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,提出了喷水推进器非均匀进流需要进一步深入研究的内容和方向.     

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.     

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.     

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.     

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.     

非均匀来流对乏燃料冷却泵性能的影响

非能动技术核电厂中的乏燃料冷却泵进口前有弯头存在,将导致进口来流不均匀,这种非均匀来流会对泵性能产生一定的影响.采用数值模拟方法,针对乏燃料冷却泵不同来流条件下的性能曲线以及来流流场结构的演化进行对比分析.分析结果表明:非均匀来流对乏燃料冷却泵外特性影响较小,虽然泵的进口处存在较为明显的来流畸变,流场速度分布紊乱,但是乏燃料冷却泵在渐缩段及肘形进水室的结构设计可减弱来流非均匀性的影响,叶轮进口处的影响几乎不存在.由此证明乏燃料冷却泵特殊的肘形进口结构能对来流重新整合,从而降低来流对泵的性能影响,在核电厂进口管道的设计上不需采用较长的进口管段.     

间隙回流角度对全贯流泵水力性能的影响

为了研究不同间隙回流角度对全贯流泵水力性能的影响。采用CFX软件对全贯流泵装置进行三维数值模拟,分析不同间隙回流角度下的全贯流泵内部流态和性能。首先,针对初始方案,设计2种间隙回流角度并进行数值模拟计算,再分析全贯流泵的内特性和外特性,最后通过模型试验测试验证数值模拟的可靠性。结果表明:主流靠近叶轮进口轮缘处受到间隙回流的影响,轴向速度减小,径向速度增大;间隙回流角度顺着叶轮内流场的方向,间隙回流出口的流量对叶轮进口处的流场影响较小;小流量工况下,叶轮室内流场不稳定,同时间隙回流对叶轮进口轮缘处产生的影响较大,因此避免水泵在小流量工况下运行。但是回流角度的变化会影响全贯流泵的轴功率,增大了圆盘间的摩擦扭矩,进而增加了轴功率,导致效率降低。研究对全贯流泵的优化具有重要的理论意义和指导意义。     

叶片进口修圆对斜流泵性能影响的CFD分析

选取一台比转速为425的斜流泵为研究对象,研究叶片进口修圆对斜流泵性能的影响。首先建立叶片工作面、背面进口修圆和无修圆2种叶轮的三维模型,然后采用ICEM进行非结构四面体网格划分,最后基于Ansys CFX 15.0对2种方案进行CFD定常计算,得到了模型泵设计工况下的外特性以及内部流动信息。依据CFD计算结果分析了叶片进口修圆对斜流泵性能的影响。性能预测结果表明叶片进口处修圆会使模型泵的扬程降低1.6%,效率降低0.8%。内流分析结果表明叶片进口修圆后可以改善叶片进口处的压力和速度分布,但容易导致在叶顶间隙处出现强漩涡,从而使泵性能下降。     

斜流泵小流量工况压力脉动数值模拟与实验

基于标准的Smagorinsky亚格子尺度模型,对斜流泵全流场进行大涡模拟并结合压力脉动实验对小流量工况下的压力脉动和内部流场进行研究。实验结果表明,叶轮进口处的脉动幅值最高,随着流量的降低压力脉动幅值逐渐增加,不同工况下叶轮进口、叶轮出口、导叶进口的压力脉动主频为叶频,但导叶出口脉动主频随着流量的变化而变化。大涡模拟表明,0.8Qopt工况下叶轮进口流动状态较好,叶轮进口轴面速度变化较小,而在0.4Qopt工况下叶轮进口流动状态较复杂,轴面速度变化较大,0.4Qopt工况时叶轮进口冲角增加以及受到相邻叶片叶顶泄漏流的影响,在t*=0.041 6时叶片进口吸力面已发生流动分离,当叶轮从t*=0.041 6旋转到t*=0.124 9时,叶片吸力面流动分离加剧,轮缘处的轴面速度明显升高,同时分离涡的旋转强度也逐渐增强,导致该区域的静压下降,逆压梯度上升,促使回流的产生,当回流到达叶片进口时进口处的静压逐渐恢复,因此叶轮进口流动分离是引起叶轮进口压力脉动幅值增加的重要因素。     

潜水轴流泵内部流场压力脉动的数值模拟

流场压力脉动对轴流泵的运行稳定性具有重要影响,为了准确分析潜水轴流泵的压力脉动特性,采用RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对ZQA系列潜水轴流泵进行了全流道三维流动数值模拟和压力脉动分析.计算结果表明：轴流泵的扬程、功率、效率等外特性计算结果与试验结果基本吻合;轴流泵内部叶轮进口截面压力脉动幅值最大,泵内的压力脉动的主要频率与叶片通过频率相同,导叶后的脉动以低频为主,叶片表面从轮毂到轮缘压力脉动低频成分逐渐减少;在叶片工作面,压力脉动的幅值从轮缘到轮毂逐渐减小,从叶轮进口到出口逐渐增大.叶片进水边轮缘处压力脉动的幅值是轮毂处的1.22倍.在叶片背面,叶片进水边轮缘处压力脉动的幅值是轮毂处的1.77倍,出水边轮缘处压力脉动的幅值是轮毂处的0.92倍,叶片背面的压力脉动幅值明显小于工作面;叶轮进口截面,在0.8Q工况流量下压力脉动最大,为设计工况的2倍.计算结果为进一步分析轴流泵压力脉动提供了参考.     

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.     

对旋轴流式喷水推进泵的进口预旋

为了研究喷水推进泵在小流量下效率下降较快的原因,应用计算流体动力学方法对不同工况下的喷水推进泵进行数值模拟,研究进口预旋的产生和发展,分析进口预旋对效率的影响以及转速对进口预旋的作用.结果表明:在设计工况Q_d时,首级叶轮进口的绝对速度圆周分量v_u接近0,基本不随流道半径的变化而变化,进口预旋可以忽略;0.8Q_d时,v_u随流道半径的增加出现小幅增大,仅仅在轮缘处有较小的正预旋;从0.6Q_d开始,预旋变化明显,流量越小,预旋变化越大.小流量下,降低首级叶轮的转速,可以有效地改善进口预旋,提高泵的效率;通过调节叶轮转速,可以有效地改善泵内部的流动状态并通过比较分析出小流量相对较优的转速.研究结果对于其他比转数的喷水推进泵的进口预旋分析具有重要的指导意义.     

基于径向基神经网络的叶轮轴面投影图优化

为了提高余热排出泵的效率,采用拉丁超立方试验设计方法对叶轮轴面投影图上的前盖板圆弧半径、后盖板圆弧半径、前盖板倾角和后盖板倾角4个几何变量进行35组叶轮方案设计,应用ANSYS CFX 14.5软件对余热排出泵进行定常数值模拟,得到设计工况下的效率,应用径向基神经网络建立效率与轴面投影图的4个几何变量之间的近似模型,最后采用遗传算法对近似模型进行极值寻优,获得最优的轴面投影图几何参数组合。研究结果表明:对比原始泵的数值模拟性能曲线和试验外特性能曲线,两者吻合较好;径向基神经网络能较好地预测泵设计点效率;优化的轴面投影图使得余热排出泵的水力效率提高了6.18个百分点,改善了叶轮内流场特性。因此,叶轮轴面投影图的优化设计方法是可行的。     

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.     

前后盖板长度对离心泵外特性与非定常特性的影响

为了研究前后盖板保留长度对离心泵外特性以及非定常特性的影响,以一台比转速为80的离心泵为研究对象,在切削叶轮的叶片外径保持不变的情况下,对比了不同前后盖板直径(168、174和180 mm)对外特性、径向力和压力脉动的影响。通过对离心泵进行全流场非定常计算发现,各流量下扬程、效率均随前后盖板保留长度的增加而增大,扬程最大相差2.14 m,效率最大相差3.5%;在设计工况下,3种方案下的径向力呈周期性变化,矢量图呈五芒星分布,前后盖板保留得越多,径向力越大;由于叶轮与隔舌动静干涉的作用,蜗壳内各监测点压力脉动的主频均为叶频,随着叶轮与蜗壳间间隙的减小,隔舌处的压力脉动在叶频处基本保持不变,其倍频逐渐增大,第二断面的压力脉动系数幅值也逐渐增大。     

二维撒施畦灌地表水流溶质运移模型：Ⅰ建模

基于二维畦灌全水动力学模型模拟的地表水深及畦面任意点垂向均布的流速场,通过把湍流垂向流速分布律由标量推广为矢量形式,并结合不可压缩流体力学连续性方程,构造了沿二维畦面及垂向非均布的三维流速场;利用能够描述二维畦面及垂向三个维度的溶质浓度场非均布变化特征的对流-扩散方程,描述传统撒施下的二维畦灌地表溶质运移过程,采用构造的三维流速场,基于湍流近壁模型构造了溶质扩散系数,从而构建了肥料撒施畦灌地表水流溶质运移控制方程;借助于畦灌地表水流模型中的薄水层假设,构建畦面溶质浓度初始条件,并采用一级动力学方程和任意点的固态溶质总量守恒特征,构建了撒施的肥料溶解与输运过程边界条件,从而构建起撒施肥料下的二维畦灌地表水流溶质运移模拟模型.     

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.     

不同翼型轴向积叠的轴流泵水力性能及内部流态

为了研究叶轮翼型轴向积叠方式对轴流泵水力性能和内部流场的影响,以轴流泵模型ZM25为基础,设计了5种不同方式的翼型积叠方案.保持轮缘处的翼型断面不变,其他翼型断面中心沿斜向直线积叠,积叠角度分别为-8°,-4°,0°,+4°和+8°.基于CFX对5种方案在不同运行工况下的水力性能与内部流态进行预测模拟,并将计算结果与试...     

轮毂轮缘对混流泵叶轮三元反问题设计的影响

为提高叶片设计可控度,开展轮毂与轮缘对混流泵叶轮三元反问题设计的影响研究.基于一种无黏与有黏迭代的叶片三元反问题设计方法,以某比转数n_s=449的混流泵为研究对象,在保持叶片载荷分布、进口环量、出口环量等控制参数不变的基础上,通过改变轮毂与轮缘形状设计出系列叶轮.基于剪切应力输运(SST)湍流模型和SIMPLEC算法,对叶轮内流场特性进行数值计算.结果表明:轮毂与轮缘对叶片几何造型与流场特性具有重要影响;通过轮毂与轮缘调节可优化叶轮高效区范围,过流通道面积增大使大流量工况效率有所提高;轮毂形状对轮毂流面的压力分布影响较大,轮缘形状对整个叶片压力分布有较明显影响,叶轮出口过流通道面积过小将造成轮毂流面出现压力波谷现象.三维反问题设计和三维正问题数值模拟相结合的方法可在混流泵设计中发挥重要作用,具有一定的工程应用价值.