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。     

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。     

基于粒子图像测速的离心泵叶轮内流动分离测试与分析

离心泵在小流量工况下运行极易产生流动分离,严重影响泵的运行稳定性。为了揭示离心泵小流量工况下叶轮内流动分离的变化规律,对一比转数为73的离心泵小流量工况下叶轮内部流动进行了PIV测试和分析,并以流动偏移角和回流强度为参数对测试结果做了量化分析。不同工况的测试结果表明,0.6Qd工况下叶轮内开始出现流动分离,到0.2Qd工况下流动分离已发展充分;随着流量的降低分离泡向流道中部和出口方向移动发展。0.2Qd工况下不同相位的试验结果显示叶轮流道接近隔舌时会出现分离泡,经过隔舌后分离泡迅速发展,远离隔舌后分离泡逐渐消失。流动偏移角的量化分析能够准确反映出叶轮流道内分离泡的数目;回流强度的量化分析表明叶片旋转过隔舌135°后,动静干涉对流动分离的作用明显减弱。     

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。     

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CFD的离心泵小流量工况下扬程预测分析

为了分析和提高小流量工况下离心泵CFD(computational fluid dynamics)扬程预测的精度,该文对一比转数为64的离心泵多个小流量工况下的内部流动进行了全流场定常多相位和非定常瞬态数值模拟。重点分析了定常多相位计算中的相位角和非定常计算中的时间步长对扬程预测结果的影响,并对比分析了定常多相位和非定常计算对扬程预测的优劣及其原因。研究结果表明,相位角对定常多相位数值计算的扬程预测结果影响很小;时间步长对基于非定常数值计算的扬程预测结果有较大影响。非定常数值计算的扬程预测精度远高于定常多相位数值计算的扬程预测精度,其相对误差都在2%以内。随着流量的减小,叶片与蜗壳的动静干涉作用也越来越明显。对小流量工况下离心泵扬程进行CFD预测,必须被考虑叶片与隔舌的动静干涉作用。     

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。     

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。     

离心泵内部流动时序效应的CFD计算

为了研究导叶时序效应对离心泵性能的影响,采用CFD方法对设计流量工况下导叶不同时序位置时离心泵内部流动进行了数值计算,定义导叶叶片尾缘与隔舌夹角为0时为时序位置0,每增加10°增加一个时序位置。得到了泵内外特性随时序位置不同的变化规律,并分析了不同时序位置对隔舌处压力脉动及叶轮径向力非定常特性的影响。结果表明：随着导叶时序位置的增加,泵扬程和效率呈先上升后下降的趋势,导叶与隔舌相对位置在20°时达到最大值,扬程较最低值提高0.6 m;时序效应对隔舌处1倍和2倍叶片通过频率影响最大,且随时序位置的增加,主频和压力脉动幅值呈先减小后增加的趋势,时序位置1时幅值为4时的70%;导叶时序位置的改变主要影响泵底座-出口方向叶轮径向力分量。研究结果为离心泵径向导叶设计提供参考。     

前伸式双叶片污水泵内部流场PIV试验

以一台比转速为70的前伸式扭曲双叶片污水泵为研究对象,采用PIV(particle image velocimetry)技术对双叶片污水泵进行内部流场测量,分析了该泵在不同流量工况下(Q/Qdes=0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4)叶轮内部流场的相对速度分布,研究了轴向旋涡和低速区随流量变化的形态特性,发现在流道中部靠近叶片工作面上存在低速区及与叶轮旋转方向相反的轴向旋涡,且随着流量的增大,低速区与轴向旋涡逐渐减小;引入少叶片数离心泵内部流动理论,揭示了低速区和轴向旋涡存在和发展的内在机理。分析了在流量Q/Qdes=0.6时叶轮和蜗壳不同相对位置的相对速度场分布,研究了叶轮和蜗壳之间动静干涉作用对轴向旋涡的影响,发现当轴向旋涡经过蜗壳隔舌时,其与叶轮之间的干涉作用使得轴向旋涡向下游偏移。研究结果对前伸式扭曲双叶片污水泵的内部流动规律研究具有重要参考价值。     

半高导叶端面间隙对离心泵水力性能影响的数值模拟与验证

离心泵中存在各种间隙,其间隙流动极其复杂,易出现泄漏流、间隙涡等复杂湍流,影响离心泵的水力性能及运行稳定性.该文结合数值模拟与试验方法,采用SSTk–ω湍流模型,研究半高导叶端面间隙对离心泵水力性能及内部流场的影响规律,重点探讨半高导叶端面间隙对离心泵水力性能的影响机理.结果表明,适当的半高导叶端面间隙能有效改善离心泵水力性能,拓宽其高效区,导叶叶高为1.0时,最高效率点流量37.5m3/h处,而导叶叶高为0~0.8时,其最高效率点流量42.5m3/h处;导叶端面间隙为0.4~0.6导叶叶高时,离心泵的效率与扬程最优,且最大效率为57.5%;在0.6倍设计工况、0.8倍设计工况和1.0倍设计工况时,带半高导叶端面间隙的离心泵中叶轮做功和导叶内总压损失均高于普通导叶式离心泵,在0.6倍设计工况,导叶叶高为1.0时叶轮做功比导叶叶高为0~0.8时叶轮做功低将近7m水头,且在0.6倍设计工况和0.8倍设计工况下,导叶叶高为0时导叶内总压损失平均值比导叶叶高为1.0时分别高6.66m、4.62m水头;在1.2倍设计工况和1.4倍设计工况时,其叶轮做功和导叶内总压损失均低于普通导叶式离心泵;在各流量工况下,带导叶端面间隙的离心泵中蜗壳内总压损失均小于普通导叶式离心泵;随着流量增加,带半高导叶端面间隙的离心泵中叶轮-导叶动静干涉作用在逐渐减弱,叶轮-蜗壳动静干涉作用逐渐凸显.研究结果为离心泵导叶优化设计提供参考.     

基于相空间重构离心泵基础振动的研究

确定离心泵基础振动主要影响参数的数量,有利于对基础振动影响参数进行分级并进一步指导低振动离心泵基础的设计。通过隔离电机、管道振动的离心泵试验台架,测试了基础上4个测点的振动位移;运用Tisean3.0通过Fraser互信息算法得出了各测点振动位移时间序列的最佳延迟时间,基于该延迟时间通过伪最近邻点法确定各测点振动时间序列的嵌入维数;最后基于所得最佳延迟时间与嵌入维数对离心泵基础振动时间序列进行了相空间重构,以确定所得延迟时间与嵌入维数的准确性。结果表明,虽然离心泵基础上同一平面内不同测点的振动位移时间序列时域信号不同,但在相空间的重构中具有相同的延迟时间与嵌入维数;不同长度的振动位移序列数据段得到相同的相空间重构参数,表明通过振动位移序列进行相空间重构以确定离心泵基础振动影响因素个数具有稳定性;离心泵基础振动位移时间序列在重构的相空间中具有明显吸引子存在,表明离心泵及其基础所组成系统具有确定的振动规律存在;所建立离心泵试验台基础振动的嵌入维数为4,表明其主要影响参数小于或等于4。     

螺旋离心泵内回流涡空化特性

为了研究回流涡空化特性,对一台螺旋离心泵内部的空化流动进行了可视化研究,在一定的工况下该泵内部发生了回流涡空化,捕捉到了不同流量下螺旋离心泵内部回流涡空化形态,发现回流漩涡空化中存在2个旋转的空化云,并且随着流量的减小,回流涡空化云体积逐渐减小;对该泵进行了数值模拟,发现随着流量的减小,泵进口外部形成的回流区域变小,从而导致回流涡空化云体积逐渐减小。该文对螺旋离心泵内回流涡空化体积演变机理的深入研究提供了参考。     

微型离心泵诱导轮与叶轮轴向距离匹配特性

诱导轮与叶轮匹配不合理,是影响微型离心泵运行稳定性的原因之一。为了研究诱导轮与叶轮之间的轴向距离(简称为轴向距离)的匹配对离心泵性能的影响,该文以一台前置诱导轮离心泵为研究对象,采用数值方法定量分析了不同轴向距离对离心泵能量特性、汽蚀特性和压力脉动特性的影响。选取5种轴向距离,分别为0.1S,0.5S,1.0S、1.5S和2.0S(S为诱导轮轴向长度与叶栅稠密度的比值),对离心泵进行三维流场数值预测。结果表明,轴向距离增加后,扬程和效率均有所增加,汽蚀余量降低,但叶轮内压力脉动幅值升高。其中,在额定工况下,当轴向距离增大至1.0S时,扬程提高了0.61m,效率提高了5.8%,临界汽蚀余量降低了0.4m;轴向距离继续增大后,各项性能变化不大。综合分析认为,轴向距离为1.0S时,诱导轮与叶轮的匹配性能最佳,有利于离心泵稳定运行。研究结果可为微型离心泵诱导轮与叶轮的匹配设计提供参考。     

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。     

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。     

离心泵空化状态下声发射信号的小波能量特征

为了探究离心泵空化状态下声发射信号的频率分布特征及其变化规律,该文采用小波分析方法对离心泵空化试验过程中不同空化状态下的声发射信号进行了能量特征提取,研究了不同频段内声发射信号的能量特征随离心泵汽蚀余量变化的关系。试验分析结果表明,在离心泵的空化现象尚未出现以及不同的发展阶段,离心泵进、出口处声发射信号的全频段和各分频段绝对能量和相对能量的变化具有各不相同的特点。31.25~62.5、62.5~125和125~250 k Hz这3个分频段的绝对能量随空化状态改变而变化明显,且变化趋势与全频段的变化趋势类似。31.25~62.5 k Hz分频段的相对能量在空化状态变化过程中基本保持不变,而62.5~125和125~250 k Hz分频段的相对能量变化更为明显。研究结果可为离心泵空化状态的判别提供技术参考。