叶顶形状对轴流泵空化性能的影响

轴流泵叶轮与转轮室之间间隙内的泄漏流动与主流相互掺混形成的泄漏涡是导致轴流泵叶顶空化的重要原因。为研究合适的叶顶形状来控制和改善叶顶泄漏空化,通过高速摄影空化试验,比较了试验结果和数值计算结果,验证了本次数值计算的正确性。再在原始平面叶顶方案的基础上,通过数值计算,分别研究了3种叶顶形状(倒圆叶顶、斜切叶顶以及倒圆斜切叶顶)对轴流泵叶顶空化的影响。叶轮水体采用结构网格划分,以便精确捕捉间隙区域的流场特性。结果表明:倒圆叶顶和倒圆斜切叶顶方案的扬程和效率都有所下降,但斜切叶顶有所升高。虽然倒圆叶顶消除了角涡空化,但泄漏涡空化加剧;而斜切叶顶得到的结果却与之相反,且斜切叶顶的间隙内会有漩涡空化产生;相比之下,倒圆斜切叶顶的角涡空化和泄漏涡空化都得到了较好的控制。根据研究结果,建议在满足外特性性能要求的情况下,采用倒圆斜切叶顶方案可以较好地控制轴流泵的叶顶空化。     

不同湍流模型在轴流泵性能预测中的应用

为了评价不同湍流模型在轴流泵性能预测中的精度,该文以南水北调工程轴流泵模型作为研究对象,分别选取了3种湍流模型标准k-ε湍流模型(standard k-ε)、重正化群k-ε湍流模型(renormalization group k-ε,RNG)和雷诺应力模型(reynolds stress model,RSM),基于SIMPLE算法(semi-implicit method for pressure-linked equations)和结构化网格,进行了轴流泵性能预测和全流场数值模拟,并以水利部天津同台测试的试验结果作为基准对预测扬程和效率进行了误差分析。研究结果表明,网格密度对模拟结果具有较大影响,较疏的网格导致性能预测精度降低,在大流量和小流量工况下预测的扬程和效率误差将达到3%以上;在最优工况下,Standard k-ε、RNG k-ε和RSM湍流模型的扬程预测误差分别为0.97%、1.12%和1.24%,效率预测误差分别为2.93%、2.49%和2.97%,可满足工程应用要求;但在非设计工况下,由于二次回流、空化等复杂流动的存在,内部流场复杂,3种湍流模型的扬程最大预测误差范围为9.40%～14.30%,效率最大预测误差范围为4.48%～8.30%。该结论将为轴流泵性能预测的可靠性提供依据。     

采样频率和时间对轴流泵压力脉动特性的影响

为了更准确地分析轴流泵的压力脉动特性,基于结构化网格,在考虑叶顶间隙的情况下,以时均N-S方程为基本控制方程,采用标准k-ε双方程湍流模型和SIMPLEC算法,对轴流泵模型进行了不同的采样频率和采样时间下的全流场非定常数值计算,并分析其对计算结果的影响．结果表明:在进行压力脉动分析时,若取静压作为傅里叶变换的纵坐标,频域图中频率为0时的物理意义即该点平均静压值;采样频率和采样时间对轴流泵压力脉动时域特性和频域特性具有重要影响,指出了因采样频率过小而导致的混叠现象在时域和频域中的表现;并推导出当保证采样时间与叶轮周期和叶片数乘积的比值达到整数倍关系时,基频处不会发生频谱泄漏,并建立了普遍适用轴流泵压力脉动数值计算采样时间的选取公式,进而从公式得出针对不同转速的轴流泵,应选择不同的采样时间．结果为进一步分析轴流泵压力脉动提供了一定参考．     

叶片数对高比转数轴流泵空化特性的影响

基于shear stress transport（SST）k-ω湍流模型和Zwart空化模型,针对某一高比转数轴流泵模型,对叶片数分别为3、4和5的3组叶轮方案,分别进行了空化流场模拟和实验,计算了不同叶片数下的流量-扬程曲线、流量-效率曲线和空化性能曲线,得到了3组叶轮的临界空化余量NPSHc分别为6.19m、5.122m和4.765m。与叶片数为3的叶轮方案对比,另外2组叶片数方案的NPSH值分别降低了17.25%和23.02%。在空化充分发展的工况范围,发现叶片数多的叶轮的扬程对NPSH降低较敏感;针对轴流泵叶片背面的固定空化和叶顶间隙的旋涡空化,用空泡分布来表征空化的程度,分析了其在不同空化余量下空泡分布的变化规律。通过对比得到,相同NPSH下,叶片数Z=5的叶轮,叶片背面空泡分布体积较少,即空化的程度较低;但其空化严重区的空泡体积增幅较大,即空化发展的速度较快;叶顶区域的叶顶涡诱导的低压区随叶片数减少,范围逐渐向上游扩大,轮缘的空泡体积也随之增大,叶顶泄漏空化更加严重。即叶片数对不同类型空化情况,以及相同类型的不同程度的空化情况影响不同。     

不同湍流模型在轴流泵叶顶泄漏涡模拟中的应用与验证

为寻求一种经济、适合的湍流模型模拟轴流泵叶顶泄漏涡的结构和运动特性,该文基于ANSYS CFX软件平台,优化了六面体网格拓扑结构,比较了标准k-ε湍流模型（standard k-ε）、重正化群k-ε湍流模型（renormalization group k-ε,RNG）,标准k-ω湍流模型（standard k-ω）和SST k-ω湍流模型（shear stress transport）等4种湍流模型在轴流泵叶顶泄漏涡模拟中的计算精度和叶顶泄漏涡流场特征。数值模拟和试验结果表明,在最优工况下,SST k-ω湍流模型预测外特性曲线与试验曲线吻合较好,扬程误差为4.688%,较其他3种湍流模型准确;4种湍流模型计算的叶顶泄漏涡流线、叶顶区压力场和轴面速度场分布规律相似,但RNG k-ε和SST k-ω湍流模型计算的涡卷吸较强,涡带的旋涡强度相对较大。基于旋涡强度提出了一种对叶顶泄漏涡的涡心进行识别的方法,并与高速摄影拍摄的涡带结果进行了对比,在设计流量工况和大流量工况下,发现SST k-ω湍流模型计算的叶顶泄漏涡运动轨迹与试验结果吻合度较好,验证了SST k-ω湍流模型在轴流泵叶顶泄漏涡模拟具有较好的适用性。     

不同转速下轴流泵压力脉动试验

针对某一轴流泵模型,分别在转速1 450、1 200、1 000 r/min下,通过试验手段对其关键测点进行了压力脉动测量。通过幅值分析得到,随着流量的增大,RMS值曲线在叶轮进口处呈先降低后升高的趋势,在叶轮出口和导叶出口处呈逐渐降低趋势,转速越高RMS值变化速率越快。从频域来看,叶轮进口在3个转速下主频都为叶频,并在1 450 r/min、1 200 r/min转速下还存在Fn、2Fn、3Fn等比较明显的频率成分;叶轮出口压力脉动的频率范围主要分布在0~8Fn之间,在1 450 r/min、1 200 r/min转速下,其主频出现在(3~4)Fn之间,在1 000 r/min转速下,其主频往大频率方向有所偏移,主要集中在(4~6)Fn之间;导叶出口压力脉动的频率范围主要分布在0~12Fn之间,在1 450 r/min、1 200 r/min两个转速下,其主频出现在(4~6)Fn之间,在1 000 r/min转速下,其主频主要出现在(6~8)Fn之间。