液体射流泵内部流动分析:Ⅰ试验与三维数值模拟

对偏向吸入和水平放置的液体射流泵的基本性能和内部流动分别进行了试验和三维数值模拟．数值模拟采用k-ε双方程湍流模型和SIMPLE算法,数值模拟结果与试验结果在最高效率工况附近基本重合．利用数值模拟结果对射流泵内两股流体的混合过程和流动规律进行了分析,发现对于大流量工况(流量比q>08),在喉管入口06倍喉管直径长度内,出现由局部损失和摩阻损失引起的当地压力比降低,被吸流体能量损失的现象;随着流量比的增大,单位被吸流体获得能量减少,两股流体传能距离增加,速度混合均匀长度为6～8倍喉管直径,大于喉管内压力比达到峰值的长度;喉管内两股流体混合流动过程与形成充分发展湍流过程类似;对偏向吸入的射流泵,吸入腔体内流动不对称,导致内部截面存在二次流动诱导旋涡,但是喉管内二次流动速度远小于主流速度,因此采用二维理论分析能够反映射流泵性能的主要特征．     

液体射流泵内部流动分析:Ⅱ理论计算参数确定

推导了射流泵理论模型方程中计算参数与断面几何和流动参数的关系,利用数值模拟结果,确定了理论模型中的计算参数,分析了理论计算参数随流量比的变化规律．结果表明:反力分布系数c1与吸入面积比c在最优工况近似相等,而随着流量比偏离最优工况,两者偏差增大;利用c值代替c1值不会导致理论计算结果显著误差;工作流体速度一定条件下,动量修正系数k1不随流量比变化而变化,近似为常数;k2随流量比变化呈双曲线形状,随着流量比增大,逐渐趋近于1;喷嘴流速系数1、吸入管路流速系数4为常数;扩散管入口断面流速分布均匀性对扩散管流速系数3值有重要影响;喉管流速系数2及喉管入口收缩段流速系数5随流量比增加而线性减少,是影响理论计算结果的主要参数．理论计算结果与试验结果吻合较好,验证了计算参数确定方法的可行性和理论模型的可靠性．     

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．     

基于环对称掺气的液体射流泵试验研究

为改善液体射流泵性能,提出了在喉管处环对称掺气的方法.通过射流泵水力试验,研究了不同掺气条件下各流量比工况的基本性能及空化特征.试验表明:喉管适量掺气后,未达到极限流量比工况时压力比总体略有提升,效率变化率增值为0.3%~4.9%,接近极限流量比时增效最为明显;极限工况时掺气可以改善空化性能,实测喉管及扩散管的压力脉动明显减弱,且射流泵极限流量比有所增加、正常工作范围变大;较优的掺气率(空气与混合液的体积流量比)约为2%~3%.研究表明:与水相比,空气的黏度系数很小,少量空气被液体携带着贴管壁流动,可降低近壁面水流阻力、减小沿程水头损失,有利于提高射流泵传能效率.在极限工况时空气自然吸入可提升喉管内压力,减免射流泵空化、改善运行性能.环对称掺气的研究成果,可为液体射流泵的性能优化提供参考依据.     

喷管结构对环形射流泵流场的影响

为探究喷管结构对环形射流泵流场的影响，对喷管直角转弯与弧形转弯两种条件下的环形射流泵进行了数值模拟研究，对环形喷嘴出口直段开展计算分析。结果表明：喷管直角转弯时流场在喷嘴、喉管和扩散管环周分布不均，喷管弧形转弯时环形喷嘴形成均匀射流，有利于工作液与被吸液的均匀、对称混合及传能，各流量比工况下压力比及效率均有所提升。环形喷嘴出口设置（0.5～1）倍出口宽度的直段可改善环形射流泵的性能，在中低流量比时效率最高可提升1%；同时，直段有助于平稳喷嘴出口的压力，减小喉管入口附近回流区的范围和压降的幅度。研究成果可为环形射流泵全域流场分析、喷管结构设计提供依据和支撑。     

射流式离心泵非设计工况下内部流动研究

为了研究射流式离心泵在非设计工况下的内部流动特性,选取JETST-100型射流式离心泵作为研究对象,运用CFX软件提供的RNG k-ε湍流模型,对模型泵内部流动情况进行了三维非定常数值模拟,得到各过流部件内部的速度场和压力场分布等流动信息,比较了在不同运行流量下,射流器进口和喉管处质量流量的变化情况,并将模拟结果与试验进行对比。结果表明:射流器内部压力最高区域在喷嘴进口处,低压区域在喉管附近,喷嘴附近速度最大,抽送液体的进流口速度最小;叶轮中流出的液体大部分回流至射流器进口,随着泵运行流量的减小,回流所占射流器喉管处质量流的比例增加;对叶轮内的流动分析显示,叶片吸力面的速度普遍高于压力面的速度,进一步影响了该型泵的运行效率。     

多喷嘴液体射流泵的设计及试验研究

为研究多喷嘴射流泵设计方法及结构参数对泵性能影响,提出了基于经验系数多喷嘴射流泵的设计方法,并设计了不同喷嘴参数的射流泵.采用试验方法对射流泵进行了特性测试,结果表明,喉管内部速度梯度较大.说明工作流体与被吸流体混合较快,验证了多喷嘴射流泵能够缩短喉管长度.采用粒子图像测速(PIV)技术,对4喷嘴射流泵的内部流场进行了测量,得到射流泵内部流场的速度和湍动能分布,结果表明喉嘴至喉管入口段径向速度梯度较小,轴向速度梯度较大.试验结果为多喷嘴的理论计算和合理设计提供了可靠的依据.     

不同流量工况下斜流泵内部流场PIV试验

为了探索斜流泵的内部流动特性并优化斜流泵设计,基于粒子图像测速技术(PIV)对斜流泵内部流场进行测量,分析了不同相位叶轮截面处的流线和速度分布以及小流量工况下的涡量分布。研究结果表明,在小流量工况下,由于受到叶片压力面旋涡流动和吸力面脱流的影响,叶轮内部的流动呈现径向运动趋势,且流动紊乱;随着流量增大,叶轮流场流线逐渐向轴向方向移动并沿着轮毂轮廓线流动,在大流量工况下叶片压力面附近靠近端壁处形成明显的旋涡结构。0.6倍流量工况下,当叶轮进口进入拍摄断面时,在叶轮内部形成一个顺时针旋转的负涡;当叶轮出口进入拍摄断面时,在导叶进口外缘出现正向涡量集中区域,且随着叶轮的转动该区域向导叶进口方向移动;当叶片出口远离拍摄断面时,在导叶进口处出现负涡量区,揭示了斜流泵叶轮和导叶动静相干过程中能量损失的内在原因。     

多喷嘴液体射流泵的设计及试验研

为研究多喷嘴射流泵设计方法及结构参数对泵性能影响,提出了基于经验系数多喷嘴射流泵的设计方法,并设计了不同喷嘴参数的射流泵。采用试验方法对射流泵进行了特性测试,结果表明,喉管内部速度梯度较大,说明工作流体与被吸流体混合较快,验证了多喷嘴射流泵能够缩短喉管长度。采用粒子图像测速(PIV)技术,对4喷嘴射流泵的内部流场进行了测量,得到射流泵内部流场的速度和湍动能分布,结果表明喉嘴至喉管入口段径向速度梯度较小,轴向速度梯度较大。试验结果为多喷嘴的理论计算和合理设计提供了可靠的依据。     

多喷嘴射流泵流场的数值模拟与PIV测量

为研究多喷嘴射流泵性能和内部流场特征,设计了不同结构的多喷嘴射流泵试验模型.采用k-ε湍流模型和壁面函数法对不同参数下的多喷嘴射流泵进行了数值模拟,模拟结果表明,喷嘴数和喷嘴角度及喉嘴距对射流泵工作性能影响较大;在吸入室及喉管入口处湍动能较大.利用PIV系统对不同结构射流泵内部流场进行了三维测量,获得了射流泵对称面流场的速度矢量和湍动能等值线图.试验结果表明,其速度梯度衰减得愈快,工作流体和被吸流体混合距离越短.验证了多喷嘴射流泵可缩短喉管长度.测量结果证明数值模拟的正确性,为多喷嘴射流泵理论研究和合理设计提供了理论依据.     

气送式水稻施肥机输肥装置气固两相流仿真分析

通过计算流体动力学和离散元法耦合的方法对气送式水稻施肥机的气体肥料混合腔进行气固耦合数值研究。在数值模型中,使用EDEM软件模拟肥料颗粒,ANSYS Fluent软件描述气体相。通过研究混合腔喉部面积、喉部长度、气体入口压力和肥料排出速率的影响,分析气体和肥料的运动规律。模拟结果表明,2型喉管的气体肥料混合腔断面性能良好,喉部压力损失较小,气流速度最快。喉部面积和气流入口压力主要影响气流出口速度和混合腔轴向方向的肥料颗粒速度,肥料颗粒的移动受混合腔喉部长度和肥料进料速率的影响较小。喉部截面积的增加导致气流速度和压力损失在一定范围内下降。随着气流入口压力的增加,肥料所受合力和肥料颗粒速度均增加,适宜的气流入口压力为450~550Pa。结果表明,CFD-EDM耦合方法作为理解气流场中肥料颗粒运动规律的分析工具是可靠的,基于CFD-EDM耦合方法的肥料颗粒运动的数值模拟可为水稻侧深施肥装置的开发提供理论依据。该研究得到的优化后气体肥料混合腔结构参数及气动参数,对现有气送式水稻施肥机输肥装置的优化改进具有指导意义。     

低比转速半螺旋吸水室双吸泵流场的数值分析

在CFD软件Fluent中采用考虑了旋转与曲率影响的RNG湍流模型,对具有半螺旋形吸水室的单级双吸离心泵进行了全流道（包括吸水室流道在内）数值模拟计算.结果发现,在叶轮流道内流速沿叶轮进口到出口逐渐增大;在叶轮流道前半部,靠近压力面处的流速明显大于吸力面,叶轮流道内压力分布基本和设计相符.通过对半螺旋形吸水室流道内部流场数值模拟结果进行分析后发现,在设计流量点,半螺旋流道出口隔舌及密封体处出现漩涡,并随着流量的增大漩涡逐渐明显,对叶轮进口产生影响.该结果对双吸泵及其进水流道进一步的性能优化设计提供了依据.     

长中短叶片复合叶轮离心泵流动数值模拟

基于雷诺时均N-S方程和S-A湍流模型对具有长中短叶片的复合叶轮离心泵内部的流动进行了三维紊流数值计算和分析,获得了过流部件内部的速度场、压力场的分布规律。由于蜗壳和叶轮的联合作用,叶轮通道内流动都是不对称的,除了靠近喉部叶轮通道外,其他两个通道内液流流动的规律和单通道内比较相似,易产生回流的位置也是在长叶片吸力边进口处,靠近长叶片压力边的中部,及靠近吸力边出口处的短叶片通道内;蜗壳对于靠近喉部流道内的流动影响比较大,靠近蜗壳喉部叶轮出口处的相对速度较大,同时在靠近蜗壳喉部的叶轮出口处的通道内较易形成回流区域;叶轮中的静压和总压从进口到出口逐渐增加;从叶轮出口流出的液流在进入蜗壳中时,在蜗壳靠近壁面处有形成旋涡的趋势,蜗壳中的液流螺旋形地向前运动。     

嵌入旋转气腔式水稻穴直播排种器设计与试验

针对气吸式排种器气压利用不充分、种盘旋转与橡胶垫存在摩擦、穴播均匀性差等问题,设计了一种嵌入旋转气腔式水稻穴直播排种器。基于ANSYS软件对腔体内部流场进行模拟仿真,以吸孔孔径和吸孔位置分布为影响因素、以气腔压力平均值和吸孔处的平均流速为评价指标进行数值模拟仿真研究。仿真结果表明：气腔流场分布比较稳定,可为吸种提供稳定的负压环境。应用JPS-12试验台进行试验验证,以气腔转速、负压和填种高度为影响因素,以播种合格率、漏播率和重播率为评价指标,进行三因素五水平二次正交旋转组合试验,运用Design-Expert 8.0.6对数据完成方差分析和显著性检验,得到回归方程和响应曲面图,通过分析各因素间的交互作用,确定了最佳参数组合：当气腔转速为21.61r/min、气腔负压为4.4kPa、填种高度为15.7cm时,作业性能最好,此时播种合格率93.6%,漏播率3.47%,重播率2.93%。试验结果与优化结果相符,满足粳稻穴直播要求。     

混输泵半螺旋形吸入室不同含气率的气相分布

利用CFD模拟计算软件，对轴流式油气混输泵半螺旋形吸入室在不同含气率时的流场进行了模拟分析，得出了各含气量时的气相分布规律，分析了气体积聚和旋涡形成的原因。根据分析结果，加大了吸入室从径向转向轴向时过渡区的断面面积和圆弧半径；增大了隔舌处的过渡圆弧，减小了出口端隔舌的厚度。样机试验表明，泵效率和含气率均明显提高，说明采取的措施是有效的。     

文丘里施肥器空化过程高速摄像分析

针对文丘里施肥器运行中喉部负压越低,吸肥流量越大,但负压过低易出现空化,严重时会磨损内部流道表面,最终影响吸肥流量和微灌系统的施肥均匀性这一问题,采用高速摄像技术拍摄1.5"文丘里施肥器工作过程的内部流动,分析空化与进口压力和进出口压差的关系,以及空化对吸肥性能的影响.结果表明:空化首先发生在文丘里施肥器的收缩段和喉部连接处.随着进出口压差的增大,空化程度逐渐加剧,空泡由喉部延伸至扩散段,同时吸肥流量的增长速度逐渐降低,直至压差增大至某值发生临界空化后,吸肥流量不再增大.喉部吸肥流量增大会对工作流体产生冲击,引起扩散段内的空泡向上方聚集,产生非均匀分布,此外扩散段后半段出现明显回流现象,引起空泡周期性脱落.     

半螺旋形吸水室对离心泵压力脉动特性的影响

以某型号双吸泵为研究对象,分析了半螺旋形吸水室几何参数对离心泵内部不稳定流场压力脉动的影响。在保证吸水室基本几何参数不变的情况下,通过改变吸水室断面形状与隔舌位置而设计了2种计算方案。基于Navier-Stokes方程和标准的 双方程紊流模型,采用贴体坐标、非结构化四面体网格和SIMPLEC算法,分别对不同设计方案的双吸离心泵进行全流道非稳态数值计算,得到各设计方案下离心泵监测点的压力脉动特性,并对其分析。计算结果表明：方案Ⅱ随着吸水室断面形状的改变,以及隔舌位置由与水平线成90o变为45o,吸水室内监测点的压力变化时域曲线趋于均匀、平缓;在压水室中,由于隔舌处监测点主要受隔舌与叶轮的动静干涉的影响,两种方案的压力脉动情况几乎一致,而其他监测点的压力变化均匀性方案Ⅱ明显优于方案Ⅰ,从而提高了机组运行的稳定性,为进一步研究双吸离心泵吸水室的设计提供了理论和实际应用参考。     

蜗壳式混流泵轴向力的数值计算与试验验证

以某型号蜗壳式混流泵为例,构建基于压力分布理论的无泄漏模型,提出并构建基于泵腔体内真实流动的泄漏模型,分别对2种模型在0.03Q_opt~1.20Q_opt工况下的流动进行仿真模拟,计算得出其轴向力随流量变化的曲线,并将数值计算结果、理论计算结果与试验结果进行对比,详细分析了不同轴向力计算方法的准确性及泄漏流动对轴向力的影响.结果表明:叶轮盖板后腔压力是混流泵产生轴向力的主要因素,泄漏流动可以有效降低其内部压力;基于无泄漏模型的数值计算法和理论计算法均建立在盖板腔内无泄漏的假设之上,忽略了泄漏流动对轴向力的影响,导致计算结果存在较大偏差,2种计算方法的最大误差分别为25%和44%.基于泄漏模型的轴向力数值计算数据与试验数据比较接近,最大误差在10%以内,计算精度大幅提升,说明基于泄漏模型的轴向力数值计算方法具有更高的准确性和可行性.