车用凸轮式氢气循环泵内非定常流动特性

为了研究高转速工况下车用凸轮式氢气循环泵内部流场分布规律和压力脉动特性,以某一种车用凸轮式氢气循环泵为研究对象,建立三维瞬态计算流体力学模型,基于ANSYS Fluent软件的动网格技术,采用Realizable k-ε湍流模型和PISO压力-速度耦合算法,对氢气循环泵全流道进行非定常可压缩数值模拟.通过在氢气循环泵旋转流道周向设置压力脉动监测点,应用快速傅里叶变换(FFT)技术获得各监测点的压力脉动频域图,得到流道内压力脉动频率分布规律.将数值模拟结果和理论分析结果进行对比,验证了基于动网格技术的数值模拟方法能较准确地预测车用凸轮式氢气循环泵内流脉动特性.研究结果表明:数值模拟得到的排气流量平均值和理论分析结果误差为4.7%,可以较准确地反映泵内部气体流量脉动规律;通过分析排气流道内涡量场分布,发现排气流道内出口回流和负的z向涡量正相关,随着出流气体占据排气流道,负的z向涡量消失;氢气循环泵旋转流道周向压力脉动主频为267 Hz,与转子旋转基频一致.研究结果为进一步分析凸轮式氢气循环泵内流脉动特性提供了一定依据.     

外啮合斜齿轮高压泵的CFD数值模拟

为研究流量脉动系数对外啮合斜齿轮高压泵内部流场的影响,通过理论推导流量脉动系数的计算公式,分析螺旋角对流量脉动系数的影响,并结合计算流体力学(CFD),对外啮合斜齿轮高压泵的流场进行数值模拟,得到高压泵在不同转速、不同径向间隙下的压力脉动和流量特性.结果表明:增大螺旋角会减小流量脉动系数,有利于改善出口流量的品质,降低齿轮泵泄漏;另外,转速和径向间隙在一定范围内增大时,脉动系数逐渐减小,泄漏涡强度也会减小.当转速和径向间隙继续增大时,脉动系数趋于平稳波动;转速增大时,啮合区域的压力变化较大,但是靠近泵腔壁处的齿轮压强变化较小;径向间隙增大时,泄漏流动和泄漏涡强度会降低,在设计中适当增大转速和径向间隙可以改善出口流量品质.研究高压泵内部流场的运动规律和流量脉动特性对于外啮合斜齿高压泵的设计和优化具有一定的参考价值.     

主动减震系统摆线泵卸荷槽的流场特性

针对传统摆线泵转速恒定且转速低,应用于主动减震液压悬架系统宽转速运行工况时,存在压力脉动大、容积效率低的问题,从摆线泵配流副结构参数的角度,研究宽转速工况下配流副齿形圆卸荷槽对其流场特性的影响.通过建立不同结构形式的齿形圆卸荷槽配流副三维模型,研究不同齿形圆卸荷槽在变负载及变转速工况条件下的压力脉动及容积效率.研究结果表明:负载条件一致时,高转速工况下齿形圆卸荷槽可提高摆线泵容积效率、降低输出压力脉动,同时增大摆线泵入口压力能够有效提高其容积效率;当转速为5 000 r/min时,无卸荷槽的容积效率为91.8%,全齿形圆卸荷槽摆线泵的容积效率为92.3%;全齿形圆卸荷槽摆线泵输出压力脉动小于无齿形圆卸荷槽摆线泵压力脉动,2种结构对应的摆线泵在宽转速范围内的压力脉动最大差值为0.71%;恒转速时,负载压力越大,摆线泵容积效率越小,压力脉动值越小.     

基于CFD的全金属单螺杆泵非稳态流场计算及性能预测

为了得到螺杆泵内非稳态流场特性及间隙泄漏规律,采用CFD的动网格技术,针对油田使用的全金属单螺杆泵进行三维瞬态流场数值模拟,在此基础上预测计算了不同转速、压头和流体黏度条件下螺杆泵的流量、功率及总效率并与试验结果进行了对比.结果显示,螺杆泵在运行中具有显著的非稳态特性,在1个旋转周期内,流量出现的脉动次数与螺杆泵定子转子导程的比值相一致,高压头工况下的泄漏量和流量值的脉动幅度明显大于低压头工况下的情况;在计算高压头螺杆泵输入功率时,机械及容积损失不应忽略.基于CFD的性能预测和实测数据的趋势较为一致,误差在工程允许范围内,表明采用的模拟计算方法是切实可行的.     

外啮合齿轮泵困油膨胀区的最小压力

为探求建立齿轮泵最小困油压力解析式以克服试验和仿真上的局限性,分大、小侧隙2种情况,针对困油的膨胀阶段,采用细长孔的流量公式计算侧隙内的压差流量,在对困油的轴向泄漏路径做适当简化后,由困油区内的"困油容积的膨胀率=泄漏量",即困油压力变化率为零的瞬态位置,计算出最小的困油压力,并与现有文献的试验结果做比对分析.结果表明,最小困油压力发生在卸荷槽开口附近,处于内侧时一般会出现负值的最小困油压力,处于外侧时可近似为进口压力;最小困油压力由出口压力和转速2部分的线性贡献所得,出口压力的影响为正,转速的影响为负;泵卸荷槽整体向进油侧偏置比较合理.所建解析式可快速求出最小困油压力及其发生位置,从而节省大量的过程计算,减少过程仿真的累积误差,结果更精确.     

外啮合齿轮泵流量特性影响因素分析

为研究外啮合齿轮泵重要参数对流量脉动系数的影响,通过理论推导获得流量脉动系数计算公式,分析齿数、压力角对流量脉动系数的影响;采用边界型函数和动网格技术,并结合k-ε湍流模型对不同参数条件下的齿轮泵进行非定常模拟,分析负载压力、径向间隙对流量脉动系数的影响.结果表明,增大齿数和压力角均会减小齿轮泵流量脉动系数,有利于提高齿轮泵的流量特性.另外,增大齿数与增大压力角对提高齿轮泵的流量特性效果较为接近;齿轮泵的流量脉动系数也会随着负载压力及齿轮径向间隙的增大而减小,在设计中适当增大负载压力及齿轮径向间隙,可以改善出口流量特征的质量;过大的负载压力和齿轮轴向间隙会导致齿轮泵容积效率下降,在设计过程中应当引起足够重视.     

混流泵内流场压力脉动特性研究

基于RANS方程和SST湍流模型,应用SIMPLEC算法,对混流泵内流场进行非定常数值模拟,分析了不同流量工况和不同转速工况时混流泵内4个代表性监测面上压力脉动的时域和频域特性.取非定常计算的功率平均值与试验值对比,证明该数值模型可较准确描述泵内流场特征.结果表明:混流泵内最大压力脉动在叶轮进口,从轮毂到轮缘脉动幅值递增;在叶轮进口和叶轮出口压力脉动频率主要为叶轮叶频,而导叶中间和导叶出口压力脉动频率与流量工况相关;偏离最优工况越远脉动越大,偏小流量对叶轮进口压力脉动影响明显;不同转速时最优工况压力脉动频率成分相似,脉动幅值随转速增加而增加.     

2D泵流动特性与配流窗口优化分析

针对轴向柱塞泵配流盘吸油和排油切换过程中,存在闭死压缩和闭死膨胀,产生气穴现象和压力正超调和负超调,引起流量脉动的问题,设计了2D（二维）双联活塞泵。利用活塞的旋转进行配流,且活塞的配流槽两两对称分布,可双向配流,省去了独立的配流机构,零遮盖的配流方式消除了闭死压缩和闭死膨胀的影响。利用两个活塞串联的方式,消除流量叠加时产生的结构性流量脉动。建立了瞬时流量和压力特性数学模型,分析了各项结构参数与腔内压力和出口流量之间的关系,得出配流面积是影响流量脉动的主要因素。最后,搭建实验平台,制作样机,并对样机进行测试。实验结果表明,该样机容积效率可达96%,流量脉动为6.3%,说明2D泵的结构能获得很高的容积效率,且利用旋转配流以及双活塞串联的方式能够有效地降低流量脉动。优化结果表明,加入阻尼槽结构的配流窗口,进一步降低了流量脉动。     

导叶式混流泵内部非定常流动特性数值模拟

为了研究不同流量工况对导叶式混流泵内部非定常流动特性的影响,基于ANSYS CFX软件并采用标准k-ε两方程模型对混流泵的外特性进行了数值预测,分析了流量工况对混流泵内压力分布、流线分布和湍动能的影响,探讨了不同流量工况下不同监测点的压力脉动时域和频域响应。研究结果表明,数值计算的外特性结果与试验测量结果趋势基本一致,最优工况点数值预测与试验测量的扬程和效率误差分别为3.29%和0.27%,数值计算的准确度较高。小流量工况下,叶片工作面与背面之间存在着较大的压力梯度,形成的轮缘泄漏流对主流产生较大干扰,同时受到动静干涉的影响,在叶轮出口和导叶流道内造成较大的能量损失和湍动能耗散;随着流量增加,轮缘泄漏流逐渐减少,动静干涉效应相对减弱,流场流动趋于平稳。不同流量工况下,各监测点压力脉动呈明显的周期性变化,一个旋转周期内压力脉动曲线有4个波峰和4个波谷,叶片通过频率始终占主导作用;流量对叶轮进口处和导叶中间处的压力脉动影响最明显,小流量工况下压力脉动系数的幅值变化最大;随着流量的增大,压力脉动频域幅值随之减小。本研究可为扩大混流泵的运行范围以及混流泵叶轮和导叶的优化设计提供参考依据。     

前置导叶可调式轴流泵低频压力脉动特性研究

基于RANS方程和SST k-ω湍流模型,对前置导叶可调式轴流泵进行三维非定常计算,研究了前置导叶调节对轴流泵外特性和压力脉动的影响,揭示了小流量工况泵内低频压力脉动随前置导叶调节变化机理。结果表明:前置导叶负角度时,轴流泵扬程升高,效率在小流量工况基本保持不变,大流量工况略有升高;前置导叶正角度时,轴流泵扬程和效率均下降,且大流量工况效率下降幅度较大;小流量工况泵后置导叶内的涡旋引起低频压力脉动,且低频压力脉动频率与涡脱落频率一致;偏离设计工况时,前置导叶调节可减小叶轮进口流动冲角,改善泵内流态,从而降低低频压力脉动幅值。     

双排油轴向柱塞泵配流特性理论分析与试验

通过改变缸体结构、柱塞数、端盖油路、配流盘形状等,设计了双排油内外环并联配流结构的轴向柱塞泵,实现了单柱塞泵两路高压供油。针对单环柱塞数减少,腔内压力冲击增大,脉动变大等问题,对配流结构进行重新设计。在排油腰形槽和吸油腰形槽过渡区取消卸荷槽,利用加大配错角,在排油完毕未接通吸油时,腔内封闭体积增大,未排尽的高压油液压力降低;在吸油腰形槽和排油腰形槽过渡区,排油卸荷槽利用阶梯变化通流面积代替原连续变化的通流面积,削弱了卸荷槽几何形状要求。重新设计后的双排油配流结构,以45 mL轴向柱塞泵结构为参考,对配流结构进行了理论分析,建立了双排油轴向柱塞泵仿真模型。以单柱塞腔内压力冲击、输出流量进行分析研究,得外环压力冲击小,与传统配流结构相比较双排油输出口压力脉动变化率变小,并试制双排油轴向柱塞泵。对试制泵进行压力脉动测试、容积效率测试和噪声测试,结果表明,与45 mL轴向柱塞泵进行对比,压力脉动降低了约30%,噪声也降低,容积效率不低于0.92。该双排油轴向柱塞泵可以代替双联泵,使系统结构简化,能耗降低。     

叶轮口环间隙对低比转速离心泵效率的影响

通过改变叶轮口环间隙的大小对不同叶片型式的低比转速离心泵进行试验。证明口环间隙对低比转速离心泵效率的影响与泵叶轮的叶片的型式无关．从能量守恒的角度出发,提出了一种考虑低比转速离心泵口环泄漏量的计算圆盘摩擦损失的方法,以此方法为基础,推导出以泄漏量为自变量的低比转速离心泵机械效率计算公式．最后联合离心泵水力效率和容积效率的计算公式综合分析得出,虽然机械损失随泄漏量增大而减小,但低比转速离心泵的总效率依然随叶轮口环间隙的增大而降低．     

轴流泵装置反向发电的水力特性

为探究某泵站轴流泵装置反向发电的水力特性,对该轴流泵装置反向发电工况进行全流道数值模拟分析.结果表明：轴流泵装置在额定转速进行反向发电时,其最优工况相比于水泵模式,水头和流量分别提高43%和38%;随着转速增大,效率-流量曲线呈现向大流量方向偏移趋势,高效区范围逐渐增大;导叶进口、转轮进出口压力脉动呈周期性,转轮进出口压力脉动受转轮旋转影响更为显著;压力脉动系数幅值沿径向由轮毂至轮缘逐渐增大,转轮出口的压力脉动幅值最大,约为转轮进口的2倍;在频域方面,压力脉动主频为叶频,次频为2倍叶频,在转轮进出口主频所对应的压力脉动系数幅值沿径向由轮毂至轮缘逐渐增大;在小流量工况,随着轴流泵反向发电运行时的流量越小,出水流道流线越混乱且涡带越明显.研究结果可为泵站轴流泵装置反向发电提供一定的理论支撑和工程运行参考.     

离心泵隔舌区压力脉动测量与分析

离心泵内部的压力脉动是引起机组振动及噪声的主要原因,这一现象在隔舌区尤为严重。对某单吸离心泵在变转速和变流量工况下的性能及隔舌区的压力脉动进行了定量试验研究。试验结果表明:离心泵运行在小流量工况时,其性能随转速工况的变化基本符合离心泵一维设计理论。隔舌区压力脉动测量结果表明:压力脉动以离散分量为主,其整体强度占参考动压的1%左右,且随转速近似以二次函数形式变化。定转速时,随着流量的减小隔舌外侧压力脉动强度变化不明显,但舌尖及内侧压力脉动强度有明显提高,这归因于低频压力脉动的增大。研究结果对泵类系统的减振降噪和安全性改善具有指导意义。     

基于流体力学泄漏模型的螺杆泵泄漏机理分析

针对螺杆泵筒壁间隙、啮合间隙等决定螺杆泵性能的关键间隙设计问题,在研究螺杆各项间隙构成原理的基础上,运用流体力学间隙泄漏理论,建立泵腔间隙泄漏压差流和剪切流模型,分别分析螺杆泵筒壁间隙和啮合间隙的泄漏量,得到螺杆泵不同间隙泄漏的表达式。以主动螺杆2头、从动螺杆3头的双螺杆泵为例,通过理论计算与试验对比分析了螺杆转速、压差对泵泄露的作用机理,揭示了螺杆转速、泵进出口压差对螺杆泵流量特性及容积效率特性的影响规律,从而完善了螺杆泵转子设计理论,提升了螺杆泵输送性能。     

隔墩对轴流泵装置直管式出水流道内流及脉动的影响

为分析隔墩对直管式出水流道内部流态及压力脉动的影响规律,基于立式轴流泵装置物理模型,采用在直管式出水流道壁面布置丝状红线和压力脉动传感器的方法进行了试验。结果表明,小流量工况时,有无隔墩的直管式出水流道内壁面红色丝线均呈大角度倾斜状;在最优工况和大流量工况时,直管式出水流道内壁面红色丝线趋于水平状,流量越大红色丝线越趋于水平。无隔墩的直管式出水流道脉动幅值均方根的平均值均高于有隔墩的直管式出水流道脉动幅值均方根的平均值。相同转速时,有无隔墩的直管式出水流道各监测点的脉动幅值均方根均随流量的增大而减小;相同流量比时,各监测点的脉动幅值均方根随转速的增加而增加。不同转速下各最优工况时,有隔墩的直管式出水流道各监测点的脉动主频与转频呈整倍数关系。隔墩对直管式出水流道内部水流流态有一定的调整作用,可降低脉动幅值,但不同工况时隔墩对直管式出水流道内流的改善效果还取决于导叶体出口剩余环量和流量。     

轮缘间隙对轴流泵内部非定常流场的影响

为研究轴流泵轮缘间隙泄漏流的非定常特征及其对泵外特性的影响,采用基于S-A模型的DES方法和滑移网格技术,对轴流泵在设计流量下的内部湍流进行了数值计算,重点分析了4组轮缘间隙下泵内非定常流场特性及压力脉动特性.在设计轮缘间隙下,计算所得泵扬程和效率与试验数据吻合良好,最大相对误差分别为2.0%和3.0%.计算结果表明:随轮缘间隙增大,水泵扬程和效率均呈下降趋势;轮缘泄漏涡强度和影响范围随轮缘间隙增大而增大,当轮缘间隙为3.3‰D₂时,轮缘泄漏涡扩散至相邻叶片出口边;不同轮缘间隙下,叶轮区压力脉动频率均以叶频为主;靠近叶片进口的叶轮室内壁压力脉动幅值随轮缘间隙的增大呈减小趋势,叶轮室中部压力脉动随轮缘间隙增大而增大;叶轮出口断面的压力脉动频域特性在不同轮缘间隙下均以1倍叶频为主,脉动幅值随轮缘间隙增大而减小.     

诱导轮空化流动特性实验研究

为了深入研究诱导轮内部的空化流动特性,基于诱导轮空化流动可视化实验台进行了一系列实验,获取了诱导轮的外特性、空化区发展过程以及相应的压力脉动特性。结果表明：流量越大,空化性能曲线越早发生断裂,但存在某个流量使诱导轮具备最佳空化性能;随着空化数的降低,空化首先发生于泄漏涡中,泄漏涡空化逐渐与泄漏流中的剪切层空化连成一片,形成稳定的泄漏空化区,流量越小,空化区面积越大,叶尖的压力脉动幅值也随着空化区面积增大而升高,由于空化区对称分布,压力脉动由叶片通过频率主导;进一步降低空化数时,开始出现各类空化不稳定现象,小流量下出现明显的回流涡空化,大流量下出现同步旋转空化,后者会引起大幅的压力振荡,同时会导致扬程部分下降。空化区进一步发展,导致大流量下发生低频轴向流动不稳定现象,空化喘振。空化区发展至叶轮出口时,影响出口液流角,诱导轮完全失去作功能力,发生空化性能断裂。     

内啮合齿轮泵流体动态性能分析

针对力士乐公司的PGH型内啮合齿轮泵在输出高压力的工况下存在温升严重、流量泄漏等问题,为提升齿轮泵性能,对该内啮合齿轮泵内部流体动态性能进行仿真分析,研究发现内啮合齿轮泵的流场内部存在的压力波动、流量波动及油温温升对其泄漏量、噪声等主要性能有重要影响。应用PumpLinx软件对齿轮泵进行内部流体动态性能三维仿真并进行分析计算,分析了不同负载对其内部流体压力的影响。     

配流阀容积效率对三缸内燃水泵工作性能的影响

综合考虑液体可压缩性与液体连续流条件的影响,建立了三缸内燃泵(ICP)配流阀的动力学模型,研究了配流阀的容积效率特性.样机工作频率与配流阀的固有频率成整数倍关系时,容积效率大幅度降低.样机标定转速与容积效率最低时的转速较为接近,不利于系统正常稳定工作.容积效率的变化对ICP的燃油消耗率、输出流量、有效热效率、有效功率等性能指标影响较大,但对输出压力基本没有影响.