混流泵瞬态启动性能及空化流场可视化试验

为解决泵喷系统以及潜艇武器大型化和稳定化发展中的混流泵瞬态启动特性和诱导空化问题,结合混流泵外特性试验和高速摄影可视化技术,研究泵瞬态启动性能和空化流场特性.结果表明:在无空化启动时,启动时间和启动流量不影响混流泵的稳态性能,泵流量、转速和扬程同时刻达到稳态峰值,具有较好的同步性,泵扬程在启动初期具有明显的滞后性,设计流量下,启动扬程滞后时间约为启动时间的50%;在空化启动条件下,混流泵叶顶间隙最先出现空化,随着启动时间的增加,空泡云发展出“长条状”形状,随着进口压力的降低或进口流量的增大,空泡云逐渐呈现出“三角状”,最终发展到堵塞流道.通过高速摄影试验捕捉不同启动条件下混流泵流道内的空化形态演变,发现缩短启动时间、减小启动流量、增加泵进口启动压力是抑制启动空化发生的有效途径.     

旋喷泵复合叶轮型式及性能对比

设计了两种型式的旋喷泵常用的复合叶轮,并应用CFD软件对叶轮内部流动进行了数值模拟,得到叶轮流道内压力和相对速度分布.设计时安装合适的短叶片可以减小流道的扩散程度,起到很好的分流、导流效果;通过两个模型泵的预测性能曲线对比分析表明,采用＂S＂形复合叶片,可满足旋喷泵性能的要求.但在2个＂S＂形叶片之间布置2个短叶片时,叶轮流道出现明显的旋涡,且其中一个短叶片附近有回流产生,使得水力损失增大,泵效率较低.而布置1个短叶片时泵的性能更好.     

载荷分布规律对混流泵叶轮设计的影响

基于三元反设计理论,将环量vur沿轴面流线的变化梯度作为载荷分布的控制参数,采用两段抛物线来描述载荷沿轴面流线的分布规律．为了分析载荷分布规律对混流泵叶轮设计结果的影响,建立了“前载型”、“中载型”和“后载型”3种混流泵叶轮．基于雷诺时均的Navier-Stokes方程、SST湍流模型和多参考坐标系模型对3种叶轮内流场进行数值模拟,对叶轮的能量性能和叶片表面压力分布进行分析．结果表明:采用两段抛物线表示载荷沿轴面流线的分布规律是合理的,基于载荷分布的叶片三元反设计能有效控制叶片表面的压力分布特性;载荷峰值点越靠近导边,叶轮的扬程、功率和效率值越高;在设计流量工况,前载型叶轮与后载型叶轮的扬程、功率和效率的差别分别为1830％,1640％和201％;不同载荷分布时叶轮能量性能的差别随流量的增加而逐渐明显．     

基于CFD的空间导叶内部流场分析及优化设计

针对空间导叶传统设计方法的不足,以离心泵的空间导叶为研究对象,采用设计工况下泵的扬程和效率提升为优化目标,在保证叶片进口安放角、出口安放角、导叶轴面等设计参数不变的前提下,通过CFD数值模拟计算不同包角的空间导叶叶型与泵的水力效率之间的关系,从而寻找效率最优的导叶叶型.计算结果表明:空间导叶的叶片包角对泵的内流场结构和泵的外特性有重要影响,在其他流道参数不变的情况下, 存在使泵效率最高的最优包角;随着导叶叶片包角的增大,叶片工作面上的高压区域逐步由进口向出口移动,叶片由“前载型”逐步变为“后载型”;小包角时,由于叶片前部分的叶片安放角变化较大,在叶片背面的中部到后部的部分区域存在低速脱流区,且随着叶片包角的增大该脱流区面积逐渐减小并逐渐向出口方向移动;随着叶片包角的增大,叶片进口堵塞现象加重,导叶进口速度逐渐增大.揭示了空间导叶流动结构与导叶包角、型线间的内在关系,为空间导叶的优化及设计提供一定的理论依据.     

高比转数蜗壳式混流泵准三元水力设计与数值计算

针对高比转数蜗壳式混流泵水力设计研究偏少的现状,在准三元设计理论的基础上,采用不考虑黏性的三元反问题设计与考虑黏性的三元正问题数值计算相结合的方法,设计得到了比转数为603的蜗壳式混流泵,以深入探索三元水力设计方法在开发高比转数蜗壳式混流泵的适用性.在三元反问题设计过程中,首先采用二元水力设计方法得到初始的混流泵模型,然后给定"S"型速度矩沿轴面流线的分布规律,完成新的蜗壳式混流泵的水力设计.应用计算流体力学软件CFX,采用标准k-ε湍流模型,SIMPLE算法求解三维稳态不可压缩雷诺时均N-S方程,分别在设计工况、小流量和大流量工况下对新型泵进行了数值模拟,并且分析对比了泵的水力性能.数值模拟计算结果表明,新型泵叶轮和蜗壳内部流线整齐有规律,叶片工作面和背面静压力分布均匀合理,叶轮叶片轮缘和轮毂附近速度矩沿轴面流线自进口边到出口边的分布规律基本符合"S"型,并且在设计工况下的效率比采用速度系数方法设计的原型泵有了提高,满足了对高比转数蜗壳式混流泵水力性能的要求.     

水泵水轮机转轮三维反问题设计与特性研究

采用全三维反问题设计方法,按照水泵工况确定设计参数,从水轮机方向进行流场计算,完成某一中高水头水泵水轮机转轮的水力设计。针对设计开发的转轮,通过模型实验测试其在不同运行工况下的性能。结果表明,设计的水泵水轮机转轮在水泵工况下的最高机组效率达到91.34%,且机组运行平稳;水轮机工况的最高机组效率为88.5%。基于全流道粘性数值计算的转轮内部流动分析表明,水泵工况下,水流光顺地通过流道,转轮内部流动损失较小;水轮机工况下,转轮进口附近存在较严重冲击损失且叶片背面低压区面积较大,影响转轮的作功能力。     

离心式叶轮三维反问题设计和数值计算

为解决离心式叶轮传统设计方法主要依赖于设计者经验以及设计周期较长等问题,采用三维反问题设计方法,根据给定的流场进行叶轮形状的设计,从而提高设计过程对叶轮性能的控制能力.三维反问题设计方法基于无黏有势流假设,将三维速度场分解为周向平均速度和周期速度进行求解,实现了在二维轴面流道上叶片形状和流场的三维计算.三维叶片形状根据速度在叶片表面满足滑移条件计算得到,同时获得该叶轮形状下其内部三维流场的计算结果.采用自编三维反问题设计程序进行了离心式叶轮的设计计算,并利用三维定常湍流数值计算技术对设计结果进行了流场模拟和性能评价,流场的模拟结果与设计方法计算结果定性吻合,验证了设计方法的有效性.研究结果表明：将三维反问题设计方法和三维湍流数值计算技术结合可有效缩短设计周期,提高设计质量,并可用于各种叶轮机械的设计.     

背叶片宽度对离心泵水力性能与流场的影响研究

保持叶轮后盖板与泵壳的间隙不变,通过改变背叶片宽度设计出4种不同离心泵叶轮方案。采用CFD仿真模拟对各方案下的模型泵进行了全流道数值计算,得到了背叶片宽度对离心泵外特性与后泵腔流场分布的影响规律。结果表明:背叶片间流道内的低压随其宽度的增加,面积和数值均先减小后增大;后泵腔内的压力梯度过渡均匀,在0.85倍叶轮半径处压力达到最低;当背叶片宽度较小时,叶片间流道内流线基本呈环状,液体流动比较顺畅;背叶片间流道内存在低速区及与叶轮背叶片旋转方向相反的旋涡,背叶片宽度越大旋涡越强烈;背叶片增加了泵的扬程与轴功率消耗,降低了泵的效率,其宽度变化对效率与轴功率影响较大,扬程变化则不明显;研究可为实际工程中控制背叶片宽度提供一定借鉴。     

双吸三元扭曲叶片离心泵的造型

双吸三元扭曲叶片离心泵具有叶片形状复杂与多流道等特征,其三维造型涉及问题较多,在泵的三维造型中具有普遍性.为此,以GAMBIT软件为设计平台,结合一个具体的双吸离心泵的造型实例,介绍了双吸离心泵扭曲叶片叶轮和螺旋形蜗壳等部件三维造型的方法,并给出了创建实体模型的详细步骤及三维模型图;此外,还简要说明了在Gambit软件中建模需要注意的问题.     

基于CFD的旋喷泵水力设计及性能比较

采用相同的窄流道直叶片,按照单闭式、单半开式、双半开式设计了3种不同叶轮结构的旋喷泵水力模型;采用CFD方法利用ANSYS-CFX软件对3种水力模型的内部流场进行三维数值模拟,分别得到3种模型的压力场、速度场。通过对设计方案扬程、轴功率、效率的性能预测,分析了3种旋喷泵水力模型的性能特征,以利于设计方案的优选。     

基于三元设计及数值试验轴流泵抗空化性能

为了提高轴流泵抗空化性能,采用泵的三元设计理论与数值试验相结合的方法,研究了汽蚀比转数为1 290的轴流泵抗空化性能.在相同的流量、扬程、转速等设计指标下,采用泵的三元设计理论对具有不同叶片数和过流通道形状的轴流泵模型分别进行了设计;并采用数值试验手段对所设计轴流泵模型性能进行计算和分析,得到了适合于该轴流泵的过流通道形状和最佳叶片数.运用相同的方法对不同叶片负载分布规律的轴流泵叶轮分别进行了设计,并采用数值试验手段计算了各水力模型的扬程、功率和效率特性曲线,对比和分析了不同负载分布规律对泵效率和抗空化性能的影响,得到了有利于轴流泵空化性能提高的负载分布规律.最后,根据数值计算结果,对如何有效提高轴流泵抗空化性能提出了建议:叶轮叶片后部重载光顺无阻塞的过流通道、适当增加叶片数将有利于轴流泵抗空化性能的提高.     

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.     

基于逆向设计理论的水泵水轮机设计与数值模拟

针对水泵水轮机效率普遍较低这一问题,借鉴低比转数混流式水轮机的叶片设计理论,对一给定参数的水泵水轮应用水轮机逆向设计理论对水泵水轮机进行水力设计、三维造型和ICEM网格划分;通过建立相对坐标系下的时均连续方程及N-S时均方程等控制方程组,利用标准k-ε湍流模型来封闭方程组,采用有限元体积法进行离散,离散方程的压力-速度耦合处理采用压力耦合方程组的半隐式(SIMPLEC)算法对水泵水轮机进行数值计算,得到其内流场流动特性,与试验的水泵和水轮机工况下压力分布对比分析,预测了水泵水轮机在设计工况下的转轮效率.数值模拟结果表明,基于逆向设计理论设计的水泵水轮机工况的最优效率可以达到91%,水泵工况的最优效率达到82%,充分说明应用逆向理论设计方法对水泵水轮机的设计,可以兼顾水泵工况和水轮机工况在较优的情况下运行.     

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.     

用正交试验研究分流叶片对离心泵性能的影响

为了研究分流叶片各设计参数对离心泵性能的影响,选取周向偏置角、偏转角、分流叶片进口直径及叶片数4因素,制定了L9（34）正交试验方案,对每个试验叶轮分别进行了数值计算和试验研究,详细分析了分流叶片设计参数对离心泵性能的影响规律.结果表明,影响离心泵扬程和效率的最主要因素分别是叶片数和叶片直径;而泵性能最优情况下,分流叶片的最佳组合参数为：叶片数Z取较大值,周向位置为0.60θ,进口直径约为2/3D2,偏转角为-5°--10.°试验结果和数值模拟结果基本吻合,验证了数值计算方法的有效性和可靠性,为进一步研究低比转速离心泵的水力性能和优化设计方法提供了有益的参考.     

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.     

高性能紧凑型水泵的三元设计方法

基于泵的三元设计理论与数值试验相结合的方法,采用轴流式水泵的外形结构对某高比转数混流泵进行了设计,提出了高性能紧凑型水泵设计方法。首先,基于雷诺时均方法对该高比转数混流泵的性能进行了数值计算和分析,并将计算结果和试验值进行了比较,最大误差在3%以内,验证了数值计算模型的准确性。其次,采用轴流式水泵的外形结构基于泵的三元设计理论对该泵进行了重新设计,运用全三维考虑流体粘性的雷诺时均方法对设计结果进行计算分析与验证,最终的设计结果表明：新设计紧凑型水泵满足所有设计指标,在设计流量下裸泵效率达到了0.927,并且在较宽的流量范围内具有良好的水力性能。对比原混流泵和新设计紧凑型水泵性能,可以发现：新设计紧凑型水泵裸泵效率比原混流泵提高了3%,并且其轴面最大直径比原混流泵减少了38%,说明新设计的水泵能够有效减小泵的尺寸、重量并具有优异的水力性能。