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．     

轴流泵内流场的数值模拟与实验

基于Navier-Stokes方程组和标准R-ε紊流模型,采用SIMPLEC算法在商用软件CFX平台上对轴流泵叶轮内流场进行数值模拟.计算得到泵的性能曲线与性能实验的结果比较吻合;并将90%叶高和出口叶轮根部位置得到的相对速度和流线的分布与PIV测量结果进行了比较,两者能较好地符合,从而证明了数值计算的有效性和准确性.分析了轴流泵在不同流量工况下的内流场的流动结构及造成效率降低的原因,其结果可以为轴流泵的内流分析和性能改善提供参考.     

串列式轴流泵首次级叶轮能量特性及相互作用

为了分析串列式轴流泵的能量特性以及首次级叶轮之间的相互作用及其对能量特性的影响,采用数值计算的方法,对一串列泵内不同流量工况下的内部流场进行计算．湍流模型采用了一种RANS／LES的混合模式的FBM模型,基于试验结果对数值方法进行了验证,结果显示该数值方法能够较为精确地预测轴流泵的能量特性,FBM湍流模型预测结果精度高于标准k-ε模型．串列泵具有和普通轴流泵不同的能量特性:扬程随流量增大单调减小,功率随着流量增大而缓慢增大,说明串列泵具有良好的调节特性;首级叶轮的能量特性随流量变化而改变,具有和普通轴流泵几乎相同的能量特性,次级叶轮的存在明显改善了首级叶轮在小流量工况下的特性;次级叶轮的能量特性和普通轴流泵相比,具有较大差别,这是由于首级叶轮的存在改善了次级叶轮的进口流动,使次级叶轮在较大流量范围内具有恒定的能量特性．     

水泵水轮机不同导叶开口的驼峰特性

为研究水泵水轮机在不同导叶开口下的驼峰特性,对某一电站水泵水轮机模型水泵工况进行试验,得到不同导叶开口下的驼峰特性曲线,结果表明随着活动导叶开口减小,在低负荷区水泵工况扬程越高,扬程趋势越陡,同时驼峰现象更明显,但是驼峰区域变小.在试验研究的基础上,对该模型进行三维实体建模,并进行网格划分,采用SST k-ω模型、标准k-ω模型、RNG k-ε 模型和标准k-ε模型分别对19 mm活动导叶开口下各个工况点进行数值模拟,最终确定SST k-ω湍流模型能够较好地符合试验结果.分别选取13,19,25 mm活动导叶开口进行数值模拟,得到水泵工况的扬程、力矩和效率与流量的关系曲线,与试验结果对比,其变化趋势一致.针对19 mm活动导叶开口低负荷工况点、驼峰区工况点、最优工况点和超负荷工况点进行流动特性对比分析,表明驼峰特性与转轮流道内和固定导叶部分流道内的流动分离及旋涡有关.     

离心泵泵腔内流动特征的数值分

为了分析离心泵在设计工况运行时叶轮盖板两侧泵腔内流场结构的特点,采用RNG kε湍流模型和多重参考系下的雷诺时均NS方程,对由叶轮通道、蜗室、泵腔和密封环间隙组成的计算域进行定常数值模拟.计算结果与试验结果吻合良好,证明了数值计算方法具有较高的可靠性.流场分析结果表明,泵腔内的流场分布具有非轴对称性,其流场结构比由转子定子组成的封闭壳体内的流场结构复杂得多,但二者的速度场沿轴向的变化规律相似.     

基于FNE的轴流泵叶轮的流动分析

为了节省轴流泵的研发成本,应用结构化网格技术和有限体积差分格式并结合K一ε湍流模型 对相对坐标系下的三维雷诺平均N-S方程进行求解,对在同一设计工况下的相同流道几何尺寸的两个轴流泵叶轮内部的三维紊流场进行了数值计算与分析,得到了其内部流场、压力场的分布情况,预测了水泵的水力性能,选择出了性能较优的水泵叶轮。     

核主泵空化流动对能量转换的影响

为研究核主泵内部空化流动对能量转换的影响,采用RNG k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型对设计工况下核主泵模型泵进行了全流场空化模拟,得到核主泵发生空化时叶轮内气泡分布规律.选取叶片吸力面的前盖板流线和后盖板流线,通过分析不同空化工况下这两条流线上的动扬程与静扬程变化规律,研究核主泵发生空化时,空化流动对叶轮内能量转换的影响.结果表明:核主泵内流体的能量主要由叶轮中后段提供,且从前盖板到后盖板,叶片做功能力逐渐减弱;空化干扰叶轮内流体流动,导致空化区域相对速度增大,压力减小,在气泡密集区域,叶片做功能力几乎为0;随着空化程度加剧,无空化区动扬程增大,静扬程减小,且静扬程减小幅度大于动扬程增大幅度,从而引起泵扬程和效率下降;随着空化程度加剧,动、静扬程突变程度加剧,增大了叶轮内的流动损失,进而导致泵扬程及效率进一步下降.     

载荷分布规律对混流泵叶轮设计的影响

基于三元反设计理论,将环量vur沿轴面流线的变化梯度作为载荷分布的控制参数,采用两段抛物线来描述载荷沿轴面流线的分布规律．为了分析载荷分布规律对混流泵叶轮设计结果的影响,建立了“前载型”、“中载型”和“后载型”3种混流泵叶轮．基于雷诺时均的Navier-Stokes方程、SST湍流模型和多参考坐标系模型对3种叶轮内流场进行数值模拟,对叶轮的能量性能和叶片表面压力分布进行分析．结果表明:采用两段抛物线表示载荷沿轴面流线的分布规律是合理的,基于载荷分布的叶片三元反设计能有效控制叶片表面的压力分布特性;载荷峰值点越靠近导边,叶轮的扬程、功率和效率值越高;在设计流量工况,前载型叶轮与后载型叶轮的扬程、功率和效率的差别分别为1830％,1640％和201％;不同载荷分布时叶轮能量性能的差别随流量的增加而逐渐明显．     

轴流泵非稳定工况下叶轮进口流场试验研究

在小流量工况下,由于轴流泵不稳定工况区（马鞍区）的存在,使其稳定运行的范围大大缩小.详细测量了轴流泵能量性能参数,获得了＂双马鞍＂形的扬程-流量曲线,采用PIV技术对0.73Qd,0.55Qd0,.43Qd及0.33Qd流量工况下的叶轮进口轴面流场进行了二维流速测量.结果表明：小流量工况下,在叶轮进口靠近壁面处存在明显回流,回流区域随流量的减小而增大,同时叶轮进口轴面内湍流强度也随着流量减小而增大;相同工况下,轴向流速的湍流强度低于径向流速的湍流强度,靠近叶轮外壳处的湍流强度大于靠近轮毂处的湍流强度;通过流道壁面上的丝线示踪,显示了随着流量的减小,叶轮进口外壁处的流体由轴向流动向周向流动的演化过程.研究结果表明小流量工况下,轴流泵叶轮进口流场不稳定导致水泵效率偏低,为进一步提高水泵性能提供了参考.     

流固耦合作用对双向流道泵装置流场影响

双向流道轴流泵装置由叶轮,导叶,双向进出水流道组成。双向进水流道由于其形状特征容易在叶轮进口端产生不稳定态,导致叶轮振动,而叶轮振动反过来又会影响泵装置的内部流动。为了研究流固耦合作用对双向流道轴流泵装置内部流场的影响,以双向流道轴流泵装置为研究对象,采用双向同步求解的方法对轴流泵内流场和叶轮结构响应进行联合求解。结构计算基于弹性体结构动力学方程;流场模拟基于Reynolds时均化N-S方程和SST湍流模型。在考虑双向进出水流道的情况下,将流固耦合计算前后所得轴流泵内部流场分布与叶轮表面压力分布进行对比分析。研究结果表明,考虑流固耦合作用后,进水流道出口处压力波动强度增大,涡量强度增大;叶轮工作面速度增大,导叶附近的漩涡位置发生变化;叶轮工作面与背面压力差减小,叶轮做功效率下降,轴流泵装置扬程下降。     

射流泵内部流动计算中不同湍流模拟方法的比较

为了掌握射流泵中工作流体与被吸流体的混合过程,通过基于雷诺平均N-S方程(RANS)的不同双方程湍流模型以及大涡模拟(LES)对射流泵内部三维单相流场进行数值模拟,并将这些模型的计算结果和试验值进行对比,研究了适合射流泵模型的数值方法,并在此基础上,对不同工况下射流泵的内部流动进行了分析．结果表明:采用LES方法对射流泵湍流场进行模拟计算的结果是可靠的,无论是压力比还是效率,LES模型的数值模拟结果均与试验值吻合较好;采用双方程模型预测的喉管段高速核心区在混合过程中能量耗散过快,且没有预测出剪切层的旋涡结构,只有LES方法才能得到合理的旋涡结构,从而能准确地反映出大流量工况时剪切层中工作流体和被吸流体间的动量和能量输运及混合过程,因此LES所预测的射流泵的能量特性比其他湍流模型更接近试验值;流量比越大,工作流体与被吸流体在喉管内的混合位置越靠后,势流核区沿轴向区域越长,均匀混合后的轴向速度越大．     

离心式消防泵内流特性

为了研究离心式消防泵外特性、内流特性及空化特性,基于RNG k-ε湍流模型对某一比转数为24.7的离心式消防泵不同工况下的内部非定常流动进行数值模拟.结果表明:在关死点工况下,离心泵消防泵叶轮内部产生大量的失速旋涡,尤其在叶轮出口位置出现面积较大且极高湍动能的涡核分布,严重影响流道的通流能力,且造成较大的能量损失;随着流量增大,流道内的旋涡逐渐消失,流场趋于稳定,涡核分布基本保持稳定且对称;随着流量持续增大,离心式消防泵轴向力逐渐增大,在极小流量和极大流量工况下的轴向力波动相对较强;随着流量增大,径向力逐渐降低,且不同工况下径向力的矢量分布均呈现六齿形分布;随着流量的增大,离心式消防泵扬程特性曲线受空化的影响更加明显,随扬程曲线开始下降时的NPSHR也逐渐增大,但下降速度相对较慢.     

低比转数排污泵内部PIV试验研究

通过对传统机电一体式排污泵的结构改造,以有机玻璃材料来加工叶轮及蜗壳,利用半螺旋形吸水室改变来流方向,成功获得适合于PIV测试的试验泵段.采用轴编码器等同步装置和空心玻璃球作为示踪粒子,对3个工况下叶轮与蜗壳5个不同相对位置的叶轮中间截面流场进行拍摄,取得了较好的结果.从PIV试验结果可以看出,在大流量1.4Q_d和设计流量1.0Q_d工况下,叶轮内部流场在任意时刻均能够保持较好的轴对称性分布,而极小流量0.2Q_d情况下,叶轮内部流场较为紊乱,且表现出明显的非轴对称性.在所拍摄的5个时刻内,通道A由于穿过隔舌位置,其出口圆周的相对速度分布梯度和小流量下旋涡的强度、大小等均受到隔舌的强烈影响.在极小流量情况下,通道C随着叶轮的旋转,压力面附近的脱流不断加剧并形成旋涡,最终堵塞大部分流道.     

轴流泵装置三维非定常湍流流场的数值模拟

为了分析轴流泵内部流场的瞬时特性,结合非定常不可压牛顿流体的控制方程和RNGk-ε双方程湍流模型,考虑各过流部件之间的相互干涉作用,在Fluent软件中应用SIMPLEC算法和滑移网格技术,在一个完整的转动周期中对4000ZLQ53.5-6.6 JS型立式轴流泵全流道内的三维湍流流场进行了数值模拟.给出了在叶片角为0,°设计流量工况为53.5 m3/s时叶轮进出口干涉面的压力、速度与涡量云图,直观地显示了一个转动周期内叶轮干涉面的干涉情况.对干涉面物理量云图进行对比分析,得出了轴流泵内部流场瞬时特性的数值模拟计算结果.引入动态特性预测方法,对瞬时计算结果时均化,将动态特性预测结果与泵站的现场测试数据进行对比,证明了该数值模拟方法的可行性.这表明,计算所采用的轴流泵装置非定常三维湍流流场的数值模拟方法,是人们认识轴流泵流场流动与干涉机理的有效理论手段.     

轴流泵叶轮进口流场PIV试验与数值计算

轴流泵内部流场较为复杂,尤其是端璧区的叶顶泄漏,不仅能破坏叶轮进口流场,而且对叶轮流道内流场也有较大的影响.采用CFD数值计算与PIV试验研究相结合的手段,对叶轮进口附近流场进行研究,以揭示其流动机理.PIV结果表明：在1.2Qopt和1.0Qopt工况下的流线及速度云图分布较为均匀,而0.8Qopt工况下,外缘壁面靠近叶片进口边处出现低速区,且流线向轮毂侧偏转.数值计算结果表明：预测外特性结果与试验相吻合,叶轮进口的流场也与PIV结果一致;另外,在1.2Qopt工况下,5%叶顶高处的间隙内部流动方向与主流一致;1.0Qopt工况下,流体基本沿周向运动;当流量减小到0.8Qopt时,出现叶顶泄漏,并在间隙内靠压力面侧形成分离后再附着的现象,在吸力面一侧受泄漏流与主流碰撞及相互卷吸的影响,形成一个逆时针方向的旋涡.     

入口非均匀流对轴流泵性能和压力脉动的影响

为研究入流条件对轴流泵的影响,建立了2种不同类型的非均匀速度入口分布,分别与均匀入流进行比较,得到非均匀入口边界条件对轴流泵影响的数值计算结果.将均匀入流下的数值模拟结果与试验值进行对比,验证了数值模型的可信性.在0.7Q~1.2Q工况范围内,对轴流泵的扬程、效率和径向力等曲线进行了对比分析,得出受入口速度非均匀性影响、轴流泵性能和径向载荷的变化结果.最后,在定常模拟的基础上,对设计工况下叶轮入口、叶轮出口和导叶出口处的压力脉动进行了监测,得到了2种非均匀入流条件对轴流泵3个典型位置处压力脉动的影响情况.结果表明,通过控制进口入流情况,可以使文中所研究的轴流泵的水动力性能好于轴向均匀入流时的水动力性能.     

叶轮后密封环直径加大量对轴向力特性的影响

以300QJ230-40/2型潜水泵为研究对象,以清水为介质,采用标准k-ε湍流模型在多重参考系下对该泵全流道进行了定常不可压数值模拟,获得了外特性和轴向力预测值,并绘制了性能曲线和轴向力随扬程变化的关系曲线;采用机械法对该泵轴向力进行了试验测量,并将模拟值与试验值进行对比分析.结果表明:在0.8Q_sp~1.2Q_sp(对应扬程为46~36 m)的工作区域,泵性能和轴向力的数值计算结果与实测结果基本吻合.在叶轮前密封环直径、平衡孔直径及数量不变的条件下,在叶轮后密封环直径加大量Δr_m≠0时,对该潜水泵进行了全流道数值模拟和轴向力数值计算,绘制了不同后密封环直径下泵轴向力随扬程变化的关系曲线,结果表明了加大后密封环直径能有效地减小轴向力;绘制了轴向力系数与比面积关系的无因次曲线.     

卧式轴流泵空化特性的数值分析

轴流泵内部的空化现象是影响叶轮能量转换,导致轴流泵扬程、效率等性能下降的重要原因.为了研究轴流泵内部的空化现象,以轴流泵TZX-700为研究对象,该型号轴流泵相较于一般的轴流泵无后置导叶.为了验证数值计算结果的准确性,对该卧式轴流泵分别进行了试验研究和数值模拟,试验曲线和数值计算曲线基本吻合.在设计工况和小流量工况下进行全流道数值模拟,对其空化特性曲线、叶片吸力面和压力面的静压分布以及空化体积分数分布进行分析.结果表明:当进口压力为101.325 kPa时,在叶片的吸力面就已经发生空化;在叶片压力面,当有效空化余量NPSH_a下降到临界空化余量NPSH_cr=7.79 m时,靠近进口边的叶顶处开始产生少量的空泡;随着NPSH_a的下降,叶片表面的空化区域进一步增加,对叶轮内的流场产生明显的影响,导致扬程急剧下降;在同一轴流泵进口压力下,小流量工况下叶片表面的空化区域相较于设计流量工况进一步扩大,由靠近轮缘的进口边向出口边和叶根处发展,空化现象更为严重.