JP50卷盘式喷灌机水涡轮水力性能的试验与模拟

针对目前国内卷盘式喷灌机用水涡轮的外特性和内部流场分布规律的研究较少,设计了水涡轮试验台,对JP50卷盘式喷灌机配套使用的水涡轮进行试验,得到了外特性曲线.采用全流场和结构化网格技术对水涡轮内部流动进行了数值计算,分析水涡轮在不同流量下的压力分布和速度矢量分布,得到了内部流动分布规律.结果表明：水涡轮的工作效率很低,最高效率仅为13%,最高效率点前效率曲线比较陡峭,最高效率点后效率曲线相对较为平坦;最高效率的数值计算与试验结果相对误差为6.87%;高压水通过水涡轮主要工作叶片后压力迅速递减,造成了较大的水力损失;进出口压差随流量的增大而逐渐增大,与水涡轮的水头-流量及轴功率-流量曲线相吻合;水涡轮叶轮出口处出现回流现象;水涡轮出口管道下壁面附近存在低压区,并且随着流量的增大低压区的面积逐渐减小,随之出现了涡流现象.     

离心泵作透平多工况内流与能量转换特性

为揭示不同流量下离心泵作透平的能量转换特性,基于1台比转数为90的单级悬臂式离心泵,在透平工况下对其进行数值模拟,并结合试验验证了数值模拟的准确性.结果表明:叶轮是透平内水力损失的主要部件,叶轮内水力损失占比随流量的增大呈现出先减小后增大的变化趋势.设计工况(Q=80m³/h)下,蜗壳、叶轮、腔体的水力损失占比分别为33.0%,35.1%,22.3%.通过对内流场中的流线分布和叶片进口速度三角形进行分析,揭示了不同工况下透平内流特性与水力损失之间的关系.设计工况下叶轮内流动均匀,无明显旋涡存在,在小流量工况下叶轮进口端面存在回流现象,旋涡出现在大流量工况叶片的吸力面.最后,采用拟涡能系数从能量的角度分析了不同工况内部流动的损失情况,进一步揭示了透平的能量转换机理.研究结果可为离心泵作透平的高效设计及实际现场运行调控提供参考.     

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.     

介质黏度对泵作透平时性能换算的影响

为了研究泵与透平换算系数随黏度与比转数的变化规律,选用5台不同比转数离心泵反转作透平,在5种不同的介质黏度下,对透平工况进行数值模拟.根据数值模拟结果,拟合求得透平的压头、效率与流量的关系式.通过对透平效率-流量关系式的求导,可得到透平在最优效率点处的流量、压头.据此可以求得泵反转作透平时,透平在黏性介质时的最优工况下的流量、压头与水泵在清水介质最优工况下流量、扬程之间的换算系数.通过黏性介质下透平的水力效率、压头与流量关系曲线发现:介质黏度对透平性能的影响较大,随介质黏度的增大,透平的水力效率明显下降.比较不同比转数下的换算关系随黏度变化曲线图可发现:对于同一比转速的透平,换算系数均随黏度的增大而增大;而当介质黏度相同时,随着比转数的增大,流量、扬程换算系数大体呈减小趋势.     

蜗壳结构对液力透平径向力的影响

为研究蜗壳结构对液力透平径向力的影响,以某化工厂XWT 500-18型液力透平为研究对象,采用SST k-ω湍流模型和边界层网格,对单蜗壳、双蜗壳匹配同一叶轮的液力透平进行内部流场数值模拟.根据数值计算结果对比分析2种不同蜗壳结构液力透平的外特性、压力分布、径向力特性.结果表明,在全工况内,单、双蜗壳透平的水头、轴功率接近,双蜗壳结构并无性能优势;双蜗壳结构由于隔板的存在使得叶轮进口附近的静压分布不如单蜗壳的均匀;在最优工况点下,单蜗壳透平的径向力最小,约为双蜗壳的一半,双蜗壳液力透平的径向力水平大于单蜗壳液力透平,双蜗壳液力透平径向力平衡较差;单、双蜗壳液力透平径向力方向与隔舌夹角在小流量下变化较大,在大流量下变化较小.分析结果可对液力透平径向力的认识和蜗壳设计提供参考.     

叶片安放角变化规律对液力透平性能的影响

基于ANSYS Bladegen软件,针对不同叶片安放角变化规律分别设计3种前弯叶片液力透平专用叶轮。通过与试验结果对比,确定了合理的数值模拟方案,分别完成了3台透平全流场数值计算。分析了叶片安放角变化规律对透平外特性、压力分布和水力损失分布的影响。结果表明:最优工况时,3个叶轮的效率、压力分布和水力损失分布均相差不大。在非最优工况,安放角采用线性变化规律设计时,透平性能更好,效率曲线更平坦;叶轮出口处低压区域范围较其他2种方案大。水力损失分布显示在叶片进出口安放角及包角相同的情况下,安放角变化规律对蜗壳及尾水管内的流动影响不大,仅对叶轮内的流动产生较明显的影响,叶片安放角呈"S"形变化对透平性能的影响是负面的,线性分布规律相对较好。     

离心泵反转作液力透平的力学特性

以一台比转数为84.5的离心泵为研究对象,应用CFD软件对该泵作液力透平时的内部流场进行数值模拟,建立相对坐标系下的连续方程和时均Navier-Stokes方程,采用标准k-ε湍流模型和SIMPLEC算法分别对泵工况和液力透平工况进行数值模拟,得到2种工况下在不同流量时的径向力.通过对比泵工况下径向力的数值计算值和Stepanoff公式计算值,发现两者径向力大小比较吻合,表明数值模拟建立的径向力计算模型是正确的.数值模拟结果表明:液力透平工况时的最高效率比泵工况时的最高效率低约5.4%;在相同流量下透平工况时径向力普遍小于泵工况时的径向力;透平工况时径向力的大小随流量的增大而增大;当流量小于设计流量的1.1倍时,随着流量的增大,液力透平工况时径向力的方向和隔舌的夹角从146°减小到125°,但当流量大于设计流量的1.1倍时,其与隔舌的夹角随流量的增大而增大,在1.4倍的设计流量时其夹角达到144°.通过计算和实例表明在透平工况下运行时,泵轴强度仍然满足使用要求.     

离心泵压力脉动特性分析

为了研究压力脉动在离心泵不同位置的变化规律及其关系,利用CFD技术对离心泵内部流场进行多工况定常与非定常三维数值模拟,得到内部流场特性及计算点的压力脉动情况,并对其进行频域分析.结果表明,设计工况和大流量工况下,叶频是主要影响频率,而在小流量工况下,轴频是主要影响频率;压力脉动幅值随偏离工况的情况而变化,同一流量下,流道的进出口压力脉动变化大.     

双吸泵正反转内部流场数值模拟及性能预测

为了研究双吸离心泵在正转和反转时不同的流动特性,基于CFX软件采用标准k-ε模型对双吸离心泵内部流场进行了数值模拟和性能预测.计算了双吸泵在正转和反转时各自最佳工况点的水力性能,并对比了双吸泵最佳工况点在正转和反转时流场特性的差异.最后将性能预测的计算值与试验值进行对比分析,表明该计算方法能够较准确地预测泵的性能.在双吸泵反转用作液力透平时,发现泵在反转工况下的高效区向大流量偏移,效率在大小流量区的变化差别很大,流量太小将使得泵的转矩方向发生改变,导致流体不再对叶轮做功,并且泵反转的最大损失发生在蜗壳到叶轮的过渡区,即叶片的出口处.通过内部流场的分析,得到了详细的压力和速度矢量分布规律,对进一步研究泵反转作液力透平进行水力设计提供了一定依据.     

离心泵压力脉动特性分析

为了研究压力脉动在离心泵不同位置的变化规律及其关系，利用CFD技术对离心泵内部流场进行多工况定常与非定常三维数值模拟，得到内部流场特性及计算点的压力脉动情况，并对其进行频域分析。结果表明，设计工况和大流量工况下，叶频是主要影响频率，而在小流量工况下，轴频是主要影响频率；压力脉动幅值随偏离工况的情况而变化，同一流量下，流道的进出口压力脉动变化大。     

轴向间距对贯流式水轮机水力性能的影响

为了寻找贯流式水轮机中导叶与转轮轴向间距的合理取值,在保证其结构紧凑性的同时,获得良好的水力性能,在其他主要参数不变的情况下,通过试验与数值计算相结合的方法,分别对导叶与转轮之间轴向间距s值为30, 40, 50, 60和70 mm 的微贯流式水轮机模型进行全流场数值计算,研究轴向间距对贯流式水轮机水力性能的影响.结果表明:水轮机的水头随着轴向间距的增大而增加,水轮机的轴功率随着轴向间距的增大呈现先上升后稳定的趋势;综合各流量条件,水轮机通常在适中的轴向间距下取得较高的效率,该模型在s=40 mm时效率达到最高.选择适中的轴向间距可以改善转轮叶片表面压力分布和流态;过大的轴向间距会导致转轮进口发生负撞击,出现脱流现象;转轮出口的湍动能随着轴向间距的扩大而减小.在最优工况下,轴向间距从30 mm扩大至70 mm的过程中,转轮内部的水力损失逐渐增加,增加幅度达到15.6%,而出水管中的水力损失则减小了19.7%,总水力损失呈增加趋势.综合考虑,选用s=40 mm 作为最终方案.     

矿用多级抢险排水泵气液两相流动特性分析

为研究气液两相流对矿用多级抢险排水泵性能的影响,以一台四级矿用潜水离心泵为研究对象,采用 ANSYS CFX数值模拟方法,基于Eulerian-Eulerian多相流模型,对不同气体体积分数,不同气泡直径、四级离心泵进行气液两相流定常数值模拟.模拟得到气液两相流下的矿用多级抢险排水泵性能曲线及转子轴向力,并对扬程、效率、转子轴向力进行分析对比,同时分析泵内部气体分布规律.结果表明:在气液两相流条件下,气泡直径、气体体积分数都对泵的外特性及转子轴向力有显著的影响,在大流量、气体体积分数比较高的情况下,矿用多级抢险排水泵的扬程和效率会急剧下降,并出现转子残余轴向力与正常运行条件下转子残余轴向力方向相反的情况;内部流动中,气液两相流条件下叶轮出口出现局部回流,回流从吸力面流向压力面.     

轴流泵装置反转水动力特性研究

为了探究轴流泵装置反转运行条件下的水动力特性,采用试验测量结合数值模拟的方法,对某配有常规单向叶轮的轴流泵装置的反转运行特性进行了研究,分析了轴流泵装置包括反水泵工况、反向发电工况的能量特性和内流特性。结果表明,应用单向叶轮的轴流泵装置进行反转抽水的扬程和效率均较低,高效点的扬程仅为常规泵工况高效点扬程的0.38倍,高效点的效率仅为常规泵工况的0.55倍。反水泵工况下的压力脉动信号成分较为复杂,泵装置出水流道的流态较差,不同流量工况下的叶片非工作面均存在较大范围的回流区。反向发电工况下,最高效率点向大流量偏移,出现在Qd=1.63流量工况,高效区的范围明显增大,达到了泵工况的1.53倍,在大流量工况下仍能维持较高水平的水力效率。反向发电工况下水泵叶片非工作面的极限流线较为平顺,叶片工作面的压力梯度分布较为均匀。研究成果为特殊利用条件下的轴流泵装置的安全稳定运行提供了参考。     

离心式消防泵内流特性

为了研究离心式消防泵外特性、内流特性及空化特性,基于RNG k-ε湍流模型对某一比转数为24.7的离心式消防泵不同工况下的内部非定常流动进行数值模拟.结果表明:在关死点工况下,离心泵消防泵叶轮内部产生大量的失速旋涡,尤其在叶轮出口位置出现面积较大且极高湍动能的涡核分布,严重影响流道的通流能力,且造成较大的能量损失;随着流量增大,流道内的旋涡逐渐消失,流场趋于稳定,涡核分布基本保持稳定且对称;随着流量持续增大,离心式消防泵轴向力逐渐增大,在极小流量和极大流量工况下的轴向力波动相对较强;随着流量增大,径向力逐渐降低,且不同工况下径向力的矢量分布均呈现六齿形分布;随着流量的增大,离心式消防泵扬程特性曲线受空化的影响更加明显,随扬程曲线开始下降时的NPSHR也逐渐增大,但下降速度相对较慢.     

考虑定常能量损失因子的柱塞泵效率特性建模

针对轴向柱塞泵效率特性模型难以保证全工况下模型预测精度的问题,提出利用定常能量损失因子对现有的轴向柱塞泵总效率计算模型进行优化.首先,利用能量守恒定律对轴向柱塞泵的能量损失构成进行了研究,分析了轴向柱塞泵总效率计算模型误差产生的原因;其次,建立了全工况下轴向柱塞泵效率特性模型,并验证了其有效性;最后,对变排量工况下轴向柱塞泵的效率特性进行仿真分析与试验验证.研究结果表明:在变转速、变压力与变排量工况下,考虑定常能量损失因子的效率特性模型均可准确预测轴向柱塞泵的总效率,且在全工况范围内,模型的效率预测最大相对误差仅为4.8%;考虑定常能量损失因子的柱塞泵总效率模型能够完成全工况范围内轴向柱塞泵总效率的精确预测,这为柱塞泵的节能优化设计与节能控制提供了基础.     

弯掠叶片对轴流泵驼峰及空化性能的影响

以高速轴流泵为研究对象,通过改变叶片在轴面的积迭线得到弯掠叶片.分别对弯掠叶片高速轴流泵和原型叶片高速轴流泵进行全三维流道整机数值模拟,得到其外特性曲线,并针对设计工况和出现＂驼峰区＂时对应的失速工况施加空化模型进行数值模拟,研究叶片的弯掠对其空化性能的影响及叶片表面压力分布规律.模拟结果对比表明：合理的弯掠叶片可有效改善原型叶片轴流泵出现的＂驼峰区＂,控制叶顶二次流的发生及发展,回收端壁二次流的能量损失,从而改善轴流泵在驼峰区的运行性能;同时,弯掠叶片提高了轴流泵在失速工况的空化性能,改变其叶片进口处梯度分布,避免了流体在壁面较易产生的分离流动;但在设计工况时其空化性能劣于原型叶片轴流泵,叶片表面压力分布也显示,原型叶片的表面压差大于弯掠叶片的表面压差,因此在设计工况时原型叶片的做功能力优于弯掠叶片.     

离心泵叶轮平衡腔内液体流动特性及圆盘损失分析

在离心泵0.8Qsp、Qsp、1.2Qsp流量工况点,外特性及平衡腔内流动特性数值计算结果与试验结果基本一致的基础上,研究平衡腔液体流场分布情况,绘制平衡腔内液体不同角度和半径无量纲圆周、径向分速度沿轴向分布曲线,分析平衡腔液体流动特性,计算平衡腔区域叶轮盖板外侧圆盘摩擦损失。结果表明:平衡腔液体流动存在核心区和两湍流边界层,主要流动特征为圆周剪切流与径向压差流。同一流量点,平衡腔流动核心区无量纲圆周分速度随半径的增大而减小,无量纲径向分速度近似为零,而湍流边界层液体受泄漏流影响较大,且不具有轴对称性。流量越小,同一角度和半径的平衡腔液体旋转角速度越小,平衡腔区域叶轮圆盘摩擦损失越大。泵内圆盘摩擦损失理论公式未考虑流量工况变化因素影响,且理论公式结果大于试验结果和数值计算结果。     

立式轴流泵装置模型水力性能数值分析及预测

依托南水北调东线一期工程某低扬程泵站的设计参数,基于三维湍流流动雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对由肘形进水流道、轴流泵和虹吸式出水流道组成的低扬程立式轴流泵装置模型内部流动进行数值模拟,分析了小流量工况(0.180 m³/s)、设计流量工况(0.299 m³/s)和大流量工况(0.360 m³/s)等3个典型工况时的泵装置流态和叶轮叶片表面的压力分布情况,对泵装置模型的能量性能进行预测,并与泵装置模型试验结果进行对比分析.结果表明:泵装置效率的数值计算结果与模型试验结果基本一致,最优工况点附近较为接近,在计算范围内最大差值不超过2%;设计流量工况时泵装置进、出水流道内的三维湍流流动状况,与进、出水流道分别进行数值计算时的状况基本一致;3种不同典型工况时泵装置进水流道内的流场分布状况相同,而出水流道内的流场差别很大.对不同工况时立式轴流泵装置模型内部三维湍流流动的研究结果,可为低扬程泵装置多工况水力设计优化研究提供一定的参考.     

低比速混流式水轮机小开度叶道涡流动分析

混流式水轮机在偏离最优工况下运行时,转轮叶道内会出现旋转涡流,影响水轮机的高效稳定运行。为研究低比速混流式水轮机在小开度工况下叶道涡的流动特性,基于Navier-Stokes方程及Sparlart-Almaras一方程湍流模型,对运行在小开度不同转速工况下的某低比速混流式水轮机,进行三维全流道定常流动数值模拟。计算结果表明:在小开度工况下,两种转速条件存在着分布位置不同、形状大小不一的叶道涡;随着转速的增加,旋涡结构趋于不稳定,内部流场的流态变得非常紊乱,水轮机能量转化效率降低,叶道涡的流动特性与转轮转速密切相关。