基于Particle模型固液两相流离心泵流场数值模拟

基于Particle模型和非均相模型,运用流场分析软件ANSYS-CFX对固液两相流离心泵的内部流场进行数值模拟.液相采用标准k-ε湍流模型,壁面设置为无滑移壁面条件;固体颗粒相采用离散相零方程模型,壁面设置为自由滑移壁面条件.重点分析了过流部件壁面处固体颗粒的滑移速度、颗粒体积分数分布、滑移速度及体积分数分布与过流部件磨损的关系,将数值模拟结果与相关文献中的试验结果进行对比.结果表明:在蜗壳大包角壁面处,固体颗粒相的体积分数较大;在叶片头部靠近前盖板处、叶片压力面和吸力面的尾部处、蜗壳起始段靠近隔舌处和靠近叶片压力面尾部的前后盖板处等壁面,固体颗粒相的滑移速度较大,磨损较为严重.采用Particle模型和非均相模型能准确地模拟固液两相流泵内的流动规律.     

双方程湍流模型在高雷诺数水翼绕流模拟中应用

为了研究不同湍流模型在水翼绕流数值模拟中的适用性,采用3种双方程湍流模型,对某二维水翼在高雷诺数(Re=7.0×105)下的无空化绕流进行了定常数值模拟。分析比较了标准k-ε模、RGN k-ε模型以及Realizable k-ε模型结合不同近壁区处理方式所得模拟结果的差异。通过SIMPLEC算法实现速度、压力的分离求解,离散差分格式具有二阶精度。结果表明,Realizable k-ε湍流模型结合增强型壁面函数法所得翼型绕流速度分布与实测值最为接近。     

y~+与湍流模型对泵装置外特性计算精度的影响

为了探究叶轮近壁面网格与不同湍流模型对竖井贯流泵装置外特性数值计算结果的精度影响,基于ANSYS CFX平台,构造7个不同第1层网格高度的叶轮网格方案,用基于面积平均的y~+表征叶轮整体第1层网格中心到壁面高度。选用标准k-ε湍流模型和SST k-ω湍流模型匹配不同叶轮网格方案,针对不同流量工况,通过比对分析竖井贯流泵装置能量特性的数模结果与模型试验结果的相对误差。结果表明,所有方案模拟的扬程和效率误差分别在0.11 m和3.72%以下;径向半径越大或流量越大时,壁面上y~+值越大;SST k-ω湍流模型非常依赖壁面网格,但平均y~+20后的模拟结果非常接近试验值,外特性相对误差是标准k-ε湍流模型的一半;对于标准k-ε湍流模型,平均y~+30时的外特性结果比SST k-ω模型要精确且稳定。该研究可为竖井贯流泵装置数值模拟中近壁面网格处理和湍流模型选择提供参考。     

多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟

利用多孔介质模拟微通道壁面粗糙元,建立了一种新的微尺度化流场的数值模拟方法.多孔介质模型厚度由微通道壁面相对粗糙度折算,多孔介质的阻力系数由该区域内的流态及阻力计算;配合采用k-ε和k-ω多种形式的湍流模型,对边长为600μm的方形断面微通道流场在雷诺数分别为100和300的情况下进行了数值模拟计算.通过模拟结果与Micro-PIV测量数据的对比分析发现,采用realizablek-ε湍流模型,搭配多孔介质微尺度化模型进行数值计算,能够有效地模拟微尺度流场的流动状况,而标准k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型的微尺度模拟计算结果虽接近试验测量值,但仍有偏差;标准k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型的微尺度模拟效果较差.     

基于Fluent的贯流泵数值模拟

为更深入研究贯流泵数值模拟的真实性与准确性,结合上海某双向贯流泵正向模型能量试验数据,选用不同的参数对模型泵进行数值模拟.对具体贯流泵模拟计算过程中参数的设定,如网格划分、计算模型选取以及边界条件设定等进行了比较和分析,观察管路内的压强、流态等特性,选出与试验数据最接近的一种方案,作为贯流泵数值模拟计算的一种参考方案.通过与试验数据比较并观察内部流场流态和压力分布,结果表明,S-A湍流模型比Realizablek-ε紊流模型计算的结果更接近模型试验值;当进口压力值选为0时,数值模拟的效果最好.     

固液两相流离心泵内部流场数值模拟与磨损特性

基于Particle模型和非均相模型,运用流场分析软件ANSYS-CFX对固液两相流离心泵的内部流场进行了数值模拟。对液相采用标准k-ε湍流模型,对固体颗粒相采用离散相零方程模型,壁面设置为自由滑移壁面条件。分析了在颗粒体积分数为0.1,固体颗粒直径分别为0.1、0.25、0.5、0.75mm时,过流部件壁面处固体颗粒相的滑移速度。结果表明：随着颗粒直径的增大,壁面处固体颗粒相的滑移速度增大;固体颗粒相向叶片工作面偏移;在叶片头部、叶片压力面和吸力面的中部到尾部处、蜗壳起始段靠近隔舌处和靠近叶片压力面尾部的前后盖板处等壁面,固体颗粒相的滑移速度较大,磨损较为严重。     

双流道叶轮内湍流的三维数值模拟

对双流道泵叶轮内三维不可压湍流流动进行了数值模拟。计算采用了雷诺时均N-S方程和修正了的k-ε湍流模型，计算在体贴坐标系和交错网格中进行并采用了SIMPLE-C算法。计算结果揭示了双流道泵叶轮内湍流流动的压力分布和速度分布规律。研究结果可以用来对双流道泵进行性能预测并为双流道泵的优化设计创造了条件。     

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。     

模拟翼型热敏介质空化流的湍流模型修正与应用

为了研究湍流模型对热敏介质空化流数值模拟精度的影响,结合滤波器模型(Filter-based model,FBM)和密度修正模型(Density-corrected model,DCM),基于局部网格尺度和气液两相混合密度,修正了3种湍流模型(k-ε、RNG k-ε和SST k-ω)的湍流粘度,并分别采用原始湍流模型和修正湍流模型,以不同温度的水为介质,对NACA0015翼型进行了单相和气液两相数值模拟。通过与实验数据比较,验证了数值模拟结果的准确性。研究结果表明,修正的k-ε模型消除了湍流尺度的影响,通过修正的RNG k-ε模型计算得到的空泡发展规律与实验结果一致。修正后的RNG k-ε模型揭示了空化与温度变化的规律,反映出较好的修正效果,可为低温热敏介质空化流数值模拟提供理论参考。     

自吸泵内部流场的数值模拟及性能预测

基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,应用三维无结构四面体网格及SIMPLEC算法建立自吸泵内部流场的数值模型,利用计算流体力学软件Fluent对设计工况及多个非设计工况下自吸喷灌泵叶轮和蜗壳的三维不可压缩湍流流场进行了数值模拟,得到其内部流场的速度分布和压力分布情况,揭示了泵自吸过程中流体的运动规律,最后预估该泵的扬程及效率并与试验值进行对比分析.结果表明,在相同半径处,叶片工作面压力比背面压力大;在回流孔处存在较大的压力梯度和速度梯度,并且由于分离室边壁的影响形成了大小不同的旋涡;数值模拟性能曲线与试验曲线基本一致.     

半开式旋涡泵空化分析及试验

半开式旋涡泵采用新型的半开式叶轮,为研究其空化特性,采用基于雷诺时均方程和RNGk-ε湍流模型的单相模型对其内部流场进行数值模拟,得到了叶片表面速度和压力的分布规律,半开式旋涡泵的叶片根部是发生空化的危险区域．在对空化监测方法进行总结分析的基础上,针对半开式旋涡泵的具体特点,选择能量和噪声结合的方法进行了试验研究,结果表明,半开式旋涡泵工作性能稳定,半开式叶轮改善了旋涡泵的空化性能．在同等条件下半开式旋涡泵比闭式旋涡泵的性能有较大改善,对深入研究半开式旋涡泵的理论计算和设计提供了依据．     

基于FLUENT的离心泵水力性能预测技术

介绍了用数值模拟方法进行离心泵性能预测的研究现状和存在的问题．采用商业软件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10台离心泵的设计点工况进行了叶轮蜗壳耦合三维粘性相对定常的数值模拟并进行了性能预测．计算了各模型的扬程和效率并与试验值进行了对比和分析．对比分析结果表明,基于FLUENT数值模拟结果预测离心泵水力性能的方法具有比较高的精度。可以应用于工程实践．     

基于Fluent的串接组合式迷宫螺旋泵数值模拟

通过Gambit完成流域的三维造型和网格划分,应用计算流体力学Fluent软件,采用多重参考系（MRF）方法,基于RNG k-ε双方程湍流模型和SIMPLEC算法,对泵内三维单相流场进行数值模拟.提出一种新型结构的迷宫螺旋泵,探讨了环槽宽度、环槽深度对新型结构泵性能的影响,确定最优设计参数,结果表明：环槽宽度、环槽深度分别为4,3 mm时泵性能最佳.通过分析模型的压力分布、速度分布、湍动能分布,研究泵内流体的流动和能量交换,对比分析2种模型泵的水力性能.分析表明：与原模型泵相比,新模型泵增压幅度和增压速率明显较大,螺旋环进口处增压速率高于螺旋环内部增压速率;转子流域内流体速度明显高于定子流域,间隙中面上存在强烈的质量和动量交换;流体增压速率与湍动强度有关,流体湍动强度越大,增压速率越大;新模型泵性能优于原模型泵,在最高工况点,扬程同比增加约3.42 m,水力效率提高约0.85%;流量大于最高工况点流量,新模型泵的效率明显高于原模型泵.     

一种湍流计算的非线性PANS模型

大多数雷诺平均湍流模型(RANS)基于线性和各项同性假设求解雷诺应力(Reynolds stress),因此对高压力梯度区、大曲率回流以及复杂的分离流动的预测误差较大.在近壁区较少网格的条件下,部分时均(PANS)方法被认为比大涡模拟(LES)获得结果更好.通过RNG k-ε湍流模型构造部分时均化模型,引入雷诺应力的非线性求解方法,提出了一种新的非线性PANS模型,并应用该非线性PANS模型分别对绕NACA0015水翼翼型流场和90°长方形截面弯管内流场进行了流动的数值模拟.结果表明:非线性PANS模型的数值结果与试验数据吻合较好,其在高压力梯度区的预测准确性高,并能准确预测流动分离诱发的三维非线性流动,证明了该方法捕捉高压力梯度、大曲率流动的有效性.该计算方法可以用来预测透平机械内部复杂的涡结构.     

潜水式贯流泵导叶特性非定常流场的数值模拟

采用RNGk-ε湍流模型和滑移网格技术,对无导叶、直导叶、弯导叶潜水式3种不同方案下的贯流泵进行非定常数值模拟,得到了不同工况下监测点的压力脉动情况。研究表明:3种方案下潜水式贯流泵的有效扬程相差不大,弯导叶式贯流泵的效率较高,且具有较好的出口速度流线分布规律;3种不同方案均在叶片进口处压力脉动幅值最大,导叶整流作用减小了由叶轮旋转产生的压力脉动,且导叶形状不同相应的压力脉动也不同,弯导叶的整流效果较好。     

离心泵叶轮非设计工况下内部湍流流场的模拟

采用ANSYSCFX11．0软件、标准k—ε湍流模型及SST湍流模型封闭雷诺平均方程,对低比转速离心泵叶轮在非设计工况下内部流场进行了三维定常湍流数值模拟,获取了离心泵叶轮内部流场结构,此两种模型所计算出的内部流场图案与参考文献中的PIV试验结果以及大涡模拟（LES）的计算结果基本一致,获得了文献中出现的“交替失速”这一特殊的流动现象．此外,对不同直径处将本计算所得到的速度轮廓的形态与文献中的PIV及LES结果进行了比较．结果显示采用标准k—ε湍流模型及SsT湍流模型能够对离心泵内部流动进行比较精确的模拟,但是在局部上与PIV试验结果有一定的偏差,并进行了初步分析,但仍需要对湍流模型进行进一步的探索和研究．     

三种紊流模型数值模拟明渠弯道三维水流的比较

采用不同的紊流模型:标准k-ε模型、RNGk-ε模型、Reynolds应力模型,结合VOF方法跟踪处理自由表面,数值模拟了明渠180°弯道水流的复杂流动状态。将数值模拟的结果与试验资料进行比较,分析了不同紊流模型的计算精度。研究表明,标准k-ε模型无法准确地预测具有复杂二次流特性的紊流流动,Reynolds应力模型和RNGk-ε模型,能够有效地预测具有强曲率影响的明渠弯道三维水流运动。     

筒阀动水关闭过程中下边缘形状对流场的影响

为研究筒阀下边缘形状对动水关闭过程周边流场的影响,选用RNG k-ε湍流模型,运用动网格和滑移网格技术,利用Fluent仿真软件对2种不同下边缘形状筒阀的动水关闭过程进行三维非定常流动数值模拟.通过对不同关闭行程的筒阀周边压力场和速度场,以及筒阀内外表面和下端面压力分布的对比分析可知,小倾斜度下边缘形状的筒阀不易产生汽蚀,倾覆力矩较小,下端面所受下拉力较小,且节流处速度分布均匀、过渡平滑,水力损失小.与小倾斜度下边缘形状的筒阀相比,弧形下边缘形状筒阀的倾覆力和下拉力具有较小的波动性,在筒阀下端面入流处压力扰动小,筒阀关闭行程中其下端面压力变化幅度小,能有效防止发卡现象发生.该研究对于筒阀下边缘形状的设计和优化以及提高水轮机筒阀运行稳定性具有一定的参考价值.     

可调式射流泵性能的数值模拟

应用RNGκ-ε湍流模型及SIMPLE算法,对采用喷针调节喷嘴过流面积的可调射流泵在不同开度下的性能进行了数值模拟,并与试验数据进行对比分析．结果表明：喷针对可调射流泵性能有一定的影响,随着开度的减小,行程的增大,对可调射流泵效率的影响也越大．在大开度情况下数值计算的可调射流泵性能曲线与试验数据吻合较好;在小开度及小流量比工况下二者趋势一致,但存在一定偏差．通过对试验数据与数值计算值的对比分析,提出了基于数值模拟结果的可调射流泵的实际性能预测公式,该公式可以用数值模拟的结果来预测可调射流泵的实际性能,为可调射流泵的设计提供指导．