基于数值仿真的泵阀变刚度弹簧设计与优化

目前往复泵锥形阀普遍采用定刚度系数弹簧,但是对于定刚度系数弹簧,单纯的通过调节刚度与预紧力并不能实现提高吸入性能的同时降低阀盘的落座速度与滞后高度,此外传统泵阀设计中,弹簧预紧力与刚度的确定往往是根据经验设计公式,这些公式是在特定条件下近似得到,简化过程中存在很大的计算误差。针对上述不足,该文建立了弹簧变刚度系数条件下阀盘运动规律的数学模型,论证了刚度渐减型弹簧可以提高往复泵的吸入性能,并基于阀盘运动规律的数值仿真模型,建立了以阀盘无冲击为约束条件,阀隙间最大水头损失最小为目标函数的优化模型,采用遗传算法与模式搜索相结合的优化方法对变刚度弹簧参数进行了优化求解,优化结果与传统设计方法确定的定刚度系数弹簧泵阀相比最大水头损失降低了20.85%。该优化设计方法对于指导泵阀弹簧参数设计具有一定的指导意义。     

离心泵瞬时启动过程的仿真

为了更进一步研究高比转数大功率离心泵的瞬时工况,应用Flowmaster软件搭建离心泵运行模型,根据实际测量参数设置边界条件,仿真并与试验结果进行对比,在可信的情况下,针对泵不同的启动方式进行仿真分析,量化了星-三角启动的优点.在此基础上,在不同阀门开度下,获得了离心泵的瞬时启动转速、流量、功率和出口压力的特性曲线,进而进行量纲一化分析.结果表明,星-三角启动属于缓慢启动方式,启动过程平缓,且整个过程中功率增长均匀,对设备冲击小;在离心泵的启动过程中,流量上升特性主要取决于电动机自身的启动特性,且在初期时上升缓慢,使流量达到稳定的时间大大滞后于转速达到稳定的时间;量纲一化的系数一直变化,与准稳态假设不符,从而得出离心泵启动时清晰的瞬态过程.     

粗糙度对离心泵空化过程的影响

为研究壁面粗糙度对离心泵空化过程的影响,利用雷诺时均N-S方程和RNG k-ε两方程,采用Zwart空化模型且不考虑水中溶解性气体对空化的影响,应用ANSYS CFX软件对设计流量工况下离心泵全流道气液两相湍流进行定常数值模拟,分析离心泵内部发生空化时,叶片壁面粗糙度对泵的外特性参数和内部流态的影响.计算结果表明:增大粗糙度将导致离心泵扬程、效率降低以及轴功率增大;泵处在临界空化及局部空化状态时,粗糙度对泵性能参数的影响程度大于泵处在空化初生及重空化状态下的影响程度;壁面粗糙度对湍流发展的影响规律与其对空化进程的影响作用具有相似性;当进口压力为81.06 kPa和101.33 kPa时,减小壁面粗糙度对改善离心泵性能有更显著的效果.     

SDZ310型超高压多级离心泵的结构特性

针对目前多级离心泵转子轴向力难以平衡以及级间密封长期运行易损坏的问题,通过对SDZ310型超高压多级除磷泵的结构特性进行研究,设计了一种节段式自平衡双壳体多级离心泵.该泵的转子部件上叶轮对称布置,自动平衡转子部件上的轴向力,使其具有较长的寿命和可靠的运行性能.特别解决了除磷泵在除磷工况下运行时,由于频繁变化的工况导致的转子部件的轴向力频繁变化,进而使其难以平衡的难题.通过一种带节流阀式的集中式供油及回油系统,使得该泵能够满足长时间运行时的润滑和冷却的需求.采用由镀铬精密研磨而成的螺旋反抽密封,能够保证该泵在运转过程中级间无泄漏,保证泵的容积效率,进而提高了整机效率.     

低比转数离心泵叶轮内流场重构与模态分析

针对传统离心泵水力性能优化设计的复杂性,提出采用本征正交分解-径向基函数（POD-RBF）混合代理模型方法对离心泵叶轮内流场进行重构分析。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。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。     

负重离心收缩诱导人体肱二头肌延迟性肌肉酸痛模型的实验研究

目的 观察利用负重状态下离心收缩的方式是否诱导人体肱二头肌延迟性肌肉酸痛症（DOMS）模型。方法 实验对象从在校大学生中招募志愿者60名,随机分为造模组和对照组,两组各30例;造模组做负重状态下离心收缩运动两组,每组25个,每个动作操作时间20秒,对照组不做任何处理,通过观察志愿者的血清磷酸肌酸激酶（CK）、主观酸痛阈、主观体力等级评定量表（RPE）、DOMS临床评价（CEC）等级来评价模型是否成功。结果 造模组与对照组比较,试验后24 h和48 h主观酸痛阈低于对照组,试验后72 h CK高于对照组,试验后即刻、24 h、48 h、72 h RPE明显高于对照组,试验后即刻、24 h、48 h、72 h、120 h CEC高于对照组,差异均有统计学意义（P<0.05）。造模组试验后与试验前比较,试验后24 h、48 h和72 h主观酸痛阈明显低于试验前,试验后48 h、72 h和120 h CK高于试验前,试验后即刻、24 h、48 h、72 h RPE明显高于试验前,试验后即刻、24 h、48 h、72 h、120 h CEC高于试验前,差异均有统计学意义（P<0.05）。结论 负重状态下离心收缩可以诱导肱二头肌DOMS模型,各项指标变化符合文献记载。     

基于奇点分布法的轴流泵叶片翼型设计与计算

为将奇点分布法这一有优势的流体机械叶片翼型设计方法应用于轴流泵叶轮叶片设计,以平面势流理论及数值计算为基础,推导了基于适合轴流泵叶片翼型边界条件的漩涡密度函数的系统应用性计算公式,所获结果将准确确定各翼型骨线关键节点位置,它们形成的翼型骨线在满足给定设计点泵的性能参数的同时,还能形成要求的流动奇点与驻点,由此产生流动损失最小的叶片翼型。以该方法改型设计的一台轴流泵的型式试验表明,设计泵在设计点的效率由原来的78%提升到85%,特性曲线符合要求。该研究深化了轴流泵叶轮叶栅流动理论,将奇点分布理论转化为轴流泵叶轮翼型的实用设计方法,为设计技术人员提供了开发新产品的工具。     

仿海豚皮肤结构的功能表面提高离心泵效率

为了提供一种可利用仿生功能表面提高泵类产品效率的方法,该文分别以鲨鱼皮肤及海豚皮肤表面结构为模仿原型,设计了2种仿生功能表面,模仿鲨鱼皮肤结构的功能表面为模型1,仿海豚皮肤结构的功能表面为模型2,并以吉林市奥吉通泵业有限公司生产的200QJ50-26离心式水泵为载体,进行了试验研究。研究结果表明,模型1可提高水泵效率2%~3%,模型2可提高水泵效率5%,且模型2在全流段范围内增效效果显著。利用氢气泡流动显示试验,从流场尾迹再附点及涡距2个方面说明了上述2种模型对流体介质的控制机制。试验结果表明,模型2相比模型1,其尾迹再附点距离降低5 mm,而尾迹涡距距离却增加3 mm。说明模型2的压差阻力得到降低,此外,模型2通过降低涡生成密度及速度的方式降低能量的耗散,其减阻效果更明显。该研究为仿生功能表面在以流体为工作介质的流体机械及在流体介质中运行的交通工具的全面应用提供了参考。     

轴流泵多工况优化设计及效果分析

为了提高轴流泵非设计工况的运行效率,拓宽轴流泵高效区范围,对轴流泵进行多工况优化设计。结合轴流泵段的模型试验,采用数值模拟手段和数值优化技术,改变叶轮的几何设计参数。对轴流泵叶片进行参数化建模,再对轴流泵叶轮结果进行泵段数值模拟。最后以轴流泵段3个流量工况点的加权平均效率最高,扬程为约束条件,改变轴流泵叶轮的设计参数,对轴流泵段进行多工况优化设计。研究结果表明:优化后轴流泵段效率曲线较初始泵段明显变宽,其中小流量工况点效率提高约2.6%,设计工况点效率提高约0.5%,大流量工况点效率提高最多,约7.4%,而对于扬程变化范围较小,各工况点扬程均能满足运行要求,大大降低了运行成本,缩短了优化设计的周期。同时采用CFD计算的学科分析方式,结合试验研究的手段取代人工凭经验的优化方式,证实了轴流泵段多工况优化设计的可靠性、高效性。该研究将为泵站的高效运行和轴流泵的多工况优化设计提供参考。     

自吸喷灌泵自吸过程的非定常流动数值计算与验证

为了建立一种适合自吸喷灌泵在自吸过程中的气液两相流数值模拟方法,采用 ANSYS CFX 软件,进行仿真自吸喷灌泵自吸过程的数值计算,研究自吸过程中气液混合、气液分离及气液逸出现象,分析自吸过程中泵内部的速度、压力及含气率的变化规律,了解自吸过程的气液两相流特点。自吸泵的整个自吸过程分为3个阶段：自吸初期由叶轮旋转作用排水产生的吸气阶段（t≤0.5 s）、自吸中期由气水混合及气水分离作用产生排气功能的吸气阶段（0.5 s4 s）。自吸成功的关键就是叶轮的旋转迫使叶轮进口处少量的水混合着一部分气体沿着叶轮叶片压力面流动至叶轮出口处并进入正反导叶,然后沿着反导叶叶片压力面流出,表明在自吸过程中气水混合物总是沿着较高的压力面流动。通过采用摄影技术得到多级自吸喷灌泵在自吸初期及中期时泵出口段水柱高度的变化规律,发现试验结果与数值计算结果非常相近,不仅两者的变化规律基本相同,而且其结果相差不超过6%。