基于CFD技术的多级潜水泵优化设计

结合多级潜水泵的特点,针对后倾式叶轮及空间导叶的多级潜水泵,以效率最大为优化目标进行优化设计.为了提高优化的精度,对后倾式叶轮和空间导叶进行参数化拟合处理,选择叶轮和导叶的进出口角作为控制参数并在原模型基础上增加±20°作为优化范围,在不断进行流场校核的基础上基于遗传算法寻找目标函数的最优值,得到控制参数变化范围内的最优叶轮模型.数值模拟结果表明:当叶轮根部进口角为35.53°,出口角为27.32°,导叶进口角为15.48°,出口角为61.75°时获得最优模型,优化后的水泵效率提高了4.12％,单级扬程提高了,1.449 m,拓宽了水泵的高效区,提高了水泵的运行稳定性,泵性能得到了优化.     

新型井泵叶轮水力设计与内部流场

深井离心泵在机井内工作，其外径受井径的限制，为了解决QJ型泵叶轮外径小，无法进一步提高单级扬程的问题，采用自主创新的极大扬程设计法重新设计水力模型。同时运用三维造型软件Pro/e生成叶轮的实体造型，运用商用CFD软件Fluent6.0作流场数值模拟，反复修正三维模型，试制出100SJB8新型深井离心泵叶轮，测试结果该泵的单级扬程提高了50%，效率超过国家标准9.8%。     

基于正交试验的多级井用潜水泵叶轮出口与导叶进口参数匹配研究

为提高多级井用潜水泵的效率,同时保证泵的扬程,以200QJ50-65型5级井用潜水泵为例,按照L9(34)正交表,选取了叶轮出口边斜度、叶轮出口边与导叶进口边间隙、导叶进口边宽度3个因素,每个因素取3个水平,组合出9组方案。采用CFD数值模拟对多级井用潜水泵的前两级进行了全流场数值模拟,获得了9组方案在额定工况下的效率、扬程。通过正交试验法和极差分析得到了各因素对效率和扬程的影响规律以及各因素对泵效率、扬程影响的主次顺序,提出了多级井用潜水泵叶轮出口与导叶进口匹配的最佳方案。结果表明:优化方案在额定工况下相比原模型泵的效率提高了4.87%,单级扬程提高了2.8 m。通过内流场分析得到了优化后泵的水力性能提高的原因。     

深井离心泵轴向力数值预测与试验

轴向力的预测和平衡是多级泵设计和优化中的重点和难点。以150QJ20型深井离心泵为例,在Fluent中采用标准k-ε湍流模型、SIMPLEC算法、二阶迎风方程,对包含叶轮、导叶在内的两级深井离心泵进行了全流场数值计算,对不同工况下的泵效率、单级扬程和单级轴向力进行了预测。随后对样机进行了外特性和轴向力的试验测量。将数值模拟结果与试验结果对比,分析了预测值与试验值的差异,结果表明利用数值模拟方法可以较为准确地预测深井离心泵的外特性和轴向力。     

叶片出口安放角对单叶片泵性能的影响

为改善单叶片泵的性能,采用数值模拟与外特性试验相结合的方法分析了叶片出口安放角对泵性能的影响.基于SIMPLEC算法和RNG k-ε湍流模型,通过ANSYS CFX软件求解三维N-S方程,对叶片出口安放角分别为10°,14°,18°,22°和26°的单叶片泵内部流场进行了数值分析,得到了泵的速度场、压力场,并获得了泵外特性及所受径向力,数值计算所得扬程与试验结果具有较好的一致性.结果表明单叶片泵扬程、功率、效率均随叶片出口安放角增大而提高,但叶片出口安放角增大到18°以后,由于叶轮内流动滑移加剧,变化不再显著;不同叶片出口安放角单叶片泵内流场整体分布相似,但叶片压力面前端脱流区随叶片出口安放角的增加而增大,压力面的相对速度随叶片出口安放角的增加而减小,隔舌处的流动随叶片出口安放角的增加而变得顺畅;叶轮及蜗壳所受径向力随叶片出口安放角的增加而增大,叶轮所受径向力在设计点工况附近最小,而蜗壳所受径向力随流量增加而减小.     

叶轮进口边位置对深井离心泵水力性能的影响

针对一典型的150QJ20型深井离心泵,设计了3种进口边位置的叶轮,基于Fluent软件,采用标准k-ε模型、SIMPLEC算法对其进行了全流场数值计算,对不同进口边位置的叶轮出口断面的压力场、湍流场和速度场进行了比较,并结合试验分析了进口边位置对深井离心泵水力性能的影响。结果表明,适当延伸叶轮进口边,增加后流线的长度,可以减小叶轮出口的湍流强度,改善流场分布;可以相对减小叶轮进口直径和叶轮进口的冲击损失,提高深井离心泵的水力性能。     

深井离心泵的水力设计和二次回归正交试验

根据研发新型井泵节能节材的要求,将水力设计与计算流体动力学技术和二次回归正交试验方法相结合,进行提高井泵效率的试验研究.试验选择深井离心泵的叶轮出口安放角和出口宽度两个几何因素,按二次回归正交试验方案,设计了10副叶轮.通过计算流体动力学技术对包含叶轮、导叶在内的两级新型深井离心泵的全流场进行了设计工况下的三维流场数值模拟,得到了10组设计方案额定点的效率值.通过二次回归正交试验法研究了叶轮出口安放角、出口宽度对效率的影响规律,根据计算结果对新型深井离心泵效率提出了二次回归约束方程.结果表明,采用叶轮极大直径设计法对提高新型深井离心泵的水力效率具有一定的参考价值.     

基于叶片包角和出口安放角对叶轮的改进设计

基于计算流体力学方法,对KQW250-400型离心泵全流场进行数值模拟.基于叶片设计理论,对叶轮进行改进设计,通过改变叶片包角Φ和叶片出口安放角β₂建立5个不同的叶轮模型,并数值计算获得5个模型泵相应的外特性曲线和内部流场分布,对比分析可知:叶片包角Φ=126°与叶片出口安放角β₂=24°的叶轮最优;设计流量为550 m³/h时,扬程计算值为53.49 m,效率计算值为87.66%.原始离心泵和带改进叶轮的离心泵外特性试验测试结果表明:当流量Q=551.381 m³/h时,测得原始扬程为49.10 m,效率为79.88%;流量Q=550.823 m³/h时,测得带改进叶轮的扬程为51.84 m,效率为85.65%.改进后设计工况点扬程提高了2.74 m,效率提高了5.77%,且改进后的离心泵效率整体高于改进前,离心泵的整体性能得到了提升.研究结果有利于提高建筑物用泵的经济效益,从而降低能耗.     

深井离心泵叶轮极大直径设计法

针对深井离心泵外径受井径限制的结构条件,研究了一种深井离心泵叶轮极大直径设计法,其特点是将叶轮前盖板直径扩大到泵体内壁边缘,使叶轮直径在相应的井径条件下达到极大值,它与反导叶导流壳配套,可以使泵体轴向长度减短到极小值.应用这种创新的设计方法,可以使相同规格的井泵单级扬程提高50%左右,生产成本降低1/3左右.详细介绍了这种井泵设计方法的基本理论与叶轮设计计算步骤,并通过流场的数值模拟,论证了其设计的合理性;通过样机试验,证明了这种设计方法不仅可以提高井泵的单级扬程,还可以提高水泵效率,实现深井离心泵全扬程无过载运行.     

叶片包角对高比转数离心泵性能的影响

为研究设计工况下叶片包角对高比转数离心泵性能的影响,以一台比转数为185的单级单吸离心泵为研究对象,在保证泵体和叶轮其他几何参数相同的前提下,将叶片包角分别设计为110°,115°,120°,125°和130°. 应用ANSYS CFX 14.5软件对离心泵内流场进行数值计算.结果表明:叶片包角对外特性有显著影响,包角过大,扬程和水力效率整体下降;当叶片包角增大到130°时,最佳效率点向小流量偏移近20%;同时,随着叶片包角的增大,叶轮进口低压区增大,更容易发生汽蚀;叶片包角从110°增大到115°时,蜗壳内流动更加平顺. 当叶片包角增大到125°时,隔舌附近出现明显的低速旋涡区,随着包角进一步增大,旋涡区域扩大且向出口处移动;此外,当叶片包角为120°时,各监测点的压力脉动幅值较低,说明对于动静干涉作用的影响,叶片包角存在一个最优值. 针对叶片包角为120°的模型泵进行了性能试验,对比发现数值计算的结果与试验结果趋势一致,表明数值计算方法是可信的,对高比转数离心泵水力设计具有一定的参考价值.     

不同级数深井离心泵性能的数值模拟与试验

选取250QJ80型深井离心泵作为研究对象,借助数值模拟和试验研究的方法,研究不同级数时深井泵性能的变化规律,并通过分析内部流场探究不同级数深井离心泵性能变化规律的本质原因.采用ANSYS-CFX 17.0软件对该深井离心泵模型在单级、两级以及三级时的性能分别进行了数值预测.对3组模型分别进行计算域建模,结构化网格划分,进而基于标准k-ε湍流模型和标准壁面函数进行多工况数值模拟,获得级数不同时深井离心泵的性能预测值,并将数值预测结果与试验结果进行对比分析.结果表明:深井离心泵级数的变化并不会对某一特定级数的性能造成影响,两级与三级离心泵首级扬程与效率高于其后各级,其后各级的扬程与效率差异不大.造成这些相似性与差异性的主要原因是:深井泵首级叶轮进口处的介质为无预旋入流,而当级数大于等于2级时,其后各级叶轮进口处的介质均存在一定的旋转分量.     

叶轮倾斜出口对长轴消防泵内流特性的影响

以XB4.3/240-300LC型立式长轴消防泵为研究对象,在保证叶片包角、进出口安放角、叶轮出口宽度、叶轮出口中间位置到叶轮进口轴向距离以及到旋转轴的径向距离、出口过流断面面积、叶片进口边与前盖板流线交点的径向坐标值均不变的条件下,通过改变叶轮出口倾斜角度设计多种叶轮方案,采用SST湍流模型,对不同方案进行数值模拟和内部流场分析,以寻求泵水力性能最优的叶轮出口倾斜角度.研究结果表明:改变叶轮出口倾斜角度,泵扬程和效率在小流量工况下提升幅度较小,而在大流量工况下,提升幅度相对较大;当叶轮倾斜角度为15°时,泵扬程和效率出现峰值,继续增大倾斜角度,两者反而下降,则倾斜角度为15°视为最优叶轮出口倾斜角度,此时泵扬程和效率相对原始方案分别提高5.95%和1.19%;叶轮出口处绝对速度圆周分量和径向分量在大流量工况下分布有较好的一致性,叶轮出口倾斜角度对其影响较小,而在小流量工况下,各方案的绝对速度分量在流道内分布规律较差;叶轮倾斜出口对环形空间及空间导叶内部湍动能分布有较大影响.     

基于正交试验的高速井泵优化设计

为了提升高速井泵的水力性能,探讨影响其性能的主次因素,以100QJ10型高速井泵为研究对象,按照L₁₈(3⁷)正交表,选取叶片出口宽度、叶轮出口直径、叶片数等7个因素,每个因素选取3个水平,共设计18组叶轮,并分别与同一个导叶装配.应用CFX 15.0软件对18组模型泵进行全流场数值模拟,利用极差分析法研究影响100QJ10型高速井泵性能的主要和次要因素.结果表明:叶片出口安放角和叶轮出口边斜切角度对高速井泵的水力性能影响较大;本次优化最优方案为叶轮出口宽度b₂=6.5 mm,叶轮出口直径D₂=80.5 mm,叶片出口安放角β₂ = 27°,叶片数Z=7,叶片进口直径D₁=40 mm,叶轮后盖板与反导叶最底端轴向间距h=3.5 mm,叶轮出口斜切角度为0°.分别对初始模型和优化模型进行外特性试验并对比分析,验证了正交试验结合数值模拟方法在高速井泵优化设计方面的可行性.     

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.     

离心泵叶片出口边倾斜角对压力脉动的影响

为研究叶片出口边倾斜角对叶轮与蜗壳由动静干涉作用而引起压力脉动的影响,在保证叶轮基本参数和叶片安放角变化规律不变的情况下,通过改变叶片出口边倾斜角而设计了2种计算方案.采用SST湍流模型、SIMPLEC算法和滑移网格技术,分别对不同叶片出口边倾斜角的叶轮匹配同一蜗壳的离心泵进行全流道非稳态数值模拟,得到不同叶片出口边倾斜角的离心泵外特性及压力脉动特性,并对其进行分析.计算结果表明:随着叶片出口边倾斜角的减小,泵高效区加宽;在小流量工况至设计流量工况时模型1,2的扬程流量曲线接近,在设计流量工况至大流量工况时模型2的扬程增大;2种叶片出口边倾斜角的离心泵中监测点处的压力脉动规律相同,呈周期性变化;较小叶片出口边倾斜角的离心泵中蜗壳内及隔舌处的压力脉动波动幅度减小,高频脉动成分减小.分析结果可为离心泵叶轮的设计提供理论参考.     

多级冲压泵三维流场的瞬态数值模拟

运用CFX流动软件的滑移网格和标准的λκ-ε湍流模型对工业中常用的DL型多级冲压离心泵整级进行了全三维瞬态流场的数值模拟,分析泵内叶轮与导叶间的动静干扰问题.滑移网格分别设置在多级离心泵叶轮出口、固定导叶入口与泵内流体之问的交互界面,对每个时间步求解流动方程.在任一个叶轮旋转周期内,分析叶轮入口和出口的总压值出现脉动信号频率与叶轮叶片数的关系.分析了叶轮入口和出口处总压波动的幅度.该三维非稳态模拟结果为多级冲压离心泵的水力优化设计提供了依据.     

低比转数冲压多级泵叶轮内三维流动数值模拟

应用标准k-ε湍流模型加壁面函数法对低比转数冲压多级离心泵叶轮内的三维湍流流动进行了时均N-S方程的数值计算。分析了叶轮内部流场的速度分布和压力分布,研究了离心泵叶轮通道内流动的规律。并利用CFD软件CFX的模拟结果得到了设计工况下离心泵叶轮的扬程和效率的预测值,预测结果与相关的试验数据相吻合。     

离心泵叶片出口边倾斜角对压力脉动的影响

为研究叶片出口边倾斜角对叶轮与蜗壳由动静干涉作用而引起压力脉动的影响,在保证叶轮基本参数和叶片安放角变化规律不变的情况下,通过改变叶片出口边倾斜角而设计了2种计算方案.采用SST湍流模型、SIMPLEC算法和滑移网格技术,分别对不同叶片出口边倾斜角的叶轮匹配同一蜗壳的离心泵进行全流道非稳态数值模拟,得到不同叶片出口边倾斜角的离心泵外特性及压力脉动特性,并对其进行分析.计算结果表明：随着叶片出口边倾斜角的减小,泵高效区加宽;在小流量工况至设计流量工况时模型1,2的扬程流量曲线接近,在设计流量工况至大流量工况时模型2的扬程增大;2种叶片出口边倾斜角的离心泵中监测点处的压力脉动规律相同,呈周期性变化;较小叶片出口边倾斜角的离心泵中蜗壳内及隔舌处的压力脉动波动幅度减小,高频脉动成分减小.分析结果可为离心泵叶轮的设计提供理论参考.     

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%。     

叶片出口角对离心泵性能的影响及滑移系数修正

为研究不同叶片出口角对两级离心泵性能的影响,以25-150/2-30/N型两级矿用潜水离心泵为研究对象,采用计算流体动力学软件CFX,基于N-S方程和SIMPLE算法,选用标准k-ε湍流模型,对4组不同叶片出口角下两级离心泵进行定常数值模拟.模拟得到不同叶片出口角下两级离心泵性能曲线,并对扬程、效率及功率进行对比分析,同时分析泵内部流场的压力和速度分布规律.结果表明:叶片出口角对离心泵性能有明显影响,随着叶片出口角增大,扬程逐渐上升,轴功率则在大流量区趋于平稳;内部流场中,叶轮进口低压区面积扩大,出口高压区面积缩小;叶片压力面低速区增大,叶轮流道靠近叶片压力面处出现旋涡.同时,应用数理统计和回归分析,以不同叶片出口角下离心泵的理论扬程为依据,对斯托达拉滑移公式进行修正.