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.     

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.     

对旋轴流式喷水推进泵空化流动数值模拟

基于ANSYS CFX软件,利用Rayleigh-Plesset空化模型和SST湍流模型,在设计工况下,分别对首、次级叶轮单独以及对旋轴流式喷水推进泵整体进行了空化定常模拟,得到了各自的空化特性曲线.选择空化开始发生、临界空化点以及空化严重时3个工况比较分析首、次级叶轮内空化流动的发展情况.计算获得了不同净正吸头下叶片工作面、背面静压、背面空泡体积组分分布.计算结果表明,空化最初发生在首级叶轮叶片背面进口靠近轮缘的局部低压区,随着NPSH的减小,该空泡区域从轮缘向轮毂方向延伸.首、次级叶轮空化发展不同步,由于次级叶轮处于首级叶轮的预压下,首级叶轮发生空化时,次级叶轮并没有发生空化.计算结果从理论上较好地揭示了对旋轴流式推进泵空化性能的特点及其内部空化流动的特征.     

非均匀进流下喷水推进泵进流速度场的数值分析

为具体描述喷水推进泵非均匀进流的结构特点,并深入探究非均匀流对喷水推进泵性能的影响,运用CFD-Post软件提取进水流道的出流速度场,将其Profile Data文件定义为喷水推进泵的附加进流条件,数值计算非均匀进流下泵的水动力性能,并与均匀进流下的仿真结果进行比较,获得了喷水推进泵扬程和效率的降幅曲线,其下降幅值随进流场不均匀度的增大而上升.围绕喷水推进泵叶轮进口边的周向平均速度分量,具体分析泵在非均匀进流场中性能下降的原因.结果表明,喷水推进泵的传统设计方法无法满足实际工作要求,相关假设在非均匀进流中也不再适用.其中,非均匀进流场中进口预旋不可忽略;叶轮进口轴面速度和环量不再遵循线性分布规律;圆柱面无关假设也不再成立.非均匀进流对叶轮的干扰集中于叶片进口轮缘处,二次回流的出现堵塞了流道,降低了泵的过流能力,同时诱发叶片轮缘处的载荷突变,降低了泵的做功能力.     

喷水推进泵非均匀进流研究进展

针对喷水推进泵运行过程中存在的非均匀进流,从驱动轴扰动、船舶边界层厚度以及进水流道结构等方面分析了非均匀进流的成因,探讨了进口速度比IVR和船舶航行速度对不均匀度产生的影响,总结了非均匀进流的不良效应.当进口速度比IVR以及船速增加时,进流面不均匀度也随之增加,进流品质逐渐恶化.非均匀进流下,泵进流面存在径向速度与压力梯度,导致喷水推进泵在工作过程中会出现回流、二次流、流动分离等失稳现象,内部涡旋扰动代替系统扰动催生失速,导致能量耗散.同时,叶片载荷、空泡体积分布以及压力脉动也呈现出高度不均匀性.基于近年来国内外对非均匀进流的研究现状,提出了喷水推进泵非均匀进流需要进一步深入研究的内容和方向.     

导叶叶片数对喷水推进泵瞬态特性的影响

为揭示喷水推进泵不同导叶叶片数时的瞬态特性规律,基于DES混合模拟和FEM声学有限元方法,对喷水推进泵流场和声场进行数值模拟,并进行试验,验证了瞬态特性数值计算方法的准确性,研究了不同导叶叶片数(Z=5,6,7)对喷水推进泵推力、压力脉动、内流诱导噪声等性能的影响规律.结果表明：随着导叶叶片数增大,喷水推进泵推力先减小后增大,流量逐渐减小,转矩逐渐增大;导叶叶片数对叶轮出口压力脉动分布规律影响较小,对压力脉动主频处幅值有较大影响,轮毂处压力脉动幅值受导叶叶片数增大先减小后增大,轮缘和流道中心处幅值随着导叶叶片数增大逐渐减小;导叶叶片数变化会改变内流诱导噪声主频,增大导叶叶片数有利于降低喷水推进泵内流诱导噪声主频处幅值和总声压级.     

无轴式喷水推进泵的水动力特性

为提高现有SDPM-450型喷水推进泵的水动力特性,提出了无轴式喷水推进泵的理念.采用齿轮轮缘驱动结构代替原有的皮带轮--驱动轴传动结构,避免了驱动轴对泵进流场的扰动作用.应用商业CFD软件分别对无轴式喷水推进泵和原模型进行三维建模和数值计算,围绕理论、内部流动和推进性能3个方面进行水动力特性研究.对比分析表明:驱动轴的摒弃降低了进水流道的损失系数和伴流系数,减小了不均匀进流对喷水推进泵速度场的扰动,进而加强了喷水推进泵的过流能力和做功能力;无轴式结构增强了喷水推进器的推进性能,在高航速区间内尤为明显,推力增大了20%,推进效率提高了15%;高效区间向高航速方向延伸,船舶的航行范围得以拓宽,平均增幅为3~5节.因此,无轴式喷水推进器结构上具有可行性,水动力特性上具有优越性,该研究为喷水推进装置的未来发展提供了一个方向.     

低比转数离心泵进口预旋的数值计算

为研究预旋对泵性能的影响,基于欧拉方程和斯托道拉方法,采用径向前置导叶实现预旋,以CFD软件Fluent为平台,以单级低比转数离心泵为研究对象,改变前置导叶几何参数设计3组方案,通过对3组前置导叶预旋方案进行数值模拟,从内部流场和外特性分析预旋对离心泵无过载性能的影响.结果表明：从内流场上看,预旋越强,导叶出口圆周速度越大.若不考虑边壁影响,圆周速度沿径向由内到外呈增大趋势,沿流动方向,圆周速度略有减小,与速度矩保持定理有一定的偏差.从外特性上看,通过增加预旋获得了陡降的H-Q曲线及平坦的P-Q曲线,并且效率在小流量到额定流量附近还略有提高,因此,通过预旋实现全扬程无过载是可行的.     

旋壳差速效应对旋喷泵性能影响

以旋喷泵为试验对象,完成了旋壳与叶轮同步变转速性能试验以及旋壳与叶轮非同步差速数值研究.为避免各向同性涡黏假设,数值计算选择雷诺应力RSM linear pressure-strain模型,将数值计算与试验结果对比以验证其可信度.结果表明:变转速试验中该泵的流量与扬程符合相似定律,最优效率基本保持不变,各转速下最优效率的最大偏差为3.1%,趋于常数.差速试验中旋壳转速在升高引起径向液体压力梯度增大,导致旋壳内任意位置半径r大于叶轮出口半径r₂区域的液体压力增加,而旋壳内任意位置半径小于叶轮出口半径区域液体的压力降低.受叶轮与旋壳差速扰动影响,集流管进口和尾涡区域湍流动能数值普遍较高,该区域能量损失大,涡的大小、形态、涡心位置随旋壳转速不断变化,主要分布在叶轮出口与流动中心区.与额定工况相比,旋壳转速的升高能够提高旋喷泵的扬程,但由内壁面带动液体快速旋转增加液体能量的方式会导致泵效率下降.旋壳转速在一定范围内的降低有利于能源的高效利用,提高泵效率,该泵试验范围内最优旋壳与叶轮转速比为0.75,研究结果对今后旋喷泵差速运行有指导意义.     

船用喷水推进泵装置水力特性的数值模拟

为了更好地分析喷水推进导叶式混流泵装置的水力特性,通过选取标准k-ε湍流模型,采用计算流体动力学分析软件CFX对包括推进泵、进水流道、船底水体和喷嘴在内的船用喷水推进装置在各流量工况下的运行情况进行了数值模拟,分别从流道水力损失分布、装置水力性能、轴向力和内流场特性等方面展开分析.模拟结果表明:流道进口断面到方变圆断面段几何形状较为复杂,水力损失占总损失比重最大,特别是小流量工况,该比重超过了90%,但随着流量的增大,该比重会减小,其余各段水力损失的比重则增加;装置在0.50Q_d附近进入水力不稳定区,0.76Q_d~1.10Q_d为装置运行的高效区,喷水推进泵装置受到的轴向力随着流量的增大而减小;在小流量工况下,叶槽内流态较为复杂,展向涡、径向涡和泄漏涡均较为明显,随着流量的增大,这些涡均逐渐缩小直至消失.     

斜式轴流泵装置进水流道的正交优化设计

为改善小流量工况下大型斜式轴流泵装置的水力性能,利用J-Groove流动控制手段对泵装置进水流道进行结构改进.利用正交试验设计方法,确定J-Groove的厚度、长度、个数以及分布角等4个几何因素,分别选取3个水平,建立9组正交试验方案.结合滤波器湍流模型(FBM)的非定常雷诺方程,利用Ansys CFX软件对斜式轴流泵装置三维模型进行非定常计算,获得正交方案在小流量工况下的扬程和效率.采用极差分析方法对正交试验方案的数值结果进行分析,研究各几何因素对轴流泵水力性能的影响规律.结果表明:影响扬程指标的几何因素主次关系为厚度、长度、个数和分布角;影响效率指标的几何因素主次关系为厚度、个数、分布角和长度.最后,通过再设计分析确定了最优方案,并与原始方案的流场进行对比分析,验证了J-Groove技术在小流量工况下抑制轴流泵叶轮进口非稳定流态并改善其水力性能的作用.     

船用喷水推进器内部流动特性分析

为了解航速对船用喷水推进器内部流动特性的影响,以轴流式喷水推进器为研究对象,基于ANSYS-CFX软件,采用N-S基本方程和标准k-ε湍流模型,对以额定转速5500 r/min以及不同航速条件下的喷水推进器进行全流域定常数值模拟,得到了不同航速下喷水推进器叶轮叶片在不同切面上的压力载荷情况,各个过流部件上的湍动能变化规...     

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.     

离心泵进水口形式设计及其对振动噪声的影响

为了研究离心泵进口形状对振动噪声的影响,在保证泵体和叶轮几何参数不变的情况下,改变离心泵进水口形式,从试验与数值模拟2个方面对进水口诱导离心泵振动进行研究．采用RNG k －ε模型分别对进口改进前后的离心泵进行全流道稳态及非稳态数值模拟,分别获得2种进口形式离心泵的稳态速度及非稳态压力脉动特性,对其进行对比分析,并测量了不同进水口形式下模型泵机脚的振动信号,对振动信号数据进行处理,以验证仿真结果及修改离心泵进水口所产生的振动影响．结果表明：改进离心泵进口,对其进口及叶轮蜗壳内压力速度分布有一定改善,直进式离心泵比预旋式离心泵对流场影响更小,叶轮及蜗室内各个监测点压力脉动也有所减小,经试验验证机脚振动响应减小了约5 dB．     

Influence of long and short guide vanes on hydraulic performance of water-jet pump

Different guide vane structures will affect the flow inside the pump,and then affect the transformation of the pressure energy and kinetic energy,and change the velocity distribution of the pump outlet.In order to study the influence of long and short guide vanes on the water-jet pump,on the basis of conventional design,eight schemes of guide vane with different vertical heights were designed in the method of computational fluid dynamics for numerical calculation,the performance curve of water-jet pumps with different long and short guide vanes was obtained,and finally the influence of different guide vanes on hydraulic performance and internal flow was analyzed.The results show that all of schemes reducing the height of blade can improve the head and efficiency.In the schemes reducing the height on the shroud,the guide vanes that the height of the blade is equal to the height difference between hub and shroud in impeller have the highest head and efficiency.In all schemes decreasing the blade height,with the increase of the height difference,the velocity increases gradually and the distribution of turbulence kinetic energy becomes more reasonable in the guide vane outlet.The schemes reducing the height on the hub have more reasonable distribution of velocity and turbulence kinetic energy according to schemes reducing the height on the shroud.The guide vanes of long and short blades can be used to stagger the position of the diffusion flow generated by adjacent blades,which can reduce the effect of the velocity circulation and make the flow of the outlet position more stable.     

前置导叶调节混流泵性能的数值模拟

利用有限元分析软件数值求解不同工况下混流泵的内部流场,了解前置导叶调节工况的基本规律,以改善混流泵在非设计工况运行时的水力性能。在叶轮叶片进口部位读取液流流入叶轮时绝对液流角、相对液流角、和绝对速度圆周分量的值,分析其随前置导叶安放角改变而变化的规律。结果表明,叶轮进口绝对液流角小于前置导叶安放角,流量越小相差的幅度越大;大流量工况下进口预旋调节的效果比小流量工况更为明显;在一定流量范围内,通过进口导叶调节使得叶轮进口液流满足无冲击进口或者较小冲角进口条件,可有效地改善混流泵在非设计工况的水力性能。     

高速潜水轴流泵的空化特性

为研究轴流泵内部的空化特性问题,选取1台比转数ns=700的高速潜水轴流泵作为研究对象,利用ANSYS CFX软件进行数值计算,得到外特性曲线,发现在大流量工况下外特性计算结果与试验误差较大.利用Rayleigh-Plesset空化模型和SST湍流模型对潜水轴流泵进行空化定常模拟,求得各工况下泵的临界空化压力,通过分析...     

立式轴流泵装置模型水力性能数值分析及预测

依托南水北调东线一期工程某低扬程泵站的设计参数,基于三维湍流流动雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对由肘形进水流道、轴流泵和虹吸式出水流道组成的低扬程立式轴流泵装置模型内部流动进行数值模拟,分析了小流量工况(0.180 m³/s)、设计流量工况(0.299 m³/s)和大流量工况(0.360 m³/s)等3个典型工况时的泵装置流态和叶轮叶片表面的压力分布情况,对泵装置模型的能量性能进行预测,并与泵装置模型试验结果进行对比分析.结果表明:泵装置效率的数值计算结果与模型试验结果基本一致,最优工况点附近较为接近,在计算范围内最大差值不超过2%;设计流量工况时泵装置进、出水流道内的三维湍流流动状况,与进、出水流道分别进行数值计算时的状况基本一致;3种不同典型工况时泵装置进水流道内的流场分布状况相同,而出水流道内的流场差别很大.对不同工况时立式轴流泵装置模型内部三维湍流流动的研究结果,可为低扬程泵装置多工况水力设计优化研究提供一定的参考.