低比转数双吸离心泵回流问题的CFD研

针对某低比转数双吸离心泵在小流量工况下出现回流的问题,利用CFD技术对双吸泵及吸水室内部流场进行数值模拟研究,并提出定点速度值分析法,模拟流场测试试验中采用的动态探针采样测试系统,对回流问题进行研究。通过对叶轮进口相应测试点在不同流量下的速度变化进行统计分析,发现其变化规律和理论分析结果与以往文献中试验总结的规律变化一致。并根据曲线变化及理论分析结果,提出回流诱发流量点、回流稳定流量点、回流变化区间的概念。并在理论分析基础上,提出叶轮进口回流区有效厚度值的定义及预估方法。     

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.     

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。     

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。     

立式循环泵进水流道的内部流场研究

进水流道设计是大型立式循环泵装置设计中的重要环节,为了解不同工况下叶轮对流道出口流场的影响,分别对考虑叶轮影响和不考虑叶轮影响下的进水流道内部流场进行计算和分析.研究发现不考虑叶轮影响下的进水流道内部流场特征几乎不受流量变化的影响,而考虑叶轮影响的进水流道情况则比较复杂.在小流量情况下,叶轮流场的进口回流效应会对进水流道出口流场产生显著影响.随着流量的降低,进水流道出口分析截面内的流速分布均匀度和流速加权吸人角两个指标逐渐降低,在0.4Q0流量时,截面外缘出现明显的圆周速度分量,其变化接近于涡核内的圆周速度曲线,并不断向叶轮上游流道扩展.     

离心泵进口回流特性的CFD与试验研究

为研究离心泵进口回流的流场特性及其流动规律,针对IS65-50-160低比转速离心泵,运用定常数值计算与大涡模拟方法,且采用正则化螺旋度分析法对离心泵进口回流漩涡的涡核强度进行分析,最后对模型泵进行了试验研究。研究结果表明：离心泵发生进口回流的初始流量为0.6Qd,并随着流量的减小回流逐渐变强;叶轮一个旋转周期内叶轮流道进口处各监测点的压力脉动都有6个波峰和波谷,靠近叶片吸力面监测点幅值最大,且漩涡的涡核强度变化可以分为发展、衰减、再次发展、保持、衰减五个阶段;通过进行压力脉动测试试验,研究得到进口管监测点处的压力脉动主要以6倍轴频、12倍轴频为主,在流量低于0.6Qd时,幅值相差较小,当流量增加到0.7Qd时,幅值明显减小。     

混流式输卤泵内部湍流场的研究

运用流场计算商用软件FLuENT5．5,模拟了清水状态下混流式叶轮内部的三维湍流场;采用五孔圆球流体动力探针对叶轮及导叶进出口流场进行了测量,给出速度和压力分布图。同时,结合数值计算与实验测量结果,对各部位流场进行了初步的理论分析。通过研究与分析,提出具有直锥形吸水室的混流泵的叶轮进口处存在速度环量、叶轮进口处水流方向基本为轴向且分布不均匀等新的观点,为今后输送卤水状态下的泵内部流场研究工作提供参考。     

离心泵小流量工况下的内部流动特性

为研究离心泵在小流量工况运行下性能及其内部流动特性,以型号为IS160-50-65的离心泵为研究对象,采用商用化软件Ansys CFX 12.0对模型离心泵的叶轮进口、叶轮流道以及蜗壳流道组成的全流场进行定常数值计算.同时,为了提高数值计算的准确性,考虑采用3种不同的网格数对模型离心泵的扬程进行网格无关性分析.且从离心泵的外特性及其内部流场分析了不同小流量工况下离心泵性能的变化规律.研究结果表明:与试验结果相比,设计工况下,扬程预测偏差为1.47%,效率预测偏差为3.61%;且随着流量降低,计算扬程的偏差值呈一定的下降趋势,计算效率的偏差值逐渐增大.另外,在设计工况下,离心泵的内部流动比较均匀;而在小流量工况下,离心泵进口管道及叶轮流道均出现回流现象,而回流引起的旋涡流有时甚至会堵塞叶轮流道;在极小流量Q/Q_d=0.2时,回流区域已延伸至全部的进水管路中.     

叶轮口环间隙对井用潜水泵性能的影响

井用潜水泵的口环间隙大小对泵性能及流场具有较大影响,基于200QJ80-22井用潜水泵,通过CFD软件对泵全流场进行了数值计算,并与试验结果进行对比分析,研究了不同口环间隙大小对泵外特性和内部流场的影响.数值模拟结果表明,整泵的扬程和效率都随着间隙值的增大而减小,特别是口环间隙值增大到0.70 mm,减小更为明显,但功率变化较小.当间隙值达到1.00 mm时,效率从最高点的77.2%减小为68.7%,同时扬程也随之减小了约3.5 m.口环间隙为0.20 mm时,第一,二级叶轮前盖板腔体内以及叶轮出口与前盖板区域间产生回流,泄漏量较小,对叶轮进口流动和流场影响也较小,当口环间隙值增大至0.50 mm时,第一,二级叶轮前盖板腔体内以及叶轮出口与前盖板区域间回流逐渐消失,但更大的泄漏量冲击叶轮进口处,使叶轮进口过流面积减小,严重影响了泵的水力性能.     

叶轮几何参数对离心泵进口回流特性的影响

为研究叶轮几何参数对离心泵进口回流特性的影响规律,以IS65-50-160型低比转数离心泵为研究对象,基于Standard k-ε湍流模型,对模型泵进行三维定常数值模拟,得到模型泵的性能曲线,并与试验结果进行对比,分析了叶片数、叶片进口冲角和叶片进口边位置3个叶轮几何参数对模型泵进口回流特性的影响,研究回流发生时不同工况下的速度、流线分布.研究结果表明:叶轮进口回流首先发生在管壁附近,随着叶片数增加,叶轮进口回流速度不断减小,当叶片数Z=7时,模拟的扬程在各个工况下均较高,回流强度较小;当叶片进口冲角Δβ=10°时,流体从叶轮进口向进水管的反向流动速度较小,叶轮流道流线分布较好,回流强度较弱;当叶片进口边向前延伸时,离心泵性能得到改善,叶轮进口回流强度有减小的趋势.     

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.     

竖向进水管布置对泵站进水流态的影响模拟

基于定常不可压缩强曲率流体的RNG k-ε紊流数值模型,通过建立以水力损失最小和基于质量加权流速均匀度最大为优化目标的评价函数,设定适当的边界条件,利用三维非结构化六面体网格单元进行网格划分,采用有限体积法对控制方程进行离散,应用CFD软件Fluent对泵站进水池和水泵进水管内部流场进行数值模拟计算.为了模拟水泵竖向进水管布置的控制参数对泵站前池和水泵进水管口流态的影响,参照现行的泵站设计规范,分别模拟了管道内径为D的竖向进水管在不同后壁距和不同悬空高度时的进水流态,并绘制了水泵进水管口流速均匀度和水力损失关系曲线.研究表明,对于安装有卧式离心泵的大型提水泵站,合理的进水管后壁距与悬空高度可以保证良好的进水流态,促使水泵进口流速分布均匀,有效地防止前池内的泥沙淤积,并能确保水泵高效稳定运行.根据模拟计算结果,提出了设计时可供参考的进水管后壁距取值范围为（0.4～0.8）D,悬空高度的取值范围为（0.6～0.8）D.     

离心泵有盖板叶轮内部流场的PIV测量

用PIV技术对离心式水泵有盖板叶轮内部流场进行了试验测量。水泵在两种工况下运行，选择两个叶槽分别进行测量，获得了水泵叶轮全叶槽内的速度场。两种工况下不同窗口的流场均有明显差异，呈不对称分布；小流量工况始终存在一个低速区，位于叶槽进出口之间，靠近吸力侧。     

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．     

熔盐泵分流式空间导叶内部流动及其非定常特性

为了抑制熔盐泵空间导叶内存在的二次流以及轴向旋涡,提高熔盐泵的效率和稳定性,提出一种分流式空间导叶体.采用k-ε模型、SIMPLE对2种不同形式空间导叶的熔盐泵模型进行了数值模拟,以获得2种不同形式熔盐泵的外特性参数及其内部的速度、压力分布等特性.结果显示:在0.8Q和1.0Q下,分流式空间导叶内部速度分布更为均匀,导叶吸力面二次流、旋涡明显减少,提高了模型泵的效率.在1.2Q下,分流式导叶导致模型泵效率降低.但在空间导叶出口速度分布均匀,低速区域明显减少.分流式空间导叶内部压力脉动幅值叶频占主导地位,其出口压力脉动得到明显改善,在设计工况下,压力脉动幅值比常规空间导叶低近40%,空间导叶轮缘面压力脉动普遍高于轮毂面,在导叶轮缘面上,其压力面的压力脉动幅值低于吸力面;在导叶轮毂面上压力脉动幅值则基本相同.     

混流泵叶轮内部流动的PIV实验

为探讨混流式叶轮内部的流动机理,设计了一半开式叶轮混流泵实验装置,利用PIV技术对设计流量及变流量工况下叶轮内部的流动进行了测量.时均速度场的相对速度分布表明,设计流量下从进口到出口压力面附近相对流速先降低后升高,吸力面先升高后降低.在叶轮出口沿叶高方向压力面附近变化不大,吸力面从叶根到叶顶逐渐降低,最小相对流速位于吸力面叶顶附近.小流量工况下在叶顶和中间叶高截面内会出现回流现象,叶轮内不同流道内相对流速分布趋势基本一致.     

大型立式泵站双向进水流道三维紊流数值模拟

针对典型的双向进水流道，应用紊流模型对流道内部流态及水泵进口处的流动进行三维数值计算，计算结果与试验流态、实测数据一致。数值模拟结果揭示了双向进水流道内流动规律，双向进水流道内易产生死水区、旋涡和水下涡带，必须采取适当的消、防涡措施保证水泵正常运行。     

基于PIV的低比转数离心泵网格无关性

针对小流量工况采用计算流体动力学(CFD)对离心泵的性能进行数值模拟的精度问题,以一低比转数离心泵为例对其进行整体结构化网格划分,采用ANSYS CFX 14.5软件对模型离心泵的进口管路流道、叶轮流道以及蜗壳流道组成的流场进行定常数值计算.从改变整体网络数量与叶轮网格数量的角度分别进行网格无关性验证对0.6及1.0倍设计流量下的模拟精度进行比较研究.准确性评价指标采用外部特性扬程值及PIV得到的叶轮和蜗壳内部分区域的绝对速度,具有较强的说服性.分析表明:对总体网格数增加的方法进行的无关性分析即可满足要求;网格数量的增加对叶轮内绝对速度影响较大,而对蜗壳内绝对速度影响很小;在设计工况下蜗壳和叶轮内部绝对速度的预测精度都比0.6Q_d工况下的高些,因而在进一步小流量流动特性分析时,需要更精密的网格.通过对外特性和内流场速度的对比,最终选择网格模型为网格IGD.     

水泵进水池底部压力脉动特性试验

为了研究泵站进水池中喇叭管下方漩涡产生的机理,探索进水池底部喇叭管下方水流压力脉动与漩涡产生的关系,在进水池底部喇叭管口下方布置20个压力脉动监测点,在转速2 200 r/min时进行了多个不同工况点的压力脉动试验。通过对水流压力脉动的时域特性、频域特性及进水池底部喇叭管下方的压力分布进行分析,揭示了轴流泵喇叭管下方水流压力脉动的规律及压力分布与漩涡之间的关系。进水池底部压力脉动的主频是叶轮转频的2倍,说明轴流泵进水池底部喇叭管下方水流的压力脉动仍然受到叶轮旋转的影响;大流量工况下,喇叭管下方容易产生漩涡,且发生频率高,持续时间长,主要集中在喇叭管下方右前方的位置;小流量工况下,喇叭管下方也能产生漩涡,但发生频率低,持续时间短,主要集中在喇叭管内部正前方的位置。在不同工况下发生漩涡的位置与进水池底部喇叭管下方低压区位置相对应。