浮潜式消防泵启动过程瞬态特性的数值模拟

为了研究浮潜式消防泵在启动过程中的瞬态特性,建立包含泵、水箱及循环管路在内的三维封闭模型,运用Fluent 145商用软件,采用RNG k-ε湍流模型,并结合UDF程序加载转速变化规律对模型进行非稳态数值模拟．分析泵在启动过程中其流量、扬程、叶轮加速转矩、总效率、叶轮轴向力及径向力随启动时间的变化规律．研究结果表明:泵在启动过程中其流量、扬程及总效率的变化主要取决于动力源的启动特性,并呈指数上升趋势,叶轮的加速转矩随启动时间的增加而逐渐减小;当泵转速达到额定转速时其加速转矩为0,在泵启动初期因流量严重偏离额定流量而导致其产生较大的轴向力及径向力,随着启动时间的增加,泵的轴向力及径向力逐渐减小,最后趋于稳定．研究为离心泵的优化设计、振动及噪声诊断提供理论参考．     

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。     

基于模态分解的液环泵喷射器内非定常流动分析

为分析液环泵喷射器内复杂高速射流流场的瞬态流动特性,揭示射流尾迹涡脱落及激波自激振荡频率特征,该研究基于大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）数值模拟采用动态模态分解（Dynamic Mode Decomposition, DMD）和谱本征正交分解（Spectral Proper Orthogonal Decomposition, SPOD）方法对射流拟序结构进行时空解耦,对比分析两种模态分解方法在射流流动特征提取的差异性。研究结果表明,喷射器射流剪切层在与激波的干涉作用下呈现周期性振荡现象,且随着射流的演化其尾缘逐渐形成周期性脱落的尾迹涡。DMD和谱本征正交分解SPOD方法均能实现高速射流流场的解耦,且能够获得时空单频相干特征结构。主导频率1 250 Hz时,密度场DMD和SPOD 1阶模态均能反映激波及其与射流剪切层相互干扰形成的激波串结构特征;频率18 000 Hz时,DMD和SPOD动态模态则表征了射流尾缘周期性脱落的尾迹涡特征。相较于DMD方法,SPOD方法精准获取时空单频动态模态的同时能够反映出湍流射流的演变特征,而且有效避免了DMD基模态筛选时存在的不足。本研究基于LES数值模拟结果采用特征分解方法对喷射器内非定常流场进行了特征分解,为深入探索液环泵喷射器内复杂多物理耦合场奠定基础。     

低比转数离心泵叶轮内流场的重构及模态分析

针对传统离心泵水力性能优化设计的复杂性,提出了采用本征正交分解与径向基函数(POD-RBF)混合代理模型方法进行离心泵叶轮内流场的重构分析。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,并对样本集进行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。     

液环泵轴向叶顶间隙泄漏流动的等离子体控制数值研究

针对液环泵叶轮轴向叶顶间隙泄漏问题,提出采用介质阻挡放电等离子体激励对液环泵轴向间隙气相泄漏流动进行控制,耦合唯象学模型、RNG k-ε湍流模型及VOF气液两相流模型模拟不同激励电压下等离子体对泄漏流场的干扰作用,探究等离子体激励对间隙泄漏流场的调控机理。结果表明,等离子体激励诱导的壁面射流方向与间隙泄漏流动方向相反,诱导的反向壁面射流能够有效地抑制泄漏流强度,并在一定程度上改善间隙泄漏流引起的二次流动,降低间隙泄漏流动损失;同时在等离子体激励的非间隙区域,等离子体激励诱导产生旋涡结构,使得近壁区域产生额外的水力损失。激励电压及位置对泄漏流控制效果有重要的影响,15kV激励电压的等离子体流动控制效果明显优于10kV激励电压,当激励位置位于叶顶间隙出口附近时等离子体激励对泄漏流具有较好的抑制效果。研究结果能够为液环泵的性能优化提供理论参考。     

基于旋壳圆筒效应的旋喷泵内部压力计算模型

旋喷泵内部压力提升是叶轮与旋壳共同作用的结果,一直以来泵腔内部压力根据叶轮出口压力确定,忽略了旋壳的圆筒效应,导致泵腔压力计算不够准确。为解决这一问题,基于旋壳圆筒效应建立旋喷泵内部压力数学模型,引入液体旋转系数,应用试验与数值计算相结合的方法对液体旋转系数进行了分析验证,并对液体旋转系数的影响因素进行了敏感性分析。结果表明:可以建立旋喷泵内部压力数学模型,通过理论计算内部压力分布,旋喷泵内部压力计算需考虑旋壳效应;试验泵液体旋转系数为0.75,在该系数下泵腔内部压力理论值与试验值吻合度较高;以一复式叶轮旋喷泵为实例,验证了该旋喷泵内部压力数学模型的可靠性。液体旋转系数影响因素敏感性分析表明:壁面粗糙度、转速、流量对液体旋转系数影响较小,试验范围内液体旋转系数介于0.736～0.764之间,波动较小,不超过3%,可以认为是定值。本研究结果可为旋喷泵内部压力理论计算及集流管安装高度选取提供参考。     

液环泵内部气液两相流动及其性能分析

为改善液环泵水力性能,采用VOF气液两相流动模型对液环真空泵内部三维非稳态气液两相流动进行数值模拟。通过数值模拟分析叶轮及泵腔内的流线分布、速度分布、相态分布及压力分布规律,对泵内复杂的二次流进行了分析,对液环真空泵工作过程中泵内气液两相流的自由分界面进行追踪,并分析了泵内气液两相流自由分界面的变化规律及其与泵外特性的关系。对液环泵进行试验研究,模拟结果与试验结果进行对比分析表明,数值方法结果与试验结果基本一致,能够较准确地描述液环泵内气液两相流流动规律,捕捉气液分界面,预估液环泵的水力性能,为液环泵的性能优化研究提供了依据。