低比转数离心泵叶轮内流场的重构及模态分析

针对传统离心泵水力性能优化设计的复杂性,提出了采用本征正交分解与径向基函数(POD-RBF)混合代理模型方法进行离心泵叶轮内流场的重构分析。由三次Bezier曲线对低比转数离心泵二维叶片型线进行参数化控制,通过对叶片包角、进出口安放角等控制参数进行适量的扰动得到叶片型线的样本集。由叶片型线参数及叶轮CFD内流场数据构成样本的快照矢量集,根据几何相似及网格变形方法插值得到各相似节点的流场参数,依据本征正交分解法(POD)将快照集分解为一系列正交基的线性组合。由径向基函数(RBF)拟合目标叶型所对应的正交基系数,实现了对目标叶轮内流场的重构。采用POD-RBF方法对MH48-12.5型低比转数离心泵叶轮内流场进行了重构,其压力预测均方根误差为0.84%,速度预测误差基本在0.5m/s以内,流场预测所需时间约为CFD计算的1/240,并对样本集进行POD基模态分析,得到了各阶基模态流场特征及能量分布特性。     

基于本征正交分解法的液环泵气液两相流场重构

针对液环泵内复杂的气液两相流动、计算量大且优化设计难以进行的问题,提出了采用本征正交分解法进行液环泵内流场的重构分析。采用泰勒多项式对二维叶片型线进行参数化控制,通过对各控制参数进行适量的扰动得到叶片型线样本集。采用VOF模型进行液环泵内气液两相流场的数值模拟,由叶片型线参数及叶轮内流场数据构建样本的快照集,依照几何相似及网格变形方法插值得到各相似点的流场参数,依据本征正交分解(POD)法将快照集分解为正交基的线性组合。由最小二乘法拟合目标叶型所对应的正交基系数,实现了对目标叶片流场的重构。采用POD方法对2BE-203型液环泵内单个叶轮流道的气液两相流流场进行了重构,精确地重构了单个叶轮内流场结构的各个特征,除在气液交界面附近有一定的误差,整体预测结果具有较高的精度,大大减少了流场预估的计算量。     

基于人工神经网络的离心泵叶轮边界涡量流预测

根据边界涡量动力学理论,从边界涡量流在离心泵叶轮内表面的分布情况,可获知叶轮的受力状况,进而改进叶轮设计.以BP神经网络和径向基神经网络为建模手段,以叶轮内表面的边界涡量流为预测目标,通过高精度的CFD计算获得70个离心泵叶轮内表面的BVF分布,建立可用于训练人工神经网络的初始样本集;再利用63个初始样本建立离心泵叶轮几何参数和边界涡量流的非线性映射关系,并用剩余的7个校对样本进行测试.根据神经网络预测结果和数值模拟计算结果的误差分析,确定最适用于离心泵叶轮边界涡量流预测的神经网络类型.研究表明:径向基(RBF)神经网络的预测精度高于BP神经网络,其训练时间更短、运行稳定性更高;径向基函数的宽度对RBF神经网络的预测性能有较大影响,当径向基函数宽度取0.3时,RBF神经网络的预测性能最佳,预测误差仅0.020 3;RBF神经网络预测所得叶轮内表面的边界涡量流分布,可以作为评价叶轮水力设计优劣的重要指标,进而指导叶轮机械的优化设计.     

叶片开槽对低比转数离心泵内部流动的影响

基于Fluent泵内流场数值模拟及性能预测,针对低比转数离心泵在小流量范围内叶轮内部流动的不稳定性,对低比转数离心泵进行了叶片改型尝试,分析了在改型前后叶轮内部流场流动情况及离心泵性能的变化规律,发现在叶片单开槽后离心泵的扬程在小流量范围内较未开槽前有所上升,效率有所提高;但在大流量范围内离心泵的扬程较未开槽前呈下降趋势,并且效率也随之降低,因此,低比转速离心泵在小流量情况下表现出来的流动不稳定性可以通过叶片单开槽的方法来进行抑制.为了研究叶片开槽数目对其影响,将开槽数目增加至2个,研究其内部流场流动情况和性能变化规律,发现叶片双开槽在抑制叶轮流道流动不稳定性及效率的提高上不及叶片单开槽情况.研究结果表明：在小流量工况下,叶片开槽对离心泵内部流动紊流情况会有一定的改善作用,而开槽数目是否合理也将影响离心泵的性能.     

超低比转速高速离心泵复合式叶轮的正交设计

针对影响超低比转速高速离心泵复合式叶轮短叶片设计的叶片数、叶片径向进口的相对位置、叶片周向偏置度及偏转角等4个主要因素,设计了16种不同短叶片型式的复合式叶轮.通过对正交设计方案结果的极差分析,得出各因素水平对扬程和效率影响的主次顺序分别为短叶片数、偏转角、周向偏置度、径向进口的相对位置和短叶片数、径向进口的相对位置、周向偏置度、偏转角,从而得到超低比转速高速离心泵复合式叶轮短叶片的最佳设计方案.利用CFD软件,分别对采用常规叶轮和正交设计的复合式叶轮两种方案进行了数值模拟和性能预测.结果表明,采用正交设计的复合式叶轮内部压力场和速度场分布合理,Q-H曲线更加平坦,Q-η曲线最高效率点向大流量偏移,在相同设计方案下,复合式叶轮离心泵在大流量工况条件下工作性能良好.     

离心泵非定常计算中叶轮转动位置对性能影响的数值模拟

利用CFD软件,采用Realizable k-ε湍流模型,分别在3种工况下,对1台比转数为71的导叶-蜗壳组合式离心泵的内部流动进行三维非定常数值模拟,获取了离心泵内部流场结构,计算泵的扬程及效率。根据计算结果,分析了叶轮转动位置对泵外特性和内流场的影响。结果表明：当叶轮转动位置不同时,泵扬程、效率随之发生变化,选取某一特定位置处结果作为最终预测结果会产生较大的随机误差;叶轮转动位置的不同,也会对叶轮、导叶、蜗壳流道内的压力场和速度场产生一定的影响。     

基于边界层分离理论的低比转数离心泵设计

为研究边界层分离对低比转数离心泵水力性能的影响规律,由边界层不发生分离条件,结合离心泵湍流边界层理论,在不改变叶轮进出口几何参数的情况下,通过实际案例设计新的叶轮叶片型线,探索在水力设计中防止或抑制过流表面边界层分离的方法.叶轮叶片型线方程以叶片安放角β为变参数,引入速度系数kv作为中间因子.水力设计计算结果显示:边界层动量损失厚度随速度系数kv的增大而变厚,理论扬程随速度系数kv的增大而升高;在满足理论扬程的条件下,减小叶片型线方程中速度系数kv的取值,有利于抑制过流表面边界层的分离.数值模拟结果表明,低比转数离心泵叶轮叶片型线设计不合理是导致过流表面边界层分离的主要原因,边界层分离引起泵的水力性能下降,在设计工况下,改型泵的扬程比原型泵的扬程增加不明显,但水力效率有所提升;新的叶轮叶片型线对内流场状况有一定的改善作用,能有效防止回流与涡旋的产生和发展.     

分流叶片长度对离心泵压力脉动及径向力的影响

针对低比转速离心泵,设计0.55 D2、0.65 D2、0.80 D2(D2为长叶片外径)3种长度分流叶片,建立分流叶片离心泵三维全流场模型,通过非定常数值模拟对比分析3种分流叶片长度离心泵压力脉动特性,以及作用在叶轮和蜗壳上的径向力特性。研究结果表明:带分流叶片离心泵内流场压力脉动呈主要波动周期和次要波动周期;蜗壳上的径向力远大于叶轮上的径向力;随着分流叶片长度增加,压力脉动幅值和径向力先增大后减小,0.65 D2方案压力脉动和径向力均小于0.55 D2和0.80 D2方案。分流叶片长度过短或过长都不利于减小压力脉动和径向力。     

流固耦合作用对离心泵内部流场影响的数值计算

采用双向同步求解的方法对离心泵内流场和叶轮结构响应进行联合求解,研究了叶轮流固耦合作用对离心泵内部流场的影响.流场模拟基于Reynolds时均化N-S方程和标准k-ε两方程湍流模型,采用多重坐标系法;结构响应基于弹性体结构动力学方程.并将计算所得的流道网格变形、流场静压和速度的分布以及径向力等结果与非流固耦合计算的流场进行对比分析.分析结果表明,流固耦合作用使得流体和固体区域计算网格发生微小变形,这不仅会改变流体对固体载荷的分布,而且会影响结构对流体的做功作用,从而影响流场的分布;叶片相对隔舌不同位置时,叶轮出口处和蜗壳流道内流场的静压分布变化趋势不同;流场速度变化主要出现在叶片和叶轮出口附近;各时间点上径向力的大小和方向变化较明显.     

低比转数离心泵内部非定常流动特性数值预测

为了深入研究低比转数离心泵在运行过程中内部的非定常不稳定流动现象的内在机理,采用CFD数值模拟的方法对模型泵内部三维湍流流场进行数值计算,并根据离心泵速度三角形推导了用来直观定量衡量流动非定常强度的时均非定常强度系数。通过分析该时均非定常强度系数在低比转数模型泵中的分布可知,叶轮叶片背面附近流场非定常性较强,且流体流经叶片后缘产生的尾迹现象同样随时间波动明显。蜗壳流道出口管及靠近叶轮出口处流动非定常性较强。     

基于UG的离心泵叶轮造型设计

叶轮是离心泵主要的过流部件,而叶片的造型是叶轮设计的难点,也是影响离心泵性能的关键因素.为此,通过离心泵木模图,利用uG软件对叶轮进行了三维造型,并对叶轮扭曲叶片的型面质量进行了分析,使叶轮造型更加准确,提高了叶轮设计效率,为后面叶轮三维流场分析和数控加工等提供了良好的模型基础.     

基于RBF神经网络与DECIMO算法的螺旋离心泵多目标优化设计

针对螺旋离心泵运行时性能普遍偏低的问题,以某一典型螺旋离心泵为研究对象,应用计算流体动力学软件CFX对螺旋离心泵进行数值计算得到其内部流动规律.以在设计流量工况下的扬程和效率作为优化目标,采用P-B试验与多因素方差分析筛选出优化变量,采用径向基(RBF)神经网络建立优化目标与优化变量之间的预测模型,并结合差分进化(DECIMO)算法在样本空间内全局寻优.取扬程最优、效率最优和初始个体进行数值计算,对比分析泵输送不同介质(清水与固液两相流体)时的流场及其外特性差异,并进行试验验证.研究结果表明:叶片轮毂进口角β_1b、叶轮出口宽度b₂、叶轮出口直径D₂和叶片包角φ是影响螺旋离心泵扬程和效率的显著因素;由RBF神经网络建立的预测模型精度较高;输送清水时,设计流量下扬程最优个体扬程为9.4 m,增长了13.5%;效率最优个体效率比初始个体提高了9.8%,优化效果显著.     

基于fluent对多级离心泵首级的数值模拟

为了解叶轮叶片数对多级离心泵水利性能的影响,基于κ-ε湍流模型,采用SIMPLEC算法,利用Navier-Stokes时均化方程,对仅改变叶轮叶片数的某多级离心泵首级进行数值模拟。通过fluent数值计算得到泵内的压力,速度流场分布,对其进行分析,得出首级叶轮叶片数为六片时,此多级离心泵的内部流场压力及速度分布最均匀。同时利用fluent的后处理结果对此泵进行性能预测,得出叶轮叶片为六片时,泵的效率达到最高值70.68%。     

中比转速离心泵叶轮的优化设计及数值模拟

基于流体流动的连续方程和运动方程,通过两类相对流面的迭代计算,实现中比转速离心泵叶轮内准三维正问题的数值计算,得到了轴面速度分布.应用逐点积分法进行叶片骨线绘型,在轴面上加厚叶片,在保角变换平面上修圆叶片头部,实现了离心泵叶轮的反问题设计.正反问题进行迭代计算求解直至收敛,得到最终设计的叶轮.采用RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对离心泵叶轮内三维流场进行数值模拟,得到了叶轮内压力和速度分布.模拟结果表明设计得到的叶轮内部压力分布非常均匀,流动稳定无分离,叶轮出口能量分布合理,所设计的叶轮具有优越的水力性能.     

修锉叶片出口对离心泵非定常性能的影响

为探究修锉叶片出口对离心泵非定常性能的影响,对一台比转速为180的离心泵叶片出口的压力面和吸力面分别进行两种厚度修锉,采用ANSYS-CFX软件的标准k-ε湍流模型对各方案进行非定常数值模拟,对比分析不同叶片出口修锉方案对离心泵外特性、内部流场、压力脉动以及径向力的影响。研究结果表明:离心泵叶片出口压力面修锉方案PS1、PS2使离心泵的水力效率分别提高1.1%和1.5%,但在一定程度上会降低扬程,吸力面修锉方案SS1、SS2使离心泵的扬程分别提高6.3%和7.1%,但在一定程度上会降低水力效率;对吸力面进行修锉可以提高蜗壳扩散段壁面和蜗壳出口的静压值,同时降低叶轮及蜗壳流道中速度分布的均匀性,但对压力面进行修锉则相反;4种修锉方案均能在一定程度上改善离心泵蜗壳流道内的压力脉动,减小压力脉动的能量损耗,其中方案PS2效果最好;修锉方案PS2、SS1、SS2均能在一定程度上减小叶轮径向力同时增大隔舌径向力,其中方案SS2的影响效果最为明显。综合分析,叶片出口压力面修锉方案PS2使离心泵性能最佳。     

超低比转数离心泵的内部流动及非定常特性

为全面地研究超低比转数离心泵的内部流动和非定常特性,以一台比转数n_s=25的超低比转数离心泵为研究对象,对其进行三维非定常数值计算,并与试验结果进行对比,进而对内部流场、叶轮上的径向力和蜗壳各断面的压力脉动进行分析.研究结果表明:在不同流量工况下,叶轮流道内存在数量不等、大小不一的旋涡;靠近隔舌的2个相邻流道内,在叶轮出口边工作面的位置存在高流速区域,随着流量的增大,此处高流速区域逐渐消失;在大流量工况下,低速区面积逐渐减小,旋涡区的范围和数量逐渐减少,叶轮内相对速度分布逐渐变均匀;叶轮上的径向力大小和方向时刻变化,呈现六角星型分布,径向力脉动的主要激励频率均为叶频及其整数倍频;蜗壳各断面内压力脉动峰值随着断面变化逐渐增大,蜗壳各断面内压力脉动的主要激励频率均为叶频及其整数倍频,说明叶轮出口与蜗壳的耦合作用是蜗壳内压力脉动的主要影响因素.研究结果可为超低比转数离心泵的水力优化设计和合理运行区间的选择提供一定参考.     

带小叶片螺旋离心泵压力脉动特性分析

为了研究带小叶片的单叶片螺旋离心泵压力脉动特性,采用Navier-Stokes方程和标准的k-ε湍流模型对带小叶片和单叶片的螺旋离心泵的内部流场进行非定常数值计算。通过模拟分别获得了带小叶片和单叶片的螺旋离心泵蜗壳出口以及蜗壳内部压力脉动特性,并对其进行对比分析。结果表明:各个工况下,带小叶片和单叶片的螺旋离心泵蜗壳出口以及蜗壳内部压力脉动特性呈周期性变化,且主频均为各自叶片通过频率,压力波动的幅度大部分集中在低频区域;采用小叶片后周期变为原模型周期的一半,蜗壳及蜗壳内部出口压力波动的幅度明显减小,脉动幅值也明显减小,且高频脉动有所减少。研究表明单叶片螺旋离心泵叶轮小叶片的添加可以有效改善泵内部压力脉动特性,且对降低蜗壳上的振动噪声有一定积极作用。     

修锉叶片出口对离心泵内流场及叶轮强度的影响

当离心泵扬程略低于实际需求时,可以通过修锉叶片出口提高其水力性能.文中对单级单吸离心泵叶轮进行修锉,对比修锉前后试验发现,扬程、效率分别提高了9.8%和6.7%.同时采用CFX软件对该泵在设计工况下的全流场进行了非定常数值计算,对比分析了修锉前后内流场的变化.基于ANSYS Workbench平台,对叶轮进行单向流固耦合计算,分析了修锉叶片出口对叶轮强度的影响.结果表明:叶片出口修锉后,出口尾迹区的绝对速度增大且相对速度减小,导致扬程上升;修锉后叶片出口边的逆压力梯度明显减小,阻止了边界层的分离,减少了摩擦和分离损失,从而提高了效率;叶轮最大等效应力与修锉前相比,其差别随着相位的不同而不同;各相位下,修锉后的叶轮最大总变形均大于修锉前.研究结果为改善离心泵内流场提供了一种可靠的方法.