颗粒参数对螺旋离心泵流场及过流部件磨损特性的影响

为了研究颗粒参数与螺旋离心泵过流部件表面磨损特性的影响,该文结合数值计算与试验方法,分别引入Mclaury和OKA 2种磨损预测模型对螺旋离心泵内固液两相流场进行求解,并将2种模型中所包含的关联因子函数进行了推导和分析,建立了颗粒参数与过流部件表面磨损的内在关联。结果表明:所采用的数值计算模型准确性较好,相对误差在可接受范围内;叶片工作面的磨损主要集中在叶片头部和螺旋段轮缘附近,叶片背面磨损主要发生在叶轮离心段,蜗壳内壁主要磨损区域为隔舌和靠近出口断面附近;颗粒粒径在0.05~0.16 mm范围内,粒径的增加促进磨损,而当粒径大于0.16 mm后,磨损增长放缓;颗粒体积分数在3%~6%范围内,颗粒体积分数的增加会加剧磨损,而从6%增加到7%时,隔舌处磨损持续增加,在周向角度为101°~326°的截面范围内,颗粒体积分数的增加会抑制蜗壳内壁磨损;颗粒速度与磨损呈正相关,且对磨损的影响较大,不同速度下蜗壳内壁各部位的磨损率变化趋势相近。在此基础上,给出了固液两相流泵水力设计和结构设计的优化方向,该文为提高两相流泵抗磨损性能提供了参考。     

输送多组分介质的离心泵内部固液两相流特性

为了研究固液两相流离心泵输送含有多组分介质的规律,该文以一台离心式固液两相流泵作为研究对象,使用Fluent中的Eulerian多相流模型描述固液两相流动特征。首先选取了3组直径不等的单分散颗粒群作为固相,发现粒径越大,工作面的颗粒浓度越高,固相离析作用越明显。随后选取了5组直径递增的颗粒群作为固相,每组颗粒群包含两组相同的单分散颗粒群,结果表明同一台泵内两组相同的颗粒群的运动特征相同,同时两组相同的颗粒群的浓度之和、速度之和及外特性与单独输送单分散颗粒群的变化规律相似。最后选取了5组粒径不相等的两组颗粒群组合而成作为固相,大颗粒群粒径不变,小颗粒群粒径递增,结果发现不等直径双颗粒群组合与单颗粒群或者等直径双颗粒群有所区别,大小颗粒在内部流动上表现出了独立性和相互影响的现象,小颗粒群的运动特征与单分散颗粒群类似,由于小颗粒的存在使粒径均为0.7 mm的大颗粒体积分数分布发生了变化,小颗粒使大颗粒在泵内分布更加均匀,随着小颗粒群粒径增加,泵的扬程、效率和总压差先急剧上升随后缓慢下降,粒径为0.7和0.15 mm组合时扬程为80.12 m,达到最高值。该研究可为进一步研究多组分介质对泵性能的影响提供参考。     

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.     

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。     

新型锤片式饲料粉碎机分离流道内物料运动规律

基于锤片式饲料粉碎机工作状况,研究物料颗粒在气固两相流中运动轨迹的数学模型,得到物料颗粒沿坐标轴方向上的运动微分方程和位移方程;并使用 MATLAB 对该数学模型进行了数值模拟,得到了物料颗粒理论运动轨迹,对模拟结果按入口固相颗粒速度大于、等于、小于气相速度3种情况进行研究;使用高速摄像机对分离流道内部分颗粒进行跟踪拍摄,并取粒径2 mm目标颗粒和粒径8 mm完整颗粒,对2种物料颗粒理论模型运动轨迹与真实运动轨迹进行了比较,验证了数学模型的合理性.对进一步研究宏观物料运动、颗粒分布及分离装置结构等提供了参考.     

颗粒尺寸对螺旋加料机定量加料性能的影响

为提高螺旋加料机定量加料性能,开展颗粒尺寸对加料量稳定性和准确性的影响研究。以粒径3~5 mm的球形谷物颗粒单圈加料约40 g螺旋加料机为研究对象,基于软球模型,通过对螺旋加料过程颗粒物料力链及颗粒群运动分析,建立具有分料装置的螺旋加料机离散元仿真模型;应用PFC3D(particle flow code in 3dimensions)软件对粒径3、4及5 mm颗粒物料进行螺旋加料过程仿真分析,并以粒径3、4及5mm的球形散珠为试验对象,进行颗粒运动和定量加料试验。综合分析得到:随着球形颗粒粒径的逐步减小,最大接触力逐渐减小,力链分布愈均匀浓密,颗粒间运动的一致性得到提高,物料混合运动趋势逐步减弱,定量加料的稳定性和准确性逐步提高。粒径3 mm球形散珠螺旋加料转动60°,平均加料量为6.477 g,加料量标准差为0.537,加料量最大相对误差为±0.153%。     

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。     

后掠式叶片轴流泵固液两相流数值模拟与优化

针对轴流叶轮在污水固液两相流介质中的磨损问题,该文设计了不同后掠式叶轮结构方案进行优化设计,分别对后掠角度为40°、65°、90°的后掠叶片和原型叶片进行固液两相流数值模拟和试验对比,并分析了不同后掠方案叶轮内固体颗粒的分布特性。数值模拟结果表明,随着后掠角度的增加,叶片压力面固相体积分数会逐渐减少,而叶片吸力面上固相体积分数会先增加后减小,叶轮内固相的径向流动越明显并且叶片后掠角度越大,固相就越难与叶片压力面接触,而越易与叶片吸力面接触;颗粒直径越大,后掠叶片压力面上固相体积分数越大,而叶片吸力面进口边靠近轮毂处的固相体积分数增加;颗粒浓度越大,后掠叶片压力面上固相体积分数减少,叶片吸力面上固相体积分数增加。当优化后的后掠叶片角为90°时,该叶片结构优化了固体颗粒的分布,可大幅降低叶片轮缘处的磨损,提高了轴流叶轮在污水介质中的使用寿命和运行可靠性。     

固体颗粒对高压叶片泵配流副油膜特性影响的数值模拟

叶片泵对油液的清洁度要求较高，油液中混入的少量固体颗粒会引起泵内部摩擦副磨损而使其间隙增大，影响叶片泵的容积效率。为了探明颗粒在叶片泵配流副油膜内部的分布状态及其对配流副损坏机制，该研究使用理论分析、数值模拟和试验测试的方法，研究油液中的固体颗粒对高压叶片泵配流副油膜特性的影响。应用Fluent内置的两相流模型，分别改变固体颗粒直径（0.5～13μm）和固相体积分数（0.2%～1%）、泵的工作压力和转速，开展子母叶片泵配流副油膜内部的固相体积分数分布与温度分布的数值模拟，并对数值模拟结果进行验证。结果表明，油液中的固体颗粒基本不影响配流副油膜的压力数值及其分布，但会引起排油区的油膜温度下降低。随着颗粒直径的增大，吸油区油膜固相体积分数减小，最大变化量为0.25%，排油区油膜固相体积分数增大，最大变化量为0.35%，油膜固相体积分数整体上呈增大趋势变化。叶片泵容积效率随着固体颗粒直径的增大而下降，二者近似线性关系。随着颗粒固相体积分数的增加，油膜固相体积分数整体呈增大的趋势变化，最大变化量为0.72%，引起叶片泵容积效率下降，且颗粒固相体积分数与容积效率之间呈非线性关系。油膜表面的温度随颗粒固相体积分数的增加而减小，吸油区各区域油膜温度变化较小，排油区油膜温度最大变化量为2 K。配流副油膜受压差流影响较大的区域内固相体积分数随工作压力升高而减小，最大变化量为0.3%，油膜表面各区域的温度有所上升，核心区域温度变化量为4 K。油膜大部分区域的油膜固相体积分数和温度都随着泵转速的增大而增大，影响较大的区域中固相体积分数最大变化量为0.2%，温度最大变化量为3 K。研究结果可为高压叶片泵配流副的设计提供参考。     

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。     

颗粒体积浓度对半开式叶轮离心泵泄漏涡和磨损的影响

固液两相流条件下半开式叶轮离心泵中颗粒冲击、泄漏涡发展和颗粒轨迹之间存在紧密交互作用,导致过流部件的磨损行为复杂多变。该研究结合双向耦合欧拉-拉格朗日方法和颗粒磨损Finnie模型,对不同颗粒体积浓度下半开式叶轮离心泵固液两相流场进行求解,分析了颗粒体积浓度对泄漏涡结构特征、颗粒运移轨迹和磨损特性的影响,揭示了颗粒体积浓度、叶顶间隙泄漏涡和过流部件表面磨损规律的关联机制。结果表明：随着颗粒体积浓度的增加,颗粒的频繁撞击加剧了叶片压力面进水边和后盖板磨损程度,叶片吸力面出水边的磨损范围向进水边方向延伸;颗粒体积浓度小于1%时,颗粒的轴向运动和叶顶间隙泄漏涡的阻碍作用导致颗粒易与叶片前缘靠近叶根处和吸力面出水边靠近叶顶的区域发生撞击,诱发严重磨损,且呈现点状磨损;当颗粒体积浓度大于3%时,叶轮后盖板的整体磨损强度大于叶片,颗粒体积浓度的增加造成流入叶顶间隙层的颗粒数增加,颗粒对叶顶间隙泄漏涡的冲击导致涡流的破碎、分离、再融合,加剧不稳定流动,泵的扬程和效率均明显下降。该研究可为固液两相半开式叶轮离心泵优化设计和安全稳定运行提供理论参考。     

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。     

高效低噪无过载离心泵多目标水力优化设计

为了整体提高离心泵水力设计水平,以叶频噪声声压级、扬程、效率和轴功率这4个指标作为判断标准,首次采用权矩阵方法借助数值模拟技术对离心泵叶轮进行了多目标优化设计。各指标的数值计算采用CFD/CA(computational fluid dynamics/computational acoustic,计算流体力学和计算声学)相结合的方法进行。基于L9(34)正交试验,深入研究了叶轮直径、叶片出口安放角、叶片出口宽度和进口安放角对离心泵扬程、效率、轴功率和流动噪声的影响规律,并根据权重分析获得了一组最佳几何参数组合。通过进行优化叶轮与原型叶轮的性能对比试验,发现该优化方案全部达标,设计流量下扬程提高2.5%,效率提高3.8%,轴功率下降3.3%,出口声压级降低1.2%,验证了权矩阵数值优化方法的可行性。粒子图像测速法内流场对比试验说明:优化方案无明显"射流-尾迹"流动结构的存在,其最大速度比原型泵小6.7%,低速区的面积比原型泵大,且由于减小了叶轮外径,叶轮和隔舌间的动静干涉作用也有所减弱;高效率低噪声离心泵叶轮设计的关键是选择合理的叶轮和隔舌间隙,以减弱叶轮出口的尾流脉动。该研究为实现高效、无过载、低噪声离心泵水力设计提供了参考。     

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。     

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。     

基于不等扬程的离心式长轴泵的优化设计与试验

为使离心式长轴泵能够在不同工况下高效运行,该文以500GJC-32.3×3型离心式长轴泵为例,对其进行优化,首先根据传统方法估算离心式长轴泵叶轮参数,通过正交方法对离心式长轴泵叶轮进行优化设计,对正交试验结果进行极差分析,得到了叶轮几何参数对离心式长轴泵扬程和效率影响的主次顺序。综合考虑各参数对离心式长轴泵性能的影响,选取重要因素,基于不等扬程设计理论,采用控制变量法对叶轮进行多方案优化设计,对比不同方案计算结果可知:基于不等扬程理论优化设计的叶轮具有较好的水力性能,选择合适的后盖板无穷叶片数理论扬程系数,可使叶轮水力性能趋于最佳。对于该型离心式长轴泵,当后盖板无穷叶片数理论扬程系数取1.1时可获得较优的水力性能,对比较优方案的试验与计算结果可知:二者变化趋势相同,扬程、效率、轴功率的最大误差分别为4.02%、5.58%、3.59%,在(0.8~1.2)倍设计流量工况下,扬程、效率、轴功率的误差小。同时由试验可知:该型离心式长轴泵在设计流量时扬程大于97 m,效率高于82%,最高效率点出现在1.1倍设计工况附近为83.22%,曲线具有较宽的高效区和无过载特性,能够满足设计要求,在丰水期和枯水期均能高效稳定的运行,同时可降低电机的配套功率,减少一次成本投入。因此,该文的研究结果对离心式长轴的优化设计有较好的参考价值。     

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。     

低比转数离心泵的多目标优化设计

为了提高IS50-32-160低比转数离心泵在设计工况下的扬程和效率,采用数值模拟、试验设计、近似模型和遗传算法相结合的优化方法,选取了泵叶轮的叶片出口宽度、叶片出口安放角和叶片包角3个参数作为设计变量,采用最优拉丁超立方试验设计方法进行20组方案设计,应用ANSYS CFX 14.5软件对各方案进行定常数值计算,得到设计工况下的效率和扬程,并将效率和扬程作为设计目标,根据Kriging近似模型建立了设计目标与设计变量之间的近似函数,采用遗传算法对近似函数进行求解,得到最优的叶轮参数组合。研究结果表明:原始方案的外特性数值模拟结果与试验结果吻合程度较好,设计工况下预测扬程偏差为3.3%;优化后的泵水力效率提高了4.18%,而且近似模型在预测性能的准确性高;通过对比原始方案和优化方案的内流场特性,优化方案内部流动得到改善,优化的叶轮的漩涡区域比原始方案的较小;优化使得效率在主频和次频下的脉动幅值分别下降了1.52和0.84,叶轮内的较大压力脉动强度区域减小,隔舌附近监测点在主频下的压力脉动系数幅值下降了0.02。非定常压力脉动强度降低,从而泵的运行稳定性提高。提出的优化设计方法对低比转数离心泵高效以及无过载特性的优化具有一定的参考意义。