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.     

JP75型卷盘喷灌机用水涡轮能耗贡献率分析

为对JP75水涡轮各过流部件展开能耗贡献率研究,探究水涡轮性能,利用水涡轮试验台对JP75水涡轮在不同转速下进行外特性试验,并确定水涡轮最优转速(250 r/min);采用CERO和STAR-CCM+前处理对水涡轮全流道内流场进行三维建模、多面体网格划分以及数值计算;计算得到水涡轮在固定转速下的外特性曲线,与试验结果的平均误差为3.28%.计算不同工况下流场内部各处能耗,发现叶轮与进出水管道连接处平均总能耗达到52.18%,其中叶轮与进水管道连接处能耗贡献率达到44.80%,分析云图发现此处压力梯度较大,分布不均匀,叶片工作面涡旋现象明显,说明此处能量耗散现象最为严重,在此基础上,对JP75水涡轮采取优化设计,优化后其效率得到显著提升,水头有明显降低且输出功率得到保证.     

基于CFD的对旋轴流式喷水推进泵转速控制方法

为了研究不同转速比下对旋轴流式喷水推进泵的外特性,应用计算流体动力学的方法对不同工况下的喷水推进泵进行数值模拟,分析了推进泵外特性与转速比的关系以及不同转速比下对旋泵的内部流动结构与能量耗散的特征.计算结果表明：不同转速比下喷水推进泵的外特性变化较大;通过比较,得到了不同流量下效率最高点的最优转速比;当流量小于1.0Qd时,控制首级叶轮的转速可以获得最优转速比;流量大于1.0Qd时,控制次级叶轮的转速获得最优转速比;通过对0.9Qd时速度三角形和内部流场的分析,发现降低转速可以减小首级叶轮进口冲角,改善内部流场,减小水力损失.通过以上分析验证了转速控制方法的有效性.     

基于DoE分析的增压器涡轮叶形优化设计方法

以提高增压器涡轮等熵效率为目标,提出使用基于试验设计(Design of experiment,DoE)的优化设计方法,进行涡轮叶片优化设计研究。对现有增压器涡轮选取合理的特征型线方案,建立了涡轮参数化模型;在现有增压器的基础上建立了计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)仿真模型,并通过涡轮热吹试验台架验证了模型的可靠性;选取14个描述叶形的叶片截面控制参数作为设计变量,运用正交矩阵法对设计空间进行析因分析和仿真计算,根据计算结果选取了5个敏感度较高的控制参数,使用最优拉丁超立方方法建立了响应面近似模型;采用基于多岛遗传算法和序列二次规划算法的组合优化方法进行寻优计算。结果表明:优化后的涡轮流道中的涡旋强度降低,流场分布更加均匀,流动损失有所降低,等熵效率为74.04%,较原始涡轮提升2.16个百分点。     

JP75型卷盘式喷灌机水涡轮能量转换数值模拟分析

为了对JP75型卷盘式喷灌机水涡轮进行能量转换分析、参数优化及探究其内部流动性能,采用CFD技术,对转速为250 r/min下的水涡轮进行三维建模、多面体网格划分以及数值模拟.分析水涡轮压力云图和速度云图,发现进口管道中不合理的弯道、喉部、喷嘴设计导致了水涡轮运行效率偏低,来流中的压力势能未能转化为有效的叶片冲击动能,大量能量仍以势能的形式储存在液流中.分析过流断面流线图,发现叶片间隙及出口管道入水口处有大量涡旋产生,造成部分能量损失,从而表明现有的JP75型水涡轮进出口设计和叶片设计需要改进.对进水管道喉部之后的射流段和转轮这两处进行能量转换计算,平均效率分别为26.31%和45.44%,转换效率明显偏低.对现有JP75型卷盘式喷灌机水涡轮进行了参数优化设计,经计算,初步确定了优化模型的标称直径为0.201 m、射流直径为0.021 m、设计水头为13.65 m.     

水泵水轮机水轮机工况大流量区数值分析

为了研究水泵水轮机水轮机工况大流量区域的流场特性,依据某抽水蓄能电站水泵水轮机模型机进行建模,分别采用结构化和非结构化2套网格,基于剪切应力传输模型SST k-w和SIMPLEC算法对该区域流场进行了模拟,并与试验结果进行了比较验证,详细分析了大流量下转轮内部流动特性.结果表明：水泵水轮机进入大流量区后,由于流体相对转轮速度的不断提升,转轮流道内生成了周期性分布的涡结构并且涡结构不断增大,向流道出口边延伸,引起能量损失,导致转轮叶片压力面上流体速度的上升,进而对数值计算的网格质量提出了较高的要求,揭示了大流量区计算难度高的内在原因.结论可为水轮机工况大流量区域的数值计算和流场分析提供了理论依据.     

灯泡贯流泵装置内部流动数值模拟

基于三维雷诺平均Navier-Stokes方程、RNGk-ε紊流模型和SIMPLE算法,对一灯泡贯流泵装置模型的内部三维流场进行了全流道数值模拟.对同一转速下流量为20~35 L/s范围内的7个工况点的扬程、轴功率和效率等性能参数进行了预测,分析了泵装置内部速度场的分布.计算结果表明：在最优工况点,泵装置内部水流流态较好,压力分布也比较均匀;而在小流量和大流量工况下,包括灯泡体在内的出水流道内流态紊乱,出现偏流、脱流和旋涡等不良流态.为了验证计算的准确性和可靠性,对该装置模型进行了性能试验,并将数值模拟计算结果与模型试验的数据进行了对比,两者在高效区附近吻合较好,但在小流量和大流量工况下存在偏差.     

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.     

基于能量梯度理论的离心泵内流动不稳定研究

为研究离心泵内部流动失稳机理,对离心泵内三维湍流流场进行数值模拟,得到不同流量工况下的离心泵内部全流场流动参数,并且应用能量梯度方法对计算数据进行处理,获得能量梯度函数K的分布,并基于能量梯度理论对离心泵内部流动的稳定性进行了分析。研究表明,叶轮出口处和蜗舌处是2个最容易激发流动不稳定的关键位置。此外,随着流量的减少,叶轮内的失稳区域从叶轮出口向叶轮进口迁移。     

组合桨搅拌槽内部流场数值模拟

针对组合桨组合形式在不同应用场合的匹配问题,采用计算流体力学(CFD)的分析方法,基于Fluent仿真软件,分析双螺带及六斜叶涡轮桨基于不同组合位置的内部流场情况采用多重参考系(MRF)方法建立基础模型,基于Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型对搅拌槽内部流体产生的流场进行数值计算,得到搅拌桨在240 r/min的搅拌转速下产生的流场数据.分析搅拌器在特定界面处轴向、周向、径向的速度矢量图以及其综合速度云图,并对位置互换的流场进行分析和比较,选出上双螺带桨下涡轮桨为最佳的桨叶组合形式,此种组合桨型对于提升搅拌器在相关领域的应用和发展等有参考价值.     

进水方式对卷盘式喷灌机水涡轮水力性能影响的数值模拟

为揭示卷盘式喷灌机切击式与蜗壳式水涡轮的内部流态特征与水力性能差异,在叶轮与出水管道相同的情况下,采用基于SST k-ω模型的数值模拟方法,对2种进水方式的水涡轮内部流动进行计算分析,并将切击式水涡轮外特性预测结果与试验数据进行对比验证.结果表明:切击式水涡轮叶轮流道内存在大尺度回流旋涡和强烈的叶片侧端间隙泄漏流动,蜗壳式水涡轮叶轮内部压力与流线分布相对均匀,叶片侧端间隙泄漏流动沿周向无显著差异;不同流量下,切击式水涡轮各主要过流部件的水力损失占比基本保持恒定,叶轮内水力损失约占总水力损失的55%,蜗壳式水涡轮各部件水力损失的占比随流量发生变化;2种进水方式的水涡轮外特性曲线变化趋势基本相同,相同工况下蜗壳式水涡轮的效率相比切击式水涡轮效率高18%~22%,两者最高效率分别为35.6%和59.6%.研究结果可为卷盘式喷灌机水涡轮水力设计及结构改进提供一定依据.     

基于互相关算法的液力偶合器内部流场分析

利用PIV技术对液力偶合器内部流场进行了试验测试.针对制动工况(i=0)下液力偶合器涡轮内部流场,以PIV图像连续帧的互相关算法提取其径向切面流速分布,实现了内部流场可视化与速度定量化测量.研究了制动工况下涡轮内部流场结构特征与分布规律,分析了反向流和二次流等现象产生的原因.结果表明,合理设计偶合器内部结构,可减少反向流和二次流的产生,降低了能量损失,提高了工作性能.     

大型立式轴流泵装置流道内部流动特性分析

基于三维不可压缩流体的雷诺平均N-S方程和RNGk-ε湍流模型,采用CFX软件计算了额定转速下180～340 L/s流量范围内6个工况点的立式轴流泵装置内部流动,分析了进水流道和出水流道的流动特性,重点研究进口流动细部结构,同时预测了泵装置的水力性能.计算结果表明:叶轮旋转对进水流道出口轴向流速分布和切向流速分布的影响较小.导叶出口环量对出水流道的流场影响较大,导致隔墩两侧流量分配不均,大流量时隔墩两侧水流流态比较平顺,而小流量时隔墩右侧流道内出现螺旋状水流,两侧水流严重不均衡.通过计算预测了泵装嚣水力性能,并与泵装置模型性能试验结果进行了对比,表明最优工况时数值模拟与试验结果吻合较理想,可以满足工程实际的需要.     

转速对离心泵内部流动的影响

采用FLUENT,在双参考坐标系下,利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行数值离散,选用标准k-ε湍流模型,SIMPLEC方法求解,对6台不同转速下离心泵的内部流场进行了叶轮和蜗壳的耦合数值模拟并进行了能量性能预测.同时,分析了转速对离心泵内部流场的影响,指出不同转速下泵内部流场是比较相似的;性能预测发现比例定律的扬程计算结果具有比较高的精度,轴功率的计算精度则相对较低.     

基于CFD的专用离心风机内部流场特性

本工作运用CFD技术的FLUENT软件建立了6HWF-20型高射程喷雾喷粉机的专用风机模型并进行了内部流场模拟,获得了转速为2 372 r/min时计算收敛后风机内部流场的速度矢量分布和压力分布情况,并通过优化风机叶片进口安装角和蜗舌的形状、尺寸,改善了风机内部流场。同时获得了6种转速下风机出口处的平均速度,并通过试验进行了验证。结果表明,模拟结果与试验结果吻合,基于FLUENT软件下建立的专用风机模型和模拟方法是可行的,为采用CFD技术进一步改善风机内部流场,提高风机出口速度,更有效地实现高射程喷雾喷粉功能具有重要的意义。      

旋转磁场光磁污水处理反应器的流场模拟与分析

许多环境工程设备需要针对不同的废水情况进行设计,但是污水处理反应器中的内部流场极其复杂,单靠经验很难判断设备的工作情况和净化效果.为了研究旋转磁场光磁污水处理反应器的流场空间分布特点,采用Gambit软件建立光磁反应器的物理模型,利用Fluent软件对三维模型的流场进行数值模拟,讨论了3种转速下对内部流场的影响,并分析了不同转速下液相流的流场分布特点.结果表明,流体流速随转速增大而增大,转速为0.2 rad/s时,流体流动较弱;而转速为0.5 rad/s时,流体能充分循环流动,但流场流速偏低;虽然转速为1.0 rad/s相比转速为0.5 rad/s时的流体紊动动能大,流场分布均匀,但此时会形成旋涡.分析不同转速下的流体流场特点,可为反应器结构设计优化提供参考.     

灯泡贯流泵装置内部流动及水力特性

为了深入研究灯泡贯流泵装置内部流动与水力特性之间的联系,采用数值计算、性能试验与PIV流场测试方法,获得了灯泡贯流泵装置在大流量、小流量和最优工况下的流动和水力特性.采用RNG紊流模型和SIMPLEC算法,基于多旋转坐标系模型,计算了灯泡贯流泵内部定常流动.分析了泵装置内部流动,指出小流量工况下泵叶轮的进口有较大范围的旋涡区,出水灯泡体内流态较为紊乱;而在最优工况及大流量工况下,泵装置内未见明显回流区.研究表明,灯泡贯流泵进水流道水力损失符合传统管道内局部水力损失规律,而出水流道的水力损失表现为与泵装置运行工况相关的规律,最优工况点附近损失最小,小流量和大流量工况点水力损失均较大.计算结果与二维PIV流动测试结果均表明在小流量下进口近泵壳侧有明显的回流区,而在叶轮出口靠近轮毂处有大面积的脱流.因此,灯泡贯流泵装置优化水力设计应当重视小流量工况下叶轮和导叶处的流动特性.     

轴流泵多工况变速调节的内部流场模拟

为了研究变速调节下轴流泵的性能和内部流场特性,基于 ANSYS CFX 软件,采用ｋ－ε模型对模型泵多个工况点进行了三维湍流数值计算,计算得到了轴流泵的性能曲线和叶片表面的速度、压力分布。基于数值计算结果对轴流式模型泵性能和叶轮内部流场分析,结果表明：随着转速的增加,扬程曲线升高。效率曲线则随转速的降低而左移。在偏离设计工况的小流量区域,通过变速调节可以扩大轴流泵的高效工作区。     

自吸旋涡泵变转速性能与内部流场试验

研制25WZ1-12型自吸旋涡泵试验样机,通过型式及变转速外特性试验,得出旋涡泵q_v-H、q_v-η性能曲线变化规律,验证q_v-H、q_v-P曲线换算满足相似理论比例定律,q_v-NPSH曲线换算不满足汽蚀相似定律;用5孔管束探针对流道流场进行测量,得到流场静压p_s、当量径向速度v_(re)和当量圆周速度v_(ue)随泵转速变化分布状况;通过对试验数据的分析,解释了外特性参数与内部流动参数之间的联系和变化规律,指出旋涡泵的汽蚀类型及发生部位,为旋涡泵优化设计和建立内部流动模型提供参考依据.     

导叶对轴流泵性能影响的试验

对设计模型轴流泵在无导叶和有导叶时的外特性进行测试,在导叶进出口位置开设测孔,并运用球形五孔探针对导叶进出口流场进行测量,得到绝对速度的周向、轴向及径向速度分量的分布曲线.测量结果表明：轴功率变化曲线在有导叶和无导叶时趋于一致,可忽略导叶对叶轮内流动的影响;在设计最优工况下,导叶出口绝对速度的圆周分量较小,导叶可回收的旋转动能约占叶轮出口总能量的15.7%;无导叶时泵的运行工况点向小流量工况偏移,在设计无导叶轴流泵时应在原有设计参数的基础上进行参数补偿.运用球形五孔探针测量三维流场中速度,具有适用性强、方法简单、测量精度较高的优点.试验结果揭示了导叶对轴流泵性能影响的规律,为进一步研究轴流泵内部流场提供了理论和实际应用参考.