喷水推进器全流道空化流动数值模拟

为了研究对旋轴流式喷水推进器内部空化特性,基于ANSYS-CFX软件,利用SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,对不同转速以及设计航速条件下喷水推进器进行全流域空化数值计算,得到了喷水推进器两级叶轮叶片以及叶轮流道内空泡体积分数分布情况.结果表明:在喷水推进器首级叶轮吸力面轮缘处最先发生空化,随着转速的增加,空泡不断地向叶轮轮毂处蔓延,并且体积分数逐渐增加;由于非均匀进流的影响,次级叶轮吸力面进口至出口中部低压区开始出现空泡;且受流动传递性的影响,次级叶轮处在靠近水平面下半叶轮通道内的叶片空化更为严重;在不同的NPSHr下,由于首级叶轮的预压,次级叶轮压力面一直没有空泡附着,表明对旋轴流式喷水推进器具有良好的抗空化性能.     

轴流泵叶轮内空化流动的数值计算

首先通过轴流式模型泵外特性试验,确定了汽蚀性能曲线。基于完整空化模型和混合流体两相流模型,对轴流式模型泵设计工况下叶轮内空化流动进行全流道数值计算。选择空化开始发生、临界汽蚀点以及空化严重时3个工况比较分析叶轮内空化流动的发展情况。计算获得了不同汽蚀余量时叶片背面静压、空泡体积组分分布和不同轴截面上的空泡体积组分分布。计算结果表明空化最初发生在叶片背面进口靠近轮缘的局部低压区;在临界汽蚀点处,空化发生的区域位于叶片背面进口至出口弦长的2/3处,面积约占叶片背面面积的50%,随着空化程度的进一步加剧,空化区域逐渐向后发展且空泡体积组分逐渐变大,当叶轮流道内发生局部空化时,不会影响到泵的能量性能;空化严重时,靠近进口截面的过流面积受到严重堵塞,泵的能量性能严重下降。计算结果与外特性试验相吻合,较好地揭示了轴流泵叶轮内的空化流动的静态特征。     

对旋轴流式喷水推进泵压力脉动的数值计算

为了解喷水推进泵内部压力脉动特性,以对旋轴流式喷水推进泵为研究对象,应用计算流体动力学(CFD)方法,采用雷诺时均法并引入SST k-ω湍流模型使方程封闭,对对旋轴流式喷水推进泵进行设计工况下非定常数值模拟.经网格无关性检验后,计算得到的推进泵功率与扬程与设计值基本一致.在首级叶轮进口处,首、次级叶轮轮缘间隙处,轴向间隙及导叶进口处设置监测点,监测不同位置的压力脉动数据.得到各监测点的时域图和频域图并对各监测点压力脉动特性进行了对比分析.结果表明:对旋轴流式喷水推进泵内压力脉动主要受叶频的影响,首级叶轮和次级叶轮轮缘间隙处的压力脉动不仅与首、次级叶轮的叶片数有关,还与喷水推进泵叶轮数量有关;受两级叶轮反向旋转的影响,轴线方向上首级叶轮与次级叶轮之间轴向间隙处的压力脉动幅值最大, 轴向间隙的压力受到首级叶轮和次级叶轮的共同影响;次级叶轮出口与导叶进口处压力脉动主要受到导叶回流的影响.     

余热排出泵叶轮内空化流动特性的数值分析

为研究余热排出泵叶轮内空化流动特性,基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型和剪切应力运输SST k-ω湍流模型,对余热排出泵水力样机叶轮内空化流动进行数值计算.根据计算结果获得了余热排出泵水力样机空化性能、设计流量工况不同装置空化余量条件下叶轮内空泡分布规律及其叶片表面载荷分布.研究结果表明:设计流量工况下,叶轮内空泡随着装置空化余量的降低逐渐呈不对称性分布,当装置空化余量低至2.63 m时,个别流道发生了堵塞.叶轮不同切面上的空泡分布不一样,切面越靠近后盖板,叶片吸力面上空化区面积越大,扬程发生突降之前,泵叶轮内空化表现为准静态空穴的特征.由于主流方向在叶轮进口处发生了急剧变化,使得叶片压力面靠近叶片进口边处上叶片载荷出现了先突然增大然后又迅速降低的变化规律.     

基于CFD的对旋轴流式喷水推进泵转速控制方法

为了研究不同转速比下对旋轴流式喷水推进泵的外特性,应用计算流体动力学的方法对不同工况下的喷水推进泵进行数值模拟,分析了推进泵外特性与转速比的关系以及不同转速比下对旋泵的内部流动结构与能量耗散的特征.计算结果表明：不同转速比下喷水推进泵的外特性变化较大;通过比较,得到了不同流量下效率最高点的最优转速比;当流量小于1.0Qd时,控制首级叶轮的转速可以获得最优转速比;流量大于1.0Qd时,控制次级叶轮的转速获得最优转速比;通过对0.9Qd时速度三角形和内部流场的分析,发现降低转速可以减小首级叶轮进口冲角,改善内部流场,减小水力损失.通过以上分析验证了转速控制方法的有效性.     

基于CFD的混流泵空化特性研究

应用剪切应力输运(SST)湍流模型和基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型,求解雷诺时均Navier-Stokes方程,对某混流泵在设计工况时的流场进行数值模拟.根据计算结果获取了泵的扬程衰减曲线,捕捉到泵内空化的发生、发展过程,对轻微空化、临界空化和严重空化3种工况下叶轮内空泡体积分布特性做对比分析.模拟结果表明:该泵空化性能满足设计要求;叶轮内空泡最初发生在叶片吸力面进水边靠近轮缘处,该空泡区随汽蚀余量降低逐渐向轮毂方向和叶轮出口方向延伸;轮缘空泡初生于叶片进水边,沿着叶缘翼型逐渐发展成一条长带;轮毂空泡集中于叶根翼型尾部,轮毂空泡体积分数明显大于轮缘;叶片各通道间空泡分布相似,严重空化时空泡造成叶片通道严重阻塞致使泵扬程急剧下降.     

混流式叶轮瞬态空化特性研究

为研究混流式叶轮空化性能,基于空泡动力学理论和计算流体力学方法,对某混流泵进行设计工况下的汽液两相瞬态仿真计算。分析不同空化余量下叶轮内部空泡分布情况,探究空泡随时间的变化特点,捕捉空化初生、空化发展以及空泡溃灭的过程,寻求空泡含量的变化规律。结果表明,在叶轮叶片头部最先初生空化,随着空化的发展,空泡逐渐向叶片出口、叶片正背面、甚至叶轮流道扩散。若叶片空化达到一定的程度,则叶片背面空化区域远远大于正面,但体积组分大的空泡多集中于叶片正面靠近头部位置。叶轮内空泡含量随时间以近似指数的形式上升,其空化速度与空化余量成反比。当空化余量足够低时,空泡将迅速堵塞整个叶轮流道。     

混输泵小流量工况的空化特性

为改善混输泵在小流量工况下的水力性能,采用基于均相流假设的多相流模型和Rayleigh-Plesset方程,应用标准k-ε湍流模型,对混输泵小流量工况全流道空化流场进行数值模拟,分析几种典型空化工况下混输泵的输运性能以及在不同工况下叶轮内部空泡的分布规律,最后根据模拟结果预测混输泵的能量特性并与试验结果作对比分析,从而在一定程度上验证了数值模拟的可靠性.研究结果表明:在小流量工况下,叶片进口绕流和动静干涉对叶轮内的流动分离产生较大的影响,同时旋涡形成的低压区会加剧进口空化、降低泵的混输性能;从初生到深度空化发展过程中,空化首先发生在叶片进口和靠近中间位置,在叶片背面进口的空化程度较严重,越靠近轮毂空化程度越严重,甚至阻塞流动,加剧叶轮内相态分离.该研究结果为混输泵的进一步优化设计、性能改善及实验研究提供理论依据.     

离心泵叶轮进口空化形态的试验测量

为研究离心泵叶轮进口部分的空化形态,以一台中等比转数离心泵为对象,在泵进口管路上增加全透明水箱,基于泵产品智能测试系统和图像采集系统,在离心泵闭式试验台上对3种不同流量下叶轮进口的空化形态进行可视化试验研究.试验结果表明:空泡首先在模型泵叶片背面进口边附近初生,空泡的产生位置因运行工况不同而变化;随着装置空化余量NPSHa的下降,多个叶片背面有空泡产生,并随着叶轮的转动,呈现明显的初生、生长和溃灭的动态过程;当泵扬程下降较大时,空泡的分布随叶轮转动变化不大,且靠后盖板一侧的空泡分布小于靠前盖板一侧.     

CAP1400反应堆冷却剂模型泵空化性能数值模拟与试验

为研究CAP1400核主泵事故工况下的空化性能,采用标准k-ε模型和Mixture模型,开展了CAP1400核主泵1∶2.5模型泵的整机空化数值模拟.分析了模型泵空化初生时的空化特性和不同空化余量下叶轮内空化发展规律,以及叶片中间流线上的载荷特性,并采用砂铸叶轮、精铸铝制叶轮与砂铸导叶结合开展了模型泵性能的试验研究,结果表明:蜗壳与叶轮的相对位置对叶轮内空泡体积分布具有一定的影响,靠近蜗壳出口的叶片吸力面空化更加严重,空化的排挤效应改变了叶片进口附近的液流角并导致压力面前缘出现空化;空化对叶片载荷影响较大,发生空化后叶片载荷在沿流线吸力面空泡结束的位置附近会出现极大值,且叶轮内空化区域的不均匀分布加大了不同叶片之间的载荷差异,靠近蜗壳出口的叶片沿流线压力载荷的极大值最大;叶轮的制造精度对泵的空化性能有较大影响.     

离心泵内部空化特性的CFD模拟

基于ANSYS CFX软件应用标准k-ε湍流模型、均质多相模型和Rayleigh-Plesset方程,对一比转数为94的离心泵在不同工况下其内部的空化特性进行数值模拟.根据模拟结果预测了模型泵无空化时的能量特性和发生空化时的空化性能,分析了不同空化状态下叶轮中间流面内的空泡分布和叶片中间流线上的载荷特性,并与试验结果进行对比.结果表明：预测结果具有一定的精度,模型泵在3个工况下空化余量的绝对误差分别为0.25,0.29和0.06 m.流场分析表明：随着进口总压的降低,空泡首先在叶片背面进口边附近产生,然后沿流线向叶轮出口扩散,并随着流道过流面积的增加向叶片工作面扩展;与其他叶片相比,正对蜗壳隔舌叶片中间流线上的载荷最小.随着泵空化程度的加剧,除正对蜗壳隔舌的叶片外,其余叶片上相对位置为0.35～0.80处的载荷明显增加,说明空化对叶片载荷有较大的影响.     

双蜗壳离心泵空化流动对隔舌处压力脉动特性的影响

应用数值计算方法分析了双蜗壳离心泵内空化流动影响隔舌部位压力脉动特性情况,以进一步明晰空化流动诱导泵振动噪声机理.采用SST k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对设计工况下的泵内空化流动和无空化流动进行了非定常数值模拟,数值模拟结果表明:SST k-ω湍流模型能准确预测双蜗壳离心泵的能量特性指标;泵内空化的空泡初始产生于叶轮叶片进口吸力面根部,随着装置空化余量的降低,空泡云沿着叶轮叶片吸力面向叶片出口和前盖板方向发展,叶轮内部空泡的发展并不均匀,加剧了叶轮内部流动的不稳定性.对比叶轮旋转一周在空化和无空化流动状态下发现,2个隔舌处各个监测点的压力脉动具有明显周期性,在无空化状态下,隔板进口处监测点的压力脉动主频为2倍叶频,其他监测点压力脉动主频均为叶频;空化状态下2个隔舌处各个监测点的压力脉动主频均为叶频,压力脉动幅值明显增大.     

蜗壳式混流泵空化工况扬程下降机理

基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型和剪切应力输运湍流模型(SST),应用计算流体动力学技术,对比转数n s为449的蜗壳式混流泵设计工况下的流场进行空化数值模拟分析.根据模拟结果获取了该泵的空化特性曲线,对开始发生空化、临界空化和空化严重3种工况下叶轮内的空化现象进行分析,并找到混流泵空化断裂和扬程下降的原因.数值模拟结果和试验结果一致,误差在5%以内.模拟分析结果表明:流道内的空泡增多到一定程度后会使液体发生边界层分离,产生旋涡,通过叶轮流道内空泡体积分数和叶片背面流线分布图可以看出,旋涡是导致该混流泵空化断裂工况下扬程下降的最主要原因,初步揭示了混流泵内空化流场的分布规律.     

轴流泵空化流动的非定常特性研究

为了研究轴流泵内部空化流的非定常特性,基于ANSYS CFX软件,应用SST k-ω湍流模型和RayleighPlesset的均相流空化模型,对一台轴流泵在最优工况点下的空化流场进行了定常与非定常数值模拟,获得轴流泵的外特性与空化性能,并与试验结果进行了对比。同时对泵内不同位置、不同空化余量下的压力脉动进行了时域和频域分析。结果表明:空泡首先出现在叶片背面进口边轮缘处,随着空化余量的降低,空泡逐渐向叶片中部发展,直至覆盖整个叶片背面;空化的发生会改变叶片背面的压力分布,影响泵的性能;叶轮进口和出口处监测点的压力脉动具有明显的周期性,全部有3个波峰和波谷,与叶片数紧密相关;空化发生后,不同工况下叶轮出口压力波动均明显增强,且其主频均为叶频。     

反应堆冷却剂模型泵空化性能数值模拟与试验

为研究CAP1400核主泵事故工况下的空化性能,采用标准k-ε模型和 Mixture模型,开展了CAP1400核主泵1∶2.5模型泵的整机空化数值模拟.分析了模型泵空化初生时的空化特性和不同空化余量下叶轮内空化发展规律,以及叶片中间流线上的载荷特性,并采用砂铸叶轮、精铸铝制叶轮与砂铸导叶结合开展了模型泵性能的试验研究,结果表明：蜗壳与叶轮的相对位置对叶轮内空泡体积分布具有一定的影响,靠近蜗壳出口的叶片吸力面空化更加严重,空化的排挤效应改变了叶片进口附近的液流角并导致压力面前缘出现空化;空化对叶片载荷影响较大,发生空化后叶片载荷在沿流线吸力面空泡结束的位置附近会出现极大值,且叶轮内空化区域的不均匀分布加大了不同叶片之间的载荷差异,靠近蜗壳出口的叶片沿流线压力载荷的极大值最大;叶轮的制造精度对泵的空化性能有较大影响.     

蜗壳式混流泵空化特性分析

基于Rayleigh－Plesset空化模型和剪切应力输运湍流模型(SST),应用计算流体动力学(CFD)技术,对比转速ns=449的蜗壳式混流泵设计工况下的流场进行数值模拟．根据模拟结果获取了该泵的空化特性曲线,捕捉到混流泵内空化的发生和发展过程,对开始发生空化、临界空化和空化严重3种工况下叶轮内的空化现象进行分析．分析结果表明:该泵空化性能满足设计要求; 混流泵叶轮内的空化现象最初发生在叶轮流道内,随着净正吸头的降低,叶片背面靠近轮缘处开始出现空泡,该空化区域从轮缘向轮毂方向延伸．在空化严重时会造成叶轮流道的严重堵塞,导致混流泵扬程的下降.     

灯泡式贯流泵空化流的数值研究和性能预测

采用RNG k-ε湍流模型、完全空化模型对低扬程灯泡式贯流模型泵设计工况下的空化流动进行全流道数值计算,并预测其汽蚀性能曲线.选择包括空化开始出现、临界汽蚀余量点、空化严重时6个工况比较分析贯流泵内部空化流动的发展情况.计算获得了不同汽蚀余量时灯泡式贯流模型泵叶轮叶片吸力面静压、气体体积分数分布以及不同轴截面上的气体体积分数分布.计算结果表明:在给定的计算流量条件下,空化发生初期,空化发生在叶轮叶片吸力面的进口边,随着有效汽蚀余量的降低,预测了叶轮流道内的空化区域的演变,这些现象将会影响贯流泵的能量特性;在给定流量的其他空化条件下,当汽蚀余量为0.81 m时,Z=-20 mm横截面上的气体体积分数超过10%的区域占据了Z=-20 mm横截面进口流道的1/3,此时大量气泡严重堵塞叶轮流道.该灯泡式贯流泵空化流动的所有计算成果都可以被用来优化贯流泵的水力与结构设计.     

叶顶间隙对斜流泵叶轮内部空化流动的影响

为了研究不同叶顶间隙值对斜流泵叶轮内部空泡稳定性的影响,获得叶顶间隙的最佳范围,基于标准SST k-ω湍流模型和均相流模型对斜流泵内部空化流动进行了数值模拟.结果表明:叶顶间隙对斜流泵叶轮内部空化性能有显著影响,小流量工况下随着叶顶间隙的增大,叶顶泄漏涡的湍流尺度和强度逐渐增加,临界空化数随着叶顶间隙的增大而逐渐减小;当临界空化数为0.357时,较大的叶顶间隙可以抑制叶片表面的初生空化;当叶片发生严重空化时(σ=0.123),较小的叶顶间隙抑制叶片表面产生大尺度空泡;当叶顶间隙较小时,空泡团稳定附着在吸力面;随着叶顶间隙的增大,空泡脱落区向主流移动并聚集在叶片吸力面中部,空化体积分数逐渐增大.     

叶片数对离心泵小流量工况空化特性的影响

为研究小流量下离心泵的空化特性,采用ANSYS CFX 14.5,基于k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型,以3种叶片数叶轮的IS50-65-160型离心泵为研究对象,对其内部空化流动分别进行了数值模拟。为了提高数值计算准确性,进行了网格无关性分析,且从泵空化性能、叶轮所受扭矩及轴向力分析了叶片数对泵小流量下空化特性的影响规律。研究结果表明:当叶片数从4增加至8时,离心泵扬程增加,但其效率变化较复杂。小流量工况下,随着空化系数降低,各叶片数叶轮扭矩与泵扬程均不同步地发生陡降,且出现相似地匍匐下降规律;当扬程下降3%后,各叶轮所受轴向力的大小几乎恒定;单个叶片流道的空泡体积出现突增,明显较其他叶片流道大,各叶片流道空泡分布极不对称。研究发现,离心泵扬程及扭矩匍匐下降特性很可能与不对称叶片空化相关。     

离心泵内部空化流动的数值预测

为了研究离心泵内的空化流动,将完整空化模型和混合流体两相流模型相结合,对比转速为95的离心泵叶轮在设计工况下的空化流动进行数值模拟.介绍了空化流动的模拟方法,通过计算获得了叶片表面压力分布,并得出了该离心泵的有效空化余量一扬程落差特性曲线,有效地预测了流道内空蚀发生的部位和发展情况.结果证明,叶轮内空化区域的增长使离心泵的扬程下降,影响到泵的运转特性;当泵内发生少量空泡时,不会影响到外特性的变化,而当空泡大量发生时,会堵塞流道,使液流连续性破坏,性能下降,这与理论结果基本吻合,计算值与规定值的误差在5%以内.数值模拟计算方法较好地模拟了离心泵内的空化两相流的静态特征.