双叶片离心泵内动静干涉的三维PIV测量

为研究叶轮与蜗壳的动静干涉作用,采用三维PIV对一双叶片离心泵最优工况下叶轮流道内3个截面内的流动进行了测量,每个截面内测量9个叶片位置.结果表明：随着叶片与隔舌距离的不同,叶轮流道内的相对速度场和轴向速度场发生了明显的变化;当叶片在隔舌与蜗壳1断面间时,流道内的流量最小,相对速度场分布最为均匀;在前盖板附近吸力面的流道出口出现了低速区,形成了射流-尾迹结构,并在流道进口发现较强的轴向速度;当叶片随着旋转方向远离隔舌时,流道内的流量逐渐增大,在叶片压力面进口出现了流动分离并产生了旋涡,而流道出口的相对速度变得平稳,同时流道进口的轴向速度减弱;当叶片随着旋转方向靠近隔舌时,叶轮流道内的流量逐渐减小,流道进口的旋涡减弱并消失,流道出口的压力面附近相对速度降低,吸力面附近的相对速度增大,同时流道进口的轴向速度继续减弱.     

双进口两级双吸离心泵过渡流道压力脉动特性研究

双进口两级双吸离心泵的过渡流道由正流道、过桥段、反流道3部分组成,其中正流道为双蜗壳型式,反流道为带有导叶的双螺旋型式,过桥段连接正反流道呈现空间扭曲状。过渡流道与首级叶轮和次级叶轮均存在动静耦合关系,由此导致的动静干涉效应是引起压力脉动的主要根源之一。采用CFD方法对双进口两级双吸离心泵典型工况下的三维非定常流场进行了研究,对过渡流道压力脉动机理进行了分析。研究发现,正流道内的静压分布与其双蜗壳型式密切相关,在所有工况下均呈180°对称分布,压力脉动主频均为叶片通过频率,最大脉动幅值均出现在隔舌附近;小流量工况下,隔舌处压力脉动主频幅值明显高于设计工况,约为设计工况的180%。在过桥段中,所有工况下压力脉动主频均为叶片通过频率,设计工况下,沿着流动方向,内壁面进口处的压力脉动主频幅值达到最大,外壁面主频脉动幅值变化沿流动方向有增加的趋势;在反流道中,设计工况下压力脉动主频为叶片通过频率,幅值沿着流动方向逐渐增加,出口处主频的脉动幅值约为进口处的110%;小流量工况下,反流道导叶附近存在低频成分,且在导叶周围发现具有周期性的漩涡。     

圆柱水射流中的能量分布与统计特征

在13,15,17 MPa压力下,采用相位多普勒粒子分析仪（PDPA）对自由圆柱水射流的轴向速度、轴向脉动速度和液滴粒径进行测量,对通过射流场中不同位置测量体的单个液滴特征进行统计分析,以获得单个液滴的轴向速度和对应的液滴数的相关特征,进而分析射流束中的能量分布.研究结果表明：在相同压力条件下,不同轴向截面上的轴向速度分布呈现一定的相似性,截面边缘处的轴向速度梯度较大;截面边缘处的轴向脉动速度较大,且随射流压力增加,轴向脉动速度增大.对位于中间点的测量体,具有较高速度的液滴占据绝大多数;对边缘处的测量体,液滴速度谱较宽.在不同轴向截面上,随射流压力的变化,对应位置的统计关系变化规律不同.在设定的第1采样时段内,在各中心点处测量体内采集到的有效液滴数相差不大.但穿越边缘点测量体的有效液滴数随射流压力和截面位置的变化极不规则.     

平衡孔直径对离心泵叶轮进口流态的影响

为研究平衡孔直径对离心泵叶轮进口流态的影响,在降速后的IS80-50-315型离心泵上,用平衡孔直径d分别为0,4,6,8,10 mm的同一个叶轮,对离心泵的扬程、效率和轴功率进行预测,研究泵在设计工况、不同平衡孔直径时叶轮进口处速度矢量和压力的分布情况,并监测叶轮进口处的压力脉动特性.结果表明:加大叶轮平衡孔直径,泵的扬程与效率下降、轴功率提高,且在小流量工况下泵扬程变化更为明显;随着平衡孔直径的增大,平衡孔内液体流速减小,对叶轮进口流体的冲击作用逐渐减弱,叶轮进口处压力变得均匀,在一定程度上改善了泵的抗汽蚀性能;随着平衡孔直径的增大,叶轮进口主流区的压力脉动幅值减小,在一定程度上稳定了压力脉动幅值的变化,改善了其不稳定特性;平衡孔直径增大时,叶轮进口区平均静压变化逐渐稳定.研究成果为离心泵叶轮平衡孔直径的选择提供了参考.     

高速诱导轮三维非定常湍流数值模拟

基于N—S方程和滑移网格技术,利用FLUENT软件对诱导轮内部流场进行了全三维非定常湍流数值模拟,获得了诱导轮内部的速度分布、静压分布以及流体压力脉动特征等重要的流动信息．描述了诱导轮进口及轮缘间隙处的回流现象,解释了回流现象发生的原因,即轮缘处叶片压力面和吸力面存在压差;分析了回流引起的进口低压区对诱导轮汽蚀性能恶化的过程;采用快速傅立叶变换处理监测点的压力脉动数据,发现流体压力脉动中的主导频率成分约为转频的Z次谐波,所以可避免流体脉动诱发的机械谐振．模拟结果为高速诱导轮的改进设计提供了一定的理论依据．     

轴流泵叶轮进出口流场的测量

为了获得轴流泵内部流动的真实情况,设计了内部流动测量装置.运用五孔球形探针,对高效轴流泵在0.8Qopt,1.0Qopt和1.2Qopt工况下的叶轮进口和出口速度矢量分布、静压分布和总压分布进行了测量,并分析了不同工况下的轴面速度、环量、圆周方向分速度和压力分布等.测量结果表明：轴流泵模型进口在0.8Qopt至1.2Qopt工况范围内,流动稳定,进口轴向速度从轮毂到轮缘逐渐减小,且进口预旋很小,不同径向位置的静压基本相等.在最优工况下,轮毂与可调叶片间无间隙时,轴流泵叶轮出口基本呈现等环量流型,轴面速度呈现抛物线分布,且效率高.若轮毂侧存在间隙,间隙处的环量、轴面速度、压力和效率均明显下降.     

叶顶间隙对诱导轮内部流动特性的影响

为研究不同叶顶间隙值对诱导轮内部流动特性及非定常特性的影响,采用ANSYS CFX软件,基于SST k-ω湍流模型对某高速离心泵在3种不同诱导轮叶顶间隙率(0.01、0.02、0.03)下进行内部流场数值模拟。分析诱导轮内部流动特性、0.6Qd流量工况下轴向截面压力脉动以及诱导轮所受径向力。结果表明:适当增大叶顶间隙对泵的扬程和效率影响较小,但可以减弱壁面射流,改善诱导轮叶片进口压力分布,提高其空化性能。叶顶间隙对诱导轮进口处压力脉动影响较大,对诱导轮中后段处压力脉动影响较小。对本文模型而言,0.6Qd流量工况下叶顶间隙率增加至0.03时,径向力分布情况最好,说明适当增加叶顶间隙有助于减小和平衡小流量工况下诱导轮所受径向力。     

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.     

液力透平变工况瞬态特性的数值分析

为了研究液力透平变工况时的瞬态特性,基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,对液力透平内部流场进行全三维非定常数值模拟,获得了变工况下液力透平内部流场的瞬时压力脉动、轴向力和径向力的变化规律.结果表明:变工况条件下,液力透平内部的瞬时压力脉动更为明显,小流量工况时静压力虽小,但压力脉动幅度最大,大流量工况的压力脉动幅度次之,最优工况时的压力脉动幅度最小;转轮进口动静耦合面处各个位置的压力脉动幅度与所处的位置有关,蜗壳环形出口位置的压力脉动较大,隔舌处压力脉动较小,压力脉动幅度随着流量的增大而增大;转轮进口动静耦合面和进出口的压力脉动主频等于叶频(转动频率与叶片数的乘积);液力透平在各个工况下均有径向力和轴向力存在,变工况下瞬时径向力的矢量分布近似圆形,瞬时轴向力在一个周期内变化趋势为先减小后增大,且存在最小值区域;流量越大,径向力和轴向力越大.     

隔舌间隙对双流道泵瞬态流动特性的影响

为了研究隔舌间隙对双流道离心泵压力脉动特性的影响,采用大涡模型及网格滑移技术,结合全隐式多网格耦合算法,应用ANSYS-CFX对比转速为110的双流道离心泵进行三种隔舌间隙数下的全流道三维不可压缩湍流非定常数值模拟。在外特性模拟结果与实验结果对比验证的基础上,结合双流道泵自身特性,从泵的无阻塞性和内部流动的角度,探寻隔舌间隙数对双流道离心泵内压力分布、隔舌区附近的速度场及关键点压力脉动特性的影响规律。研究结果表明：随着隔舌间隙数的增大,压水室的高压区范围明显变大,泵内部静压分布规律性更好,隔舌间隙数越大,隔舌区附近的平均速度越小,流体在隔舌区域附近的流动更加平稳;不同隔舌间隙数的压力脉动的主频均为叶频,隔舌及蜗壳区压力脉动峰值处频率均为48.20Hz,同时随着隔舌间隙数的增大,压力脉动剧烈程度明显降低,这也是泵的水力效率有所提高的重要原因之一。适当增大隔舌间隙数有利于改善双流道离心泵水力性能及压力脉动特性。     

涡旋式液泵内流场及空化的数值模拟

对涡旋液泵的内流场进行了数值模拟,其中空化模型采用Schnerr-Sauer模型,流体域的变化通过动网格技术来实现,得到涡旋式液泵在0.5 mm啮合间隙下的流场,同时对泵内特殊点的压力和速度进行了监测,并对其进出口流量进行了计算.结果表明:涡旋液泵吸液腔在0°附近产生压力峰值,达到1.50 MPa,在高压差的作用下,外啮合间隙处存在高速射流,使外部流道内产生涡和空化.在啮合间隙低压侧,动盘运动使吸液腔局部面积增大而产生负压和空化.涡和空化造成其附近压力和速度的脉动,从而堵塞流道,并使泵的整体流量产生脉动.动盘的运动和进口的不对称导致涡旋液泵两侧工作腔内压力、速度、涡的分布以及吸液量存在较大的差异,并在吸液后期导致右侧吸液流道内流动趋于静止,流体主要通过顶部流道流入右侧吸液腔.     

低比转数离心泵小流量工况下的压力脉动特性

为了研究低比转数离心泵在小流量下的压力脉动特性,以IS50-32-160型离心泵为研究对象,在对模型泵进行网格无关性分析的基础上,采用分离涡模拟对不同小流量工况下的内部非定常流动进行数值计算.计算结果表明:隔舌对叶轮内部流动的影响较大,靠近隔舌的3个流道内均存在不同程度的进、出口旋涡,进口旋涡从叶片吸力面处产生,方向与叶轮旋转方向相同,而出口旋涡在叶片压力面产生,方向与叶轮旋转方向相同;随着流量的减小,旋涡不断发展,尤其是隔舌所在流道,进、出口旋涡会堵塞整个流道,且蜗壳出口会出现流动分离,导致出流不均匀;对叶轮和蜗壳内各监测点进行快速傅里叶变换,发现叶轮内的主要脉动频率为轴频及其倍频,且脉动从吸力面到压力面、进口到出口均逐渐增大;蜗壳内主要脉动频率为叶频及其倍频,且越靠近隔舌脉动越大,在隔舌处达到极大值;各监测点的脉动强度随流量的减小而增强.     

双叶片泵内非定常流动的数值模拟

为研究双叶片泵内非定常流动特性,采用RNG k—ε模型对由叶轮水体、蜗壳水体及叶轮进口延伸段水体组成的三维计算区域在设计工况下进行了非定常计算．比较了不同时刻泵内静压和相对速度的分布情况,同时分析了双叶片泵内压力脉动的时域图与频谱图以及瞬时扬程的变化．结果表明,在不同时刻同一流道的静压及相对速度分布并不相同,同一时刻不同流道的静压及相对速度分布也不相同,这主要和流道与隔舌的相对位置有关;双叶片泵内存在明显压力脉动,其中隔舌处的压力脉动最为剧烈．随着与隔舌距离增大,压力脉动强度逐渐减弱,压力脉动的主频等于叶轮转频与叶片数的乘积．该模拟对掌握双叶片泵内的流动规律、减少水力损失、提高泵效率提供了一定的理论依据．     

离心泵泵腔轴向间隙对平衡腔压力和泄漏量的影响

针对不同泵腔轴向间隙对平衡腔和泄漏量的影响,采用RNG k-ε湍流模型,对IS80-50-315型单级单吸悬臂式离心泵后泵腔间隙分别为1,4,8,12,16,20 mm的全流道模型进行数值计算,分析了不同间隙下平衡腔液体压力的分布规律和泄漏量的变化情况,得到了与泵腔阻力系数、密封环阻力系数和平衡孔阻力系数相关的速度系数与隙径比的关系曲线和泄漏量计算公式,可用于试验中对0.006~0.127的全流道速度系数进行预估和不同泵腔轴向间隙的泵腔流道液体泄漏量的求解.研究结果表明:后泵腔轴向间隙增大,平衡孔进口处平面和闷盖壁面压力随之升高,这个变化在轴向间隙为4~16 mm时较为明显,而在泵腔间隙取最大值12 mm和最小值1 mm时压力改变较小;同一工况下的泵腔流道泄漏量随后泵腔间隙的增大而上升,而对于同一泵腔间隙,泵腔流道泄漏量在0.8Q_d时最大,1.2Q_d时最小,即泄漏量随流量的增大而减小.     

基于非均相流模型的离心泵气液两相流动数值研究

为研究离心泵气液混输状态下的内部流动特性,基于Eulerian-Eulerian非均相流模型以空气和水作为工作介质,在不同进口含气率工况下对离心泵内流场进行定常和非定常数值计算,相间阻力作用采用Schiller Nauman模型,得到叶轮内气相分布情况以及气液两相的速度流线图,探求气液两相在泵内的流动规律。计算结果表明:在叶片进口边压力面气相浓度较高处,会产生漩涡,说明叶轮流道内漩涡的产生与气体的聚集有很大的关系;增大进口含气率到10%时,叶轮流道内靠近吸力面处已经出现比较明显的相态分离现象,气相有沿着叶片吸力面向叶轮出口运动的趋势;气相在叶轮流道内会沿流道中部向前后盖板运动,随着含气率增大,靠近前后盖板侧的气相浓度逐渐增大,靠近叶轮出口边前盖板侧的气相浓度增加较后盖板更明显,最终气体可能会堵塞流道;在一个旋转周期内,叶轮出口压力呈周期性变化,进口含气率从1%增至10%,叶轮出口压力逐渐降低,监测点在不同含气率下压力脉动主频在叶片通过频率附近,进口含气率不超过10%时对监测点压力脉动的主频及次主频影响不大;通过对比试验结果和数值计算结果,证明所采用的计算模型和方法基本可靠。     

混流泵内部流动的试验研究

混流泵叶轮内流动性能直接影响整台泵的外部性能.为了探讨混流泵叶轮内部的流动机理,设计了透明蜗壳,加工了1套半开式混流叶轮,建立了混流泵试验系统并利用PIV对其在不同流量工况下叶轮内部的流动性能进行了试验测试.通过对叶轮流道内的时均相对速度分析后发现,在设计流量工况下压力面附近相对速度从进口到出口先减小后增大,吸力面附近的相对速度先增大后逐渐减小.在叶轮出口处沿叶片高度方向的相对速度靠近压力面附近变化不大,靠近吸力面附近从叶根到叶顶逐渐降低,相对流速最小值出现在吸力面叶顶附近.在小流量工况下,流道中部叶高截面至叶顶的区域内会出现回流现象.同时还研究了不对称形状的蜗壳对叶轮内部流动的影响,对叶轮相对蜗壳不同位置流道内的流动进行了测试,发现相对蜗壳不同位置流道内的相对流速的分布趋势基本相同.     

双流道污水泵叶轮内部三维湍流流动的数值模拟

基于Reynolds时均化的N-S方程和标准的k-ε两方程湍流模型,运用流场计算软件Fluent,在不同工况下对QW950-15-55型双流道污水泵叶轮蜗壳耦合流场进行了数值模拟研究,捕捉到了双流道叶轮内流的重要特征.依据计算结果,主要分析了设计工况时双流道叶轮内部的速度和压力分布情况.叶轮内压力分布与叶片式离心泵的数值模拟是类似的;在偏离设计的大流量工况,叶轮流道内的流动呈现明显的不对称性;叶轮内部流动为混合螺旋流,由轴向旋涡作用引发的相对速度旋涡的涡核位置靠近后盖板和压力侧;叶轮出口的压力和绝对速度分布呈现明显的周期性,其周期性与叶轮流道的周期性是对应的;静压周向分布的轴向不对称性较小,而速度周向分布的不对称性则较大.对比试验与数值模拟的扬程和水力效率值,数据基本吻合.     

空间导叶式离心泵的数值计算及优化设计

基于Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,采用SIMPLEC算法对一空间导叶式离心泵进行全流道三维湍流数值计算,分析了导叶式离心泵在设计工况下整个流道、环形空间及其空间导叶内部的流场分布,并进行试验验证计算结果.结果表明,叶轮叶片吸力面靠近进口区域压力最小,出现负值,该区域将有可能发生空化;液体流经叶轮和空间导叶之间的环形空间时将产生较大的冲击损失;液体由叶轮出口高速旋转流出经过环形空间流入空间导叶,空间导叶进口附近流速较大,在空间导叶吸力面的入口处存在二次流.试验结果和计算结果吻合较好,在相同流量下数值计算结果和试验数据的最大误差基本小于15%,在可以接受的范围之内,证明了数值计算的有效性.该研究结果为空间导叶的几何参数优化提供了一定的理论参考.     

卧式泵站竖井进水流道三面进水水力特性数值模拟

针对某单向卧式引水泵站采用的竖井式进水流道进行优化设计,提出三面进水竖井进水流道,为分析三面进水下竖井进水流道的水力特性,基于雷诺时均N-S方程和k-ε标准湍流模型,采用CFD技术对该卧式泵站的三面进水竖井流道进行数值模拟,通过控制中墩的线型以及中墩宽度b形成不同的三面进水流道,从而分析不同三面进水流道的水力特性,具体分析不同方案进水流道出口断面的轴向速度分布、水平剖面的流线和速度分布以及流道水力损失的状况.研究结果表明:对于不同中墩宽度下的三面进水流道,流线型中墩较矩形中墩其流速分布均匀度和速度加权平均角均较大,采用流线型中墩可以获得较好的流态;对于流线型中墩,随着中墩宽度b的减小,过水断面面积逐渐增大,各方案流速分布均匀度和速度加权平均角逐渐增大,当b=0.075B时,此时流线型中墩泵进口断面上的压力分布较矩形中墩更为均匀.     

贯流泵扩管内流场的三维LDV测量

贯流泵扩管对贯流泵装置性能的改善有一定作用,采用三维多普勒激光测速仪(LDV)对贯流泵扩管内流场进行流动测量,获得了扩管内各速度分量的分布规律,周向速度从进口到出口逐渐减小,靠近轮毂处和轮缘处周向流速逐渐减小;轴向速度呈"U"形分布,靠近壁面流速很小,中间区域的流速比较大,随着扩管的扩散,轴向速度有减小的趋势;径向速度的分布情况也是中间速度比较大,靠近壁面处流速减小。同时将测量结果与CFD计算结果进行了比较。结果表明:计算值与试验值的流速分布趋势基本一致,两者的周向速度和轴向速度比较接近,但是径向速度由于其本身的流速较小,所以从相对值来说计算值和试验值偏差比较大。