径向回流平衡孔低比转数离心泵空化性能研究

选用ns=26的低比转数离心泵为计算模型,保证蜗壳和叶轮其他几何参数不变的前提下,平衡孔中的液体分别采用径向回流、传统轴向回流以及无平衡孔结构这3种方案,基于混合流体的连续性方程、动量方程、标准k-ε湍流模型、均质多相模型和Rayleigh-Plesset方程对叶轮内的空化进行数值模拟。计算得到的H-LNPSHa曲线与试验结果吻合较好,验证了计算方法的准确性。研究结果表明:具有径向回流平衡孔的低比转数离心泵平衡孔回流方向与叶轮来流方向基本一致,能够明显改善该泵的空化性能。     

空化对超低比转数离心泵内压力脉动的影响研究

为研究空化对超低比转数离心泵内压力脉动的影响,采用实验和数值模拟相结合的方法,研究了IB 50-32-250型超低比转数离心泵在不同有效汽蚀余量下不同位置处的压力脉动,并对其频域和幅值特性进行了分析。结果表明:空化会诱导产生低频及宽频脉动。无空化时,叶轮流道内压力脉动主频为转频及其倍频,蜗壳内压力脉动受叶轮和隔舌间的相互作用激励,主频为叶频及其倍频,且与隔舌越近脉动越强。随着有效汽蚀余量的减小,叶轮通道中大部分测点的压力脉动幅值减小,但空化区边缘的脉动幅值增大;临界空化时,叶轮进口附近的压力脉动主频由转频变为1/6倍转频。此外,蜗壳内流场的不均匀变化导致蜗壳内压力脉动幅值增大;临界空化时,蜗壳及泵出口处的主频仍为叶频,但1/6倍转频成为幅值较大的次频。     

高比转数离心泵空化状态下的压力脉动特性

通过相似变换得到高比转数离心泵缩小模型,并通过试验和数值模拟发现模型泵和设计泵的性能曲线相近,可代替设计泵进行试验研究.基于RNG k-ε湍流模型,采用SIMPLEC方法求解不可压缩时均方程,通过对离心泵内部流场进行定常和非定常数值模拟,得到不同工况点的外特性、汽蚀及压力脉动特性.并通过模拟结果和试验结果的对比,验证了模拟的准确性.通过模拟发现,额定流量下隔舌处的压力脉动幅值最大;不同工况下各检测点的压力脉动主频均为叶频;隔舌压力脉动最大,进口压力脉动最小.额定工况下压力脉动幅值最小,非设计工况下压力脉动幅值明显增大;通过对空化不同阶段的瞬态数值模拟,发现从未空化到严重空化,不同工况下隔舌和出口处的压力脉动变换规律相同,随着空化发展压力脉动幅值降低,且脉动主频均为叶频;并且随着空化程度加剧,压力脉动高频成分增多,各监测点主频下降明显,并可将此作为判定空化初生的依据.     

叶片进口边穿孔对离心泵空化性能的影响

为了研究叶片进口边位置附近穿孔对离心泵非定常空化性能的影响规律,以某离心泵为研究对象,在叶片进口边同一位置设计了10种孔径大小不同的圆孔,基于SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,分别对这10种叶轮的离心泵进行清水介质下的全流道三维非定常数值模拟,并同试验结果进行对比.研究发现,对于低比转数离心泵而言,在进口边气泡最先产生的位置进行叶片穿孔(该位置距叶片头部距离约占整个叶片长度的1/30),当穿孔直径为8 mm时,不仅扬程、效率得到提高,而且可显著地提高离心泵的空化性能;穿孔叶片将每个叶轮流道内整体的空化区截断成了2个空化区,随着孔径的增大,叶轮内低压区分布范围先减小后增大,当孔径为8 mm时,低压区的分布范围最小;叶片穿孔后叶轮内压力脉动幅值明显大于原型叶片且穿孔对流场的影响作用随着与穿孔位置距离的增大而逐渐减弱,在蜗壳内穿孔对流场的影响作用完全消失.     

离心泵小流量工况不稳定空化特性研究

为了研究离心泵小流量工况不稳定空化特性,通过数值模拟和试验,研究了离心泵小流量工况不同空化程度泵的内流特性及泵进出口压力脉动特性。结果表明:小流量工况下,蜗壳隔舌与叶轮间的动静干涉对离心泵内部不稳定流动具有重要影响,叶轮流道内受空化影响所产生的漩涡与受蜗壳隔舌影响所产生的漩涡的流动方向相反。随着空化的发展,离心泵进口压力脉动的主频由2倍轴频逐渐向低频段迁移,且存在一定的波动;泵进口压力脉动存在于2倍叶频处的峰值,随着空化发展到一定程度而消失;受叶轮与隔舌动静干涉的影响,泵出口压力脉动的主频为叶频,在2倍轴频处存在波动较大的峰值;泵进出口压力脉动的宽频脉动随着空化余量的降低存在明显变化。     

开缝叶片低比转数离心泵空化性能的数值模拟

为了进一步提高低比转数离心泵的空化性能,对离心泵叶轮叶片进口附近的开缝进行研究.考虑开缝的3个参数,设计6组水力模型探究开缝对低比转数离心泵性能的影响.针对离心泵运行过程中产生空化的流动特点,基于Rayleigh-Plesset方程来描述空泡成长和溃灭过程的空泡动力学模型,采用RNG k-ε模型对在相同工况下的离心泵中两相流动进行数值模拟与分析.模拟结果表明:在叶片进口处开缝可以提高泵空化性能,其中第二组模型的空化性能提升比较明显,空化余量由4.447 m下降到3.910 m,降低了12.1%,水力效率由71.56%上升至76.46%;在相同工况下,开缝叶轮流道内的能量分布更加均匀,而扬程在额定流量下只有很小的变化.该模拟结果对研究低比转数离心泵内部流动特性及性能的提升具有一定的参考价值.     

低比转数离心泵叶轮内能量转换特性

对比转数为60的离心泵内部流场进行数值模拟计算,从叶轮做功过程和能量损失过程两方面分析了叶轮内能量转换特性.将叶轮按径向尺寸分为8个区域,展示了不同工况、不同区域中压力和粘性力做功大小、功率密度分布、湍动能耗散率分布、能量损失组成及分布等能量转换相关特征.结果表明,叶轮进口区域能量转换效率相对较低且受叶片进口安放角影响,叶轮中部区域是叶轮做功和流体获得能量的关键区域,叶轮出口区域对叶轮性能有显著影响,壁面摩擦损失是叶轮内能量损失的主要组成部分.     

离心泵进口回流流场特性的数值模拟及试验

基于有限体积方法,采用标准k-ε湍流模型,应用ANSYS CFX软件对不同工况下低比转速离心泵进口处的三维湍流流场进行了数值模拟.通过在进口流场中设置大量监测点,采集速度变化数据,对回流发生和发展过程中进口处的回流旋涡形态和流场速度分布进行了分析.提出了采用有机玻璃进水管,利用注入的空气气泡作为示踪粒子的可视化试验方案.使用高速摄影仪拍摄气泡的运动轨迹,从而分析不同工况下进水管流场的速度分布.结果表明：模型泵回流发生的关键流量点为0.7Qd;回流发生后,随流量的减小,回流强度增大,回流旋涡的体积变大,旋涡中心向进水管内移动,堵塞部分流道;进口回流会同时在叶轮和进水管内造成与主流方向相反的轴向速度和预旋,随回流强度的增大,轴面回流速度、进水管内的预旋强度增大,预旋在进水管中的影响距离最远到达距叶轮进口10倍叶轮进口直径处;当离心泵关阀运行时,在进水管内将形成柱状涡带.     

交错叶轮双吸离心泵空化特性研究

为了探究交错叶轮双吸离心泵的空化性能,结合Rayleigh-Plesset空化模型和RNGk-ε湍流模型,对一叶轮两侧叶片进行交错布置结构的双吸离心泵内部空化流动进行了数值模拟,分析了空化对泵内压强分布的影响,绘制了空化特性曲线,并分析了不同工况下叶轮所受径向力,同时研究了空化对叶轮叶片空泡体积分数及泵内湍动能分布的影响。结果表明,交错叶轮双吸离心泵空化特性同常规离心泵空化特性具有一致性,空化对叶轮所受径向力大小以及湍动能分布都有较大影响。     

低比转数离心泵小流量工况下的压力脉动特性

为了研究低比转数离心泵在小流量下的压力脉动特性,以IS50-32-160型离心泵为研究对象,在对模型泵进行网格无关性分析的基础上,采用分离涡模拟对不同小流量工况下的内部非定常流动进行数值计算.计算结果表明:隔舌对叶轮内部流动的影响较大,靠近隔舌的3个流道内均存在不同程度的进、出口旋涡,进口旋涡从叶片吸力面处产生,方向与叶轮旋转方向相同,而出口旋涡在叶片压力面产生,方向与叶轮旋转方向相同;随着流量的减小,旋涡不断发展,尤其是隔舌所在流道,进、出口旋涡会堵塞整个流道,且蜗壳出口会出现流动分离,导致出流不均匀;对叶轮和蜗壳内各监测点进行快速傅里叶变换,发现叶轮内的主要脉动频率为轴频及其倍频,且脉动从吸力面到压力面、进口到出口均逐渐增大;蜗壳内主要脉动频率为叶频及其倍频,且越靠近隔舌脉动越大,在隔舌处达到极大值;各监测点的脉动强度随流量的减小而增强.     

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.     

离心泵蜗壳内部流动诱导噪声的数值计算

鉴于离心泵内部流动声场边界条件复杂,直接求解需要高昂的计算资源且数值模拟难度大,采用间接混合算法,基于CFD+Lighthill 声比拟理论对蜗壳内部流场进行声学求解．在分析离心泵蜗壳内部流场主要噪声源是偶极子的基础上,采用基于S-A模型的分离涡模拟(DES)方法进行三维非定常流场计算．提取作用在蜗壳内表面的脉动力作为偶极子声源导入声学求解器SYSNOISE5.6,采用直接边界元法(DBEM)进行内声场求解,得到偶极子声源和内声场的声压分布图．积分求得蜗壳及出口管道表面监测点的声压级大小．声场计算的结果表明：离心泵蜗壳内部流动诱导噪声源的分布与压力脉动直接相关,在主要产生压力脉动的隔舌附近,有较强的偶极子源分布,其频率特性与压力脉动相似．场点声压值与偶极子源的大小之间不是简单的线性关系,叶频下最强．用管道法进行离心泵出口流动噪声的测试是可行的,流量是声场辐射的主要影响因素之一．     

离心泵汽蚀特性分析

根据离心泵汽蚀余量的计算公式来分析影响泵汽蚀特性的因素,主要包括泵体设计和叶轮进口设计.假设泵进口来流无预旋,将由流动变量表征的泵汽蚀比转速公式,改写为由几何参数也就是反应泵体设计和叶轮进口设计的两个系数以及进口叶片安放角和轮毂比表示的形式,并通过绘制汽蚀比转速的图谱来分析影响泵汽蚀比转速的设计因素.通过图谱发现,获得最高汽蚀比转速对应的最优进口叶片安放角在10°-30°之间,叶轮进口处的设计比泵体的设计对泵汽蚀比转速的影响大.另外,根据初生汽蚀比转速的计算公式认为,基本上所有的离心泵都在汽蚀状态下工作.划分了离心泵的容许汽蚀运行区域的边界,即扬程下降0.5%时对应的汽蚀比转速曲线.     

平衡孔直径对离心泵叶轮进口流态的影响

为研究平衡孔直径对离心泵叶轮进口流态的影响,在降速后的IS80-50-315型离心泵上,用平衡孔直径d分别为0,4,6,8,10 mm的同一个叶轮,对离心泵的扬程、效率和轴功率进行预测,研究泵在设计工况、不同平衡孔直径时叶轮进口处速度矢量和压力的分布情况,并监测叶轮进口处的压力脉动特性.结果表明:加大叶轮平衡孔直径,泵的扬程与效率下降、轴功率提高,且在小流量工况下泵扬程变化更为明显;随着平衡孔直径的增大,平衡孔内液体流速减小,对叶轮进口流体的冲击作用逐渐减弱,叶轮进口处压力变得均匀,在一定程度上改善了泵的抗汽蚀性能;随着平衡孔直径的增大,叶轮进口主流区的压力脉动幅值减小,在一定程度上稳定了压力脉动幅值的变化,改善了其不稳定特性;平衡孔直径增大时,叶轮进口区平均静压变化逐渐稳定.研究成果为离心泵叶轮平衡孔直径的选择提供了参考.     

离心泵压力脉动对流动噪声影响的试验研究

为了研究离心泵内部压力脉动和流动噪声在不同工况下的变化规律及其关系,采用试验方法,用高频压力传感器和水听器分别采集离心泵出口脉动压力和流动噪声信号,并进行时频域和自功率谱分析.结果表明：各工况下,叶片通过频率是压力脉动和流动噪声的主频,这是由叶轮和蜗舌之间的动静干涉引起的,而流动噪声在轴频二倍频（44.8 Hz）和224.8 Hz处也有明显峰值,这是由叶轮叶片数和蜗壳壳体振动引起的.小流量和设计流量下,流动噪声频谱与压力脉动频谱形状比较相符,流动噪声可以近似看作是由压力脉动引起的;随着流量的增大,流动噪声频谱除了包括压力脉动的主频外,还包括汽蚀和湍流等引起的500 Hz以上的高频部分.     

离心泵蜗壳内部流动诱导噪声的数值计算

鉴于离心泵内部流动声场边界条件复杂,直接求解需要高昂的计算资源且数值模拟难度大,采用间接混合算法,基于CFD＋Lighthill声比拟理论对蜗壳内部流场进行声学求解.在分析离心泵蜗壳内部流场主要噪声源是偶极子的基础上,采用基于S-A模型的分离涡模拟（DES）方法进行三维非定常流场计算.提取作用在蜗壳内表面的脉动力作为偶极子声源导入声学求解器SYSNOISE5.6,采用直接边界元法（DBEM）进行内声场求解,得到偶极子声源和内声场的声压分布图.积分求得蜗壳及出口管道表面监测点的声压级大小.声场计算的结果表明：离心泵蜗壳内部流动诱导噪声源的分布与压力脉动直接相关,在主要产生压力脉动的隔舌附近,有较强的偶极子源分布,其频率特性与压力脉动相似.场点声压值与偶极子源的大小之间不是简单的线性关系,叶频下最强.用管道法进行离心泵出口流动噪声的测试是可行的,流量是声场辐射的主要影响因素之一.     

粗糙度对离心泵空化过程的影响

为研究壁面粗糙度对离心泵空化过程的影响,利用雷诺时均N-S方程和RNG k-ε两方程,采用Zwart空化模型且不考虑水中溶解性气体对空化的影响,应用ANSYS CFX软件对设计流量工况下离心泵全流道气液两相湍流进行定常数值模拟,分析离心泵内部发生空化时,叶片壁面粗糙度对泵的外特性参数和内部流态的影响.计算结果表明:增大粗糙度将导致离心泵扬程、效率降低以及轴功率增大;泵处在临界空化及局部空化状态时,粗糙度对泵性能参数的影响程度大于泵处在空化初生及重空化状态下的影响程度;壁面粗糙度对湍流发展的影响规律与其对空化进程的影响作用具有相似性;当进口压力为81.06 kPa和101.33 kPa时,减小壁面粗糙度对改善离心泵性能有更显著的效果.     

离心泵流动空化噪声测试

选择3个流量工况(80, 92,100 m³/h)对离心泵进行空化试验,利用TST6200动态采集系统、NoiseA 2.10噪声测试软件和灵敏度为-210 dB的水听器构成的噪声测试系统采集空化噪声信号,并利用照相机同时拍摄3个流量工况下水流中空泡的变化过程.采用功率谱法对空化噪声信号进行频域分析和处理,将整个频域分为高中低3个频段,统计各频段信号的平均功率,得到信号功率随汽蚀余量之间的关系曲线.研究结果表明:离心泵流动空化信号的特征主要集中在低频段,而在中高频段没有明显特征;利用功率谱法对空化噪声信号进行分析和处理,得到的结果能够很好地反映离心泵流动空化的发展过程;选择了2个功率带分别作为判断离心泵空化初生和临界空化时的阈值,利用该阈值可以对离心泵空化进行实时监测.