软件ANSYS CFX进行二次开发,通过自定义函数求解角动量方程获取实时转速,建立了模拟离心泵事故断电过渡过程的三维瞬态数值计算方法,获得了离心泵外特性参数瞬变规律以及内部流场的动态特性。进一步采用熵产理论获得了离心泵事故断电停机飞逸过程中过流部件流场能量损失分布情况,并对流场内随时间变化的能量损失进行定量评估。结果表明:在整个事故断电飞逸过程中,熵产与离心泵外特性之间存在着明显的相关性,能量损失的产生与流场内部的流动分离、回流、漩涡等不良流动现象相关;叶轮、导叶与引水管的主要损失均是由湍流耗散引起的,其壁面熵产占总熵产的10%~15%左右,不可以忽略,而蜗壳区的损失则主要是由近壁面处的强壁面效应引起的;通过分析各部件流场局部熵产率分布随时间的变化情况,可以得出在制动工况中内流场的高损失区域最大。     

基于熵产理论的超低扬程双向卧式轴流泵装置飞逸特性

超低扬程的泵站常具有双向输水的需求,因而双向水泵装置在双向运行工况下都具有发生飞逸事故的风险。为研究泵装置在正反向飞逸过渡过程的差异性,该研究建立双向低扬程卧式轴流泵全过流系统,采用流体体积函数方法计算上下游水气两相分布,利用力矩平衡方程推导叶轮实时转速,并结合熵产理论进行分析。计算结果表明：网格收敛指数的计算验证了网格的独立性,模型试验则验证了数值模拟及熵产计算的准确性;叶轮扭矩的波动频率受叶频控制,且正向飞逸工况下扭矩波动的幅值更高;总计算域中直接耗散熵产占主导地位,湍流耗散熵产次之,壁面耗散熵产最少;各计算域中叶轮的总熵产值最高,源于较大的速度梯度和强烈的动静干涉作用;轴流泵进入稳定飞逸状态下,正向飞逸工况扭矩的波动幅值明显高于反向飞逸工况;零流量时刻下,涡核与熵产率分布相似说明涡核的聚集与漩涡的演变是流场产生明显能量损失的原因。     

贯流式水轮机飞逸过渡过程瞬态特性CFX二次开发模拟

当水轮发电机组处于飞逸状态时,水轮机内部会出现严重的不稳定现象,容易引起机组的振动。贯流式水轮机因为水头低、流量大、通道短等特点,其过渡过程与常规的立式水轮机有许多不同之处。基于此,该文通过CFX16.0和Fortran程序的二次开发建立了水轮机飞逸过程的数值计算方法,对贯流式水轮机的飞逸过程进行了数值模拟,获得了转速、流量、力矩、轴向力等外特性参数在飞逸过程中的变化历程以及水轮机内部流场的动态特性。结果表明:计算得到的最大飞逸转速为2 190 r/min与试验测得的结果较为接近,误差不超过2.5%,验证了该数值方法的可靠性;飞逸过程中其余外特性参数的变化规律均符合高比转速水轮机飞逸过程的流动规律;在飞逸过程中,由于转速和流量的增加使得水轮机转轮进口相对液流角降低,水流在叶片吸力面进水侧靠近叶缘处发生撞击形成高压,在叶片压力面进水侧叶缘处出现脱流产生负压,并随着转速的升高,高压区和低压区逐渐增大,转轮叶片受力变得极为不均匀容易引起疲劳破坏;同时,转速的增加使得转轮出口环量增加,在尾水管内部将会形成偏心的螺旋涡带,引起了强烈的低频压力脉动,振幅最大可达到试验水头的104%,不利于机组的安全稳定运行。     

半开式离心泵变工况叶顶间隙的流动特性

为研究不同工况下,叶顶间隙对半开式叶轮离心泵内部流场及外特性的影响,该文对某半开式叶轮离心泵内部三维湍流流场进行数值模拟。揭示了离心泵内不同工况下叶轮流道和叶顶间隙层内的流动规律,对比分析了4种不同流量工况下叶顶间隙泄漏涡的流动特性、叶顶间隙层总压与相对速度分布,以及流量的变化对离心泵外特性的影响。结果表明:在小流量(设计流量为1.5 m3/h)时,间隙层内充满了泄漏涡,随着流量的增加涡核逐渐减少;大流量时涡核几乎消失,但此时流体速度激增,流动冲击损失变大在叶轮出口与间隙层附近存在着大面积回流,小流量时回流几乎占据了整个出口。通过模型泵外特性试验,验证了数值计算的准确性。该文为离心泵叶顶间隙设计及水力优化提供了参考。     

基于粒子图像测速技术的液力偶合器漩涡流动特性研究

液力偶合器内部流动特性对能量的高效传递非常重要。深入研究液力偶合器内部流动机理和流场结构分布,对于优化液力偶合器腔型结构并进一步提高其工作性能具有重要意义。液力偶合器的内部流场是具有多种流动结构和多种物理效应并存的流场,存在多种复杂的流动现象,尤其在制动工况下液力偶合器涡轮内部流动是一种特殊的漩涡流动。为了研究制动工况下涡轮独立流道内漩涡流动的产生与运动,基于粒子图像测速技术（particle image velocimetry,PIV）采集涡轮径向切面流动图像。通过灰度化增强、阈值分割、边缘检测、锐化等图像处理技术识别涡轮内部大尺度漩涡流动,定性分析流场结构分布;采用连续帧图像互相关算法定量提取涡轮内部速度场和涡量场,研究涡轮内部小尺度漩涡流动;分析漩涡流动产生的原因及其对液力偶合器能量传递的影响;讨论不同尺度涡旋发展变化的过程,通过涡量场分布结果研究流体能量耗散。分析涡轮近壁面流动区域上的漩涡流动,证明壁面边界区域上的相对涡量将对能量耗散产生重要影响。通过PIV试验研究实现了涡轮内部漩涡流动可视化与流动参数定量化提取,PIV试验研究结果可为液力偶合器内部流动机理研究提供参考。     

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。     

离心泵叶轮全流道非定常数值计算及粒子图像测速试验

为揭示离心泵叶轮旋转流道内的流动特性,设计了便于粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)的测试系统,并对离心泵进行了水力性能测试及叶轮全流道流场PIV测试,获得了不同工况下叶轮内的绝对速度和相对速度分布。基于标准k-ε湍流模型和滑移网格技术进行了非定常数值计算,并将数值计算结果与PIV实测结果进行了比较。结果表明,数值计算能够较为准确地预测离心泵的外特性,扬程误差最大仅为4.62%;PIV测量揭示了叶轮隔舌附近2个流道及其他流道的不同流动状态;数值计算得到的内部流动与PIV测试结果基本一致,在数值上仍存在一定的差异。研究结果为离心泵内部流动特性研究提供了借鉴。     

离心泵叶轮内的网格生成与计算流体力学分析

根据离心泵叶轮通道的几何和流场特点，探讨了离心泵叶轮通道结构化多块网格划分中的一些处理方法。同时应用标准k-ε紊流模型加壁面函数法对离心水泵叶轮内部的三维紊流流动进行了雷诺平均N-S方程的数值计算与分析。分析了离心泵叶轮叶型对流速分布、压力分布和泵性能的影响，研究了离心泵叶轮通道内流动规律，并以计算流体力学(CFD)分析结果为依据，对离心泵叶轮进行了叶型优化设计。结果表明进行离心泵叶轮内三维紊流数值计算可为离心泵叶轮叶型优化提供详细的数据，应用CFD分析技术可提高离心泵叶轮的设计水平。     

流固耦合作用对离心泵内外特性的影响

应用双向流固耦合方法对导叶式离心泵的外特性和内流场进行分析,研究流固耦合作用对外特性影响的内流机理。流场的定常数值模拟采用雷诺时均方法和标准k-ε湍流模型,非定常数值模拟采用大涡模拟方法,结构响应采用线性瞬态动力学方程。通过对流固耦合前后内部流场的对比,包括叶轮出口处的总压分布和相对速度分布,分析了流固耦合作用对外特性预测值影响的内流机理。同时,对叶轮出口处的压力脉动进行了分析。结果表明,流固耦合作用产生的叶轮变形,尤其是叶轮出口处的较大变形是导致离心泵外特性预测值变化的主要原因。考虑流固耦合作用后,叶轮出口处压力脉动周期性变化的总体趋势与非流固耦合结果基本一致,但振幅更大。考虑流固耦合作用后的最大压力脉动幅值提高了3.1%。研究结果为离心泵性能预测及流动诱导振动的研究提供参考。     

基于粒子图像测速技术的液力变矩器涡轮内流场测试与分析

液力变矩器是自动变速器的主要部件,其在乘用车、载重汽车、公共汽车和机车上的应用广泛。液力变矩器内部流动特性影响其外部性能,为了深入研究其内部流动特性,基于粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术对液力变矩器涡轮内流场进行试验研究。采用帧频为1 000帧/s的CCD高速相机,在不同工况下(输入与输出的转速比分别取0、0.3、0.5、0.7)采集不同粒子直径、不同粒子浓度下的流动图像,经过图像预处理,对连续两帧图像进行互相关计算,获得涡轮径向切面的速度场和涡量场。通过对流场分布结构和流动区域上复杂流动现象的对比分析,发现投入流场中粒子浓度越高(1 500mL蒸馏水中投入2.4 g粒子)、粒子直径越小(10μm)时,识别并提取流动区域上的流动参数越丰富,流速场和涡量场信息越可靠。液力变矩器内部高梯度流场分布结构和非均匀流速场分布导致出现多尺度涡旋和反向流等复杂流动现象,造成液力变矩器内部流动能量损耗,随转速比提高,涡轮流场结构趋于规律,能耗逐渐降低。该文试验测量与分析结果对于液力变矩器结构优化和性能提升提供了参考。     

导叶式混流泵多工况内部流场的PIV测量

为研究不同流量工况下混流泵内部流动特性,该文基于粒子图像测速技术(particle image velocimetry)对0.8、1.0、1.2倍流量工况下混流泵的内部流场进行试验研究,测量获得了混流泵叶轮进口轴截面、叶轮与导叶间隙和导叶内部流场的速度场分布,分析了流量变化对混流泵内部流动的影响。研究结果表明,外特性试验重复性较好,试验结果较为可靠。3个工况下混流泵叶轮进口流场的速度分布趋势基本一致,进口的来流基本沿着轴线方向;随着流量增加,叶轮进口速度不断增大,最大速度达到7.49 m/s,从轮毂到轮缘高速区域速度梯度更为明显,速度等值线分布逐渐形成以左上角为圆心,不断向周围递减的趋势。受动静干涉作用影响,叶轮与导叶间隙流场速度分布较为紊乱,在导叶进口边轮毂附近形成逆时针方向旋涡,诱使叶轮出口流体向外缘侧偏转;随着流量增加,逆向旋涡明显减小,内部流动更趋于平稳。动静干涉效应进一步影响导叶进口流场并形成明显的旋涡结构,造成流道堵塞;在导叶出口由于环形蜗室的影响形成大尺度旋涡结构;随着流量增大,导叶外缘高速区向下游移动,导叶进出口的旋涡结构逐渐消失,流动损失减小。研究成果为揭示混流泵内部流动特性和优化混流泵设计提供参考。     

离心泵内部非定常压力场的数值研究

为研究离心泵内部压力随叶轮旋转的变化,采用FLUENT提供的滑移网格技术对设计工况下离心泵内的非定常流动进行了数值计算,分析了离心泵内部非定常流动的规律。结果表明：离心泵内部流动的非对称特性和非定常特性明显;离心泵出口和叶片进口压力的波动对离心泵性能影响较大;在蜗壳中部截面S2和蜗壳出口截面S3上,静压的波动主要受叶片和蜗舌相对位置的影响,而动压的波动主要受叶片和截面相对位置的影响;两截面上沿蜗壳径向静压增大,动压减小;沿蜗壳周向静压随圆周角的增大而增大,而动压略成下降趋势。该分析为研究离心泵内流现象,降低离心泵的汽蚀、振动和噪声提供了有益的借鉴。     

低比转速离心泵内部流场分析及试验

为了研究低比转速离心泵内部流动特性,对10种不同设计方案的低比转速离心泵进行了数值模拟和性能预测,讨论了叶轮和蜗壳的关键几何参数对内部流场和外特性的影响,分析了不同设计方案下泵内的静压、流线、速度和湍动能等分布,并针对复合式叶轮短叶片的分布位置和蜗壳喉部面积进行了对比试验。试验结果表明,该文优选的方案D,通过增加偏置短叶片后,扬程提高了5.5 m,效率提高了3.23%;增大蜗壳内部和喉部面积后,5种设计方案的额定点扬程均提高了约10 m,效率提高了约5%,且扩大了高效区范围。该研究将为低比转速离心泵的性能     

诱导轮时序位置对离心泵水力性能的影响

对带有诱导轮的离心泵而言,诱导轮相对叶轮的时序位置非常关键。为探讨时序位置对整台离心泵性能的影响,该文以某单级离心泵为研究对象,采用三维黏性非定常数值方法,对诱导轮相对叶轮的3种不同时序位置下离心泵的内部流动进行了模拟,并分析了其外特性、振动特性、空化特性随时序位置的变化。结果表明:随诱导轮时序位置的变化,离心泵的扬程和效率都是先增大后减小,扬程变化达1.3%,效率变化达1.32%;诱导轮叶片尾部压力面的漩涡逐渐消失。时序效应对叶轮与径向导叶间的动静干涉有影响,从而影响叶轮所受径向力的分布及叶轮内部和径向导叶头部的压力脉动特性;合理的时序位置可以改善离心泵的空化性能。     

基于数值模拟的深井离心泵导叶性能分析

针对一典型的150QJ20型深井离心泵,分别设计了三维曲面导叶与圆柱形导叶,基于FLUENT 6.2软件,采用标准k－e模型、SIMPLEC算法对分别装配两种导叶的两级深井泵全流场模型进行了数值模拟,获得了导叶内的压力分布和泵的外特性参数。对两种导叶内部的静压变化进行了分析,比较了导叶的压力转换能力。结果显示,三维曲面导叶流道内流动损失较小,具有较高的压力转换能力,装配了三维曲面导叶的泵性能较优。将数值模拟结果与试验结果对比,分析了两者的差异,进而证实了数值模拟结果的准确性,为优化导叶水力性能提供了参考。     

离心泵内叶轮与蜗壳间耦合流动的三维紊流数值模拟

根据离心泵通道的几何和流场特点，探讨了离心泵叶轮通道结构化多块网格划分中的一些处理方法。同时求解三维时均Ｎ-Ｓ方程，并采用“冻结转子法”处理叶轮与蜗壳间动静耦合流动的参数传递和相互干扰问题，对某一设计工况下离心泵内的全三维紊流场进行了计算，捕捉到了离心泵叶轮内、叶轮与蜗壳间及蜗壳内的压力分布、速度分布和旋涡的结构与演化特征等重要流动信息。结果表明，该方法能够较为准确地预测出离心泵叶轮与蜗壳间及内部的流动特性，所得结果对进行离心泵的水力设计或改型优化设计等研究具有重要的指导意义。     

离心泵快速变工况瞬态过程特性模拟

为研究离心泵在不同工况点快速切换过程中的瞬态特性,该文以一台低比转速离心泵为研究对象,对其工况流量突然减小的瞬态过程,分别采用理论分析和数值计算的方式进行了外特性预测和内流场仿真研究。首先基于叶轮机械广义欧拉方程式,对离心泵模型在流量突然减小瞬态过程中的附加理论扬程进行了定量计算与分析。结果表明,同等条件下,变工况过程结束后的稳定流量越小,附加理论扬程越大,瞬态效应愈发明显;同时该瞬态过程后期的瞬态效应比前期更为明显。动静干涉效应对泵出口流动参数产生显著影响,而对泵进口流动参数的影响并不明显;动静干涉效应对小流量工况时各个流动参数的影响将尤为显著。叶片与隔舌相对位置最近时,计算扬程最小;当隔舌位于叶轮流道中间位置稍后时,计算扬程最大。同一个转动周期(T)内,选取叶片转过隔舌后的0.225 T和0.825 T位置进行单次定常计算可取得较高精度的数值预测结果。动静过流部件和粘性效应使得叶轮和蜗壳内的轴向速度分布规律完全相反。瞬态过程中流体加速效应使得瞬态流场演化整体上滞后于准稳态流场。     

超低比转速离心泵关阀启动瞬态特性分析

为探究超低比转速离心泵关阀启动瞬态特性,该文以一台比转速为25的超低比转速离心泵为研究对象,在关死点工况下对稳态和关阀启动瞬态过程进行数值模拟,并与试验结果进行对比,研究表明:在关死点稳态工况下性能曲线与试验测得结果变化趋势相同,最大偏差小于5%,验证了数值模拟的准确性;关阀启动过程,不同启动加速度下启动过程的末期均出现一个冲击扬程;在相同转速时,稳态过程中间截面的静压分布、相对速度流线分布和进口管路内相对速度与关阀启动瞬态过程分布趋势存在差异。关阀启动瞬态过程内部流场的发展总体上滞后于关死点稳态过程内部流场。研究结果可为进一步研究超低比转速离心泵启动的瞬态过程特性提供参考。     

低比转速复合叶轮离心泵停机过程水力特性

离心泵的瞬态水力特性对于系统的安全可靠运行至关重要,因此掌握其在过渡过程中的水力性能对于优化水力设计、提升可靠性具有重要价值。为探索低比转速带分流叶片的复合叶轮离心泵在突然断电停机过程中的水力特性,在8个不同稳态流量比的情况下,测量了一台比转速为45的复合叶轮离心泵的转速、进出口压力、扬程、流量、扭矩和轴功率等性能参数随时间的动态变化过程。作为对比参考,还同时测量相同叶片形状和尺寸的普通闭式叶轮离心泵停机过程的水力性能。结果表明:随着停机前稳定流量的增大,叶轮停止转动所需的时间越来越短;转速曲线变得更为陡峭,转速下降曲线基本上为四次多项式函数形式。流量在停机初期较为稳定,大大延迟于转速下降历程;随着停机前稳定流量的增大,流量较为平稳的持续时间呈现出轻微缩短的趋势,而流动完全停止所需的时间却越来越长,与转速曲线变化特性完全相反。扬程和出口静压力与转速的变化规律类似。进口静压变化十分剧烈,但在6.0 s左右趋于稳定。轴扭矩与轴功率的变化趋势基本上一致的,均与转速的变化规律类似。性能参数特征时间随流量比的增加而线性减小。同一流量比条件下,性能参数特征时间由长到短的顺序为流量、扬程、转速、扭矩和轴功率。与普通叶轮离心泵相比,在相同流量比条件下,复合叶轮离心泵性能参数的特征时间有延长的趋势,特别是流量、扬程和转速。     

双吸泵叶轮切削后效率下降机理及切削定律

工程中经常存在双吸离心泵实际扬程远高于输水系统所需扬程的情况,通常采用切削水泵叶轮以达到泵站节能的目的。为了研究叶轮切削对双吸离心泵水力性能的影响,该文采用RNG k-ε湍流模型对叶轮切削后的双吸离心泵外特性和内部流场进行了CFD分析,首次揭示了叶轮切削后的水力损失机理,包括损失的位置、大小和原因。研究发现,随切削量增加,性能曲线上最优效率点位置向小流量工况显著偏移,双吸离心泵的最优效率值逐渐下降。叶轮切削而增加的水力损失主要产生在叶轮内部,这是由于叶轮切削后,叶片对水流控制能力变弱致流道内漩涡增多,造成叶轮部分水力损失明显增加;而隔舌间隙增大并未使压水室内的水力损失明显增加。在叶轮切削量一定前提下,在大流量工况,数值预测的结果与相似换算理论值近似相等;当切削量超过4%时,在小流量工况,依相似定律换算得到的扬程和轴功率值低于CFD计算结果。