轮毂轮缘对混流泵叶轮三元反问题设计的影响

为提高叶片设计可控度,开展轮毂与轮缘对混流泵叶轮三元反问题设计的影响研究.基于一种无黏与有黏迭代的叶片三元反问题设计方法,以某比转数n_s=449的混流泵为研究对象,在保持叶片载荷分布、进口环量、出口环量等控制参数不变的基础上,通过改变轮毂与轮缘形状设计出系列叶轮.基于剪切应力输运(SST)湍流模型和SIMPLEC算法,对叶轮内流场特性进行数值计算.结果表明:轮毂与轮缘对叶片几何造型与流场特性具有重要影响;通过轮毂与轮缘调节可优化叶轮高效区范围,过流通道面积增大使大流量工况效率有所提高;轮毂形状对轮毂流面的压力分布影响较大,轮缘形状对整个叶片压力分布有较明显影响,叶轮出口过流通道面积过小将造成轮毂流面出现压力波谷现象.三维反问题设计和三维正问题数值模拟相结合的方法可在混流泵设计中发挥重要作用,具有一定的工程应用价值.     

基于变环量设计的混流泵叶轮多工况优化

由于外部运行条件频繁变化，混流泵常于非设计工况运行，导致其运行效率偏低。针对混流泵开展多工况优化以扩大其高效区范围具有重要意义。采用环量法，以轮毂及轮缘处流线方向环量的偏导数(载荷)、叶轮出口处翼展方向环量控制参数以及叶片尾缘倾角为设计参数，以设计点扬程为约束条件，以0.8、1.2倍设计点处效率为优化目标，结合实验设计、近似模型和优化算法对一导叶式混流泵叶轮进行变环量优化与分析。研究结果表明：变环量设计在混流泵叶轮的多工况优化中是有效的；轮毂处流线方向前加载，轮缘处流线方向后加载，叶轮出口处环量从轮毂到轮缘递增分布均有利于混流泵性能的提升；优化后混流泵模型在0.8、1.0、1.2倍设计流量处泵段效率分别为81.11%、88.38%和80.56%,在设计流量处扬程为12.33 m,相比于原始模型，效率分别提升0.63、3.18、6.72个百分点，而扬程变化小于2%。因此，所提出的基于变环量设计的混流泵叶轮多工况优化方法是有效的，可以为同类型叶轮机械的设计优化提供参考。     

出口环量分布对混流泵性能的影响

为了提高设计过程中对混流泵性能的可控制程度,开展了出口环量分布规律对混流泵性能的影响研究。基于三元反设计理论,将环量V u r在轴面流线方向上的偏导数作为载荷分布的控制参数,根据出口环量分布规律的不同设计了平均型、递增型和递减型3个混流泵叶轮。基于雷诺时均Navier-Stokes方程、SST湍流模型和多重参考坐标系模型对泵内流场进行数值模拟,对泵的效率、空化、叶轮出口的总压及轴面速度沿叶高的分布规律进行比较与分析。结果表明:递增型泵效率最高但空化最差,递减型泵性能正好相反;基于变出口环量分布的三元反设计方法能有效控制叶片不同叶高处的做功能力,递增型叶轮出口的总压和轴面速度随半径增加而增加的速度最快。     

混流泵非均匀轮缘间隙流场数值计算

为了研究非均匀轮缘间隙下混流泵叶轮内部流场,基于RNG k-ε模型,采用SIMPLEC算法对混流泵在0、0.3、0.5 mm偏心距下的内流场进行数值模拟,对比分析了有、无偏心状态下混流泵外特性、叶片表面静压分布、周向压力和湍动能分布以及轮缘间隙流场的流线分布。研究结果表明,数值模拟采用的网格类型、湍流模型能够较为准确地计算混流泵的内部流动特性。0.5 mm偏心距下混流泵扬程最大下降了9.8%,设计工况点效率下降了4.3%,高效点向大流量偏移;偏心对混流泵叶轮进出口压力分布影响较大,靠近偏心一侧的叶片出口轮缘处压力分布呈现沿径向梯度分布趋势且周向压力分布严重不均;非均匀轮缘间隙严重干扰了端壁区流场,使轮缘间隙流场的泄漏流、二次流等不稳定流动现象明显增多,湍动能耗散随着偏心距增大不断加剧,水力损失增大,是造成效率下降的主要因素。     

导叶式混流泵内部非定常流动特性数值模拟

为了研究不同流量工况对导叶式混流泵内部非定常流动特性的影响,基于ANSYS CFX软件并采用标准k-ε两方程模型对混流泵的外特性进行了数值预测,分析了流量工况对混流泵内压力分布、流线分布和湍动能的影响,探讨了不同流量工况下不同监测点的压力脉动时域和频域响应。研究结果表明,数值计算的外特性结果与试验测量结果趋势基本一致,最优工况点数值预测与试验测量的扬程和效率误差分别为3.29%和0.27%,数值计算的准确度较高。小流量工况下,叶片工作面与背面之间存在着较大的压力梯度,形成的轮缘泄漏流对主流产生较大干扰,同时受到动静干涉的影响,在叶轮出口和导叶流道内造成较大的能量损失和湍动能耗散;随着流量增加,轮缘泄漏流逐渐减少,动静干涉效应相对减弱,流场流动趋于平稳。不同流量工况下,各监测点压力脉动呈明显的周期性变化,一个旋转周期内压力脉动曲线有4个波峰和4个波谷,叶片通过频率始终占主导作用;流量对叶轮进口处和导叶中间处的压力脉动影响最明显,小流量工况下压力脉动系数的幅值变化最大;随着流量的增大,压力脉动频域幅值随之减小。本研究可为扩大混流泵的运行范围以及混流泵叶轮和导叶的优化设计提供参考依据。     

低比转数混流泵导叶内部压力脉动特性研究

对一比转数为148.8的设计混流泵进行试验和数值模拟研究,比较不同流量工况下混流泵性能的试验与数值计算结果,两者吻合较好。在流场内部设置监测点,捕捉压力脉动由动静干涉无叶区向导叶出口的发展过程。分析不同工况下的混流泵各测点的压力脉动,发现导叶内部各测点压力脉动主要受叶轮转动影响,主频为叶频;由动静干涉的无叶区到导叶出口,平均压力逐渐增大,而压力脉动的幅值强度越来越弱;非设计工况下的压力脉动变化更复杂。上述结果可为混流泵进一步的优化设计提供参考。     

叶轮外径对混流泵作透平性能的影响

为了研究混流泵作透平工况下,叶轮外径对性能的影响,以混流泵为模型,通过试验验证了CFD方法的有效性.基于BladeGen设计了160,170,180 mm这3种叶轮外径的混流泵水力模型, 并通过数值分析研究了3种叶轮外径下,混流泵作透平工况下的外特性,水力损失分布及内部流场分布.结果表明:随着叶轮外径的不断增大,混流泵作透平的高效点逐渐向大流量区域移动,高效点的扬程、轴功率及效率都随之增加;大流量区域内,扬程迅速降低,轴功率下降变缓,效率有所上升;总水力损失与叶轮部分的水力损失显著减少;蜗壳部分的水力损失变化不明显;叶轮入口处的旋涡区域逐渐减小,蜗壳出口与叶轮入口之间存在的间隙流体逐渐减小,从而引起该部分水力损失逐渐减小;压力分布更加均匀.     

不同工况下混流泵转子径向力及压力脉动

为了研究混流泵内部非定常流动特性,基于ANSYS CFX软件对混流泵的外特性和内部流场进行了非定常计算,获得了不同流量工况下转子径向力的分布情况和不同监测点的压力脉动时域、频域响应,分析了不同流量工况对混流泵转子径向力和压力脉动的影响.研究结果表明,数值计算的外特性结果与试验测量结果的趋势基本吻合,说明数值计算的准确度较高.3种流量工况下径向力的分布均呈现一定的周期性,小流量工况下的瞬态径向力合力最不稳定,设计工况下的瞬态径向力合力规律性最强,大流量工况下混流泵瞬态径向力合力波动性最小.不同流量工况下叶片通过频率始终占主导因素,低频信号是引起设计工况压力脉动的主要原因,流量变化对轮缘间隙进出口压力系数幅值影响较小,对叶轮中间位置处压力系数幅值影响较大.研究结果为揭示导叶式混流泵内部不稳定流动特性及其诱导的转子故障恶化提供理论依据.     

混流泵内部流动不稳定特性的数值模拟

为了研究小流量工况下混流泵内存在的不稳定流动特性,基于大涡模拟亚格子尺度模型与滑移网格技术, 对包括进口管和出口弯管的混流泵全流场进行三维非定常湍流计算．外特性试验结果表明,在60％～85％最优工况范围内,扬程-流量特性曲线呈正斜率特性．数值模拟结果与试验结果误差控制在4％内,表明大涡模拟可以准确预估混流泵存在的扬程-流量正斜率不稳定特性．在此基础上,分析了混流泵产生正斜率不稳定特性的内流机理．分析结果表明,在小流量工况下叶轮入口切向速度呈明显的非对称性,叶轮与导叶流道内液流的失速效应使叶轮叶片表面和导叶叶片入口轮毂侧存在大尺度的旋涡结构．导叶流道内旋涡尺度较大,压力脉动沿导叶轴向呈明显的周期性波动,使旋涡区域从吸力面侧逐渐扩展到导叶流道,旋涡结构的涡核附着在压力脉动最小值的导叶吸力面中间叶高区,且涡核旋向与叶轮旋向相同．     

不同流量工况下斜流泵内部流场PIV试验

为了探索斜流泵的内部流动特性并优化斜流泵设计,基于粒子图像测速技术(PIV)对斜流泵内部流场进行测量,分析了不同相位叶轮截面处的流线和速度分布以及小流量工况下的涡量分布。研究结果表明,在小流量工况下,由于受到叶片压力面旋涡流动和吸力面脱流的影响,叶轮内部的流动呈现径向运动趋势,且流动紊乱;随着流量增大,叶轮流场流线逐渐向轴向方向移动并沿着轮毂轮廓线流动,在大流量工况下叶片压力面附近靠近端壁处形成明显的旋涡结构。0.6倍流量工况下,当叶轮进口进入拍摄断面时,在叶轮内部形成一个顺时针旋转的负涡;当叶轮出口进入拍摄断面时,在导叶进口外缘出现正向涡量集中区域,且随着叶轮的转动该区域向导叶进口方向移动;当叶片出口远离拍摄断面时,在导叶进口处出现负涡量区,揭示了斜流泵叶轮和导叶动静相干过程中能量损失的内在原因。     

双蜗壳离心泵空化流动对隔舌处压力脉动特性的影响

应用数值计算方法分析了双蜗壳离心泵内空化流动影响隔舌部位压力脉动特性情况,以进一步明晰空化流动诱导泵振动噪声机理.采用SST k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对设计工况下的泵内空化流动和无空化流动进行了非定常数值模拟,数值模拟结果表明:SST k-ω湍流模型能准确预测双蜗壳离心泵的能量特性指标;泵内空化的空泡初始产生于叶轮叶片进口吸力面根部,随着装置空化余量的降低,空泡云沿着叶轮叶片吸力面向叶片出口和前盖板方向发展,叶轮内部空泡的发展并不均匀,加剧了叶轮内部流动的不稳定性.对比叶轮旋转一周在空化和无空化流动状态下发现,2个隔舌处各个监测点的压力脉动具有明显周期性,在无空化状态下,隔板进口处监测点的压力脉动主频为2倍叶频,其他监测点压力脉动主频均为叶频;空化状态下2个隔舌处各个监测点的压力脉动主频均为叶频,压力脉动幅值明显增大.     

基于CFD的混流泵空化特性研究

应用剪切应力输运(SST)湍流模型和基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型,求解雷诺时均Navier-Stokes方程,对某混流泵在设计工况时的流场进行数值模拟.根据计算结果获取了泵的扬程衰减曲线,捕捉到泵内空化的发生、发展过程,对轻微空化、临界空化和严重空化3种工况下叶轮内空泡体积分布特性做对比分析.模拟结果表明:该泵空化性能满足设计要求;叶轮内空泡最初发生在叶片吸力面进水边靠近轮缘处,该空泡区随汽蚀余量降低逐渐向轮毂方向和叶轮出口方向延伸;轮缘空泡初生于叶片进水边,沿着叶缘翼型逐渐发展成一条长带;轮毂空泡集中于叶根翼型尾部,轮毂空泡体积分数明显大于轮缘;叶片各通道间空泡分布相似,严重空化时空泡造成叶片通道严重阻塞致使泵扬程急剧下降.     

不同载荷分布型式下轴流泵叶顶间隙流特性研究

轴流泵叶顶泄漏流对水泵内外特性有重要影响,从控制叶片载荷角度建立了轮缘载荷分布型式与叶顶泄漏流的关系。基于三维反问题设计方法设计得到了具有前载、中载和后载3种典型轮缘载荷分布型式的轴流泵叶轮模型,采用三维湍流模拟技术研究了上述3种轮缘载荷分布型式对轴流泵叶顶泄漏流及其诱导的泄漏涡流动的影响。结果表明,相对于轮缘前载型叶轮和轮缘中载型叶轮,轮缘后载型叶轮可有效消除叶片进口附近低压区,有利于叶轮空化性能;小流量工况性能有所提高,有效抑制流量扬程曲线的驼峰现象;同时轮缘后载型叶轮具有更好的小流量工况压力脉动性能。     

不同载荷分布型式下轴流泵叶顶间隙流特性研究

轴流泵叶顶泄漏流对水泵内外特性有重要影响,从控制叶片载荷角度建立了轮缘载荷分布型式与叶顶泄漏流的关系。基于三维反问题设计方法设计得到了具有前载、中载和后载3种典型轮缘载荷分布型式的轴流泵叶轮模型,采用三维湍流模拟技术研究了上述3种轮缘载荷分布型式对轴流泵叶顶泄漏流及其诱导的泄漏涡流动的影响。结果表明,相对于轮缘前载型叶轮和轮缘中载型叶轮,轮缘后载型叶轮可有效消除叶片进口附近低压区,有利于叶轮空化性能;小流量工况性能有所提高,有效抑制流量扬程曲线的驼峰现象;同时轮缘后载型叶轮具有更好的小流量工况压力脉动性能。     

混输泵小流量工况的空化特性

为改善混输泵在小流量工况下的水力性能,采用基于均相流假设的多相流模型和Rayleigh-Plesset方程,应用标准k-ε湍流模型,对混输泵小流量工况全流道空化流场进行数值模拟,分析几种典型空化工况下混输泵的输运性能以及在不同工况下叶轮内部空泡的分布规律,最后根据模拟结果预测混输泵的能量特性并与试验结果作对比分析,从而在一定程度上验证了数值模拟的可靠性.研究结果表明:在小流量工况下,叶片进口绕流和动静干涉对叶轮内的流动分离产生较大的影响,同时旋涡形成的低压区会加剧进口空化、降低泵的混输性能;从初生到深度空化发展过程中,空化首先发生在叶片进口和靠近中间位置,在叶片背面进口的空化程度较严重,越靠近轮毂空化程度越严重,甚至阻塞流动,加剧叶轮内相态分离.该研究结果为混输泵的进一步优化设计、性能改善及实验研究提供理论依据.     

卧式轴流泵空化特性的数值分析

轴流泵内部的空化现象是影响叶轮能量转换,导致轴流泵扬程、效率等性能下降的重要原因.为了研究轴流泵内部的空化现象,以轴流泵TZX-700为研究对象,该型号轴流泵相较于一般的轴流泵无后置导叶.为了验证数值计算结果的准确性,对该卧式轴流泵分别进行了试验研究和数值模拟,试验曲线和数值计算曲线基本吻合.在设计工况和小流量工况下进行全流道数值模拟,对其空化特性曲线、叶片吸力面和压力面的静压分布以及空化体积分数分布进行分析.结果表明:当进口压力为101.325 kPa时,在叶片的吸力面就已经发生空化;在叶片压力面,当有效空化余量NPSH_a下降到临界空化余量NPSH_cr=7.79 m时,靠近进口边的叶顶处开始产生少量的空泡;随着NPSH_a的下降,叶片表面的空化区域进一步增加,对叶轮内的流场产生明显的影响,导致扬程急剧下降;在同一轴流泵进口压力下,小流量工况下叶片表面的空化区域相较于设计流量工况进一步扩大,由靠近轮缘的进口边向出口边和叶根处发展,空化现象更为严重.     

基于双向流固耦合的核主泵叶轮力学特性

基于双向流固耦合方法对核主泵内流场和结构场进行联合求解,研究流固耦合作用下核主泵叶轮的力学特性,分析经流固耦合作用后叶轮总体、叶片进出口边及叶根在各流量下的应力及变形分布.研究结果表明流固耦合作用对主泵外特性有一定影响且耦合后结果更接近试验值;随着流量的增加,叶轮前盖板处应力分布均匀性有所降低,而叶轮的最大等效应力均发生在叶轮叶片出口边与叶轮前盖板交界处,在交变载荷的作用下容易产生疲劳破坏.叶轮的最大的变形发生在叶轮叶片出水边的中部,叶轮的最大变形量随着流量的增加而增大.叶根的进出口边处易出现应力集中现象,说明叶片进出口边对液流的压力载荷及动静干涉作用极为敏感,在叶轮水力及结构设计时应予以足够重视.研究结果为核主泵以后的性能分析、叶轮的结构设计、维护和检修提供了有益参考.