低比转数离心泵叶轮内流场重构与模态分析

针对传统离心泵水力性能优化设计的复杂性,提出采用本征正交分解-径向基函数（POD-RBF）混合代理模型方法对离心泵叶轮内流场进行重构分析。由三次Bezier曲线对低比转数离心泵二维叶片型线进行参数化控制,通过对叶片包角、进出口安放角等控制参数进行适量的扰动得到叶片型线的样本集。由叶片型线参数及叶轮CFD内流场数据构成样本的快照矢量集,根据几何相似及网格变形方法插值得到各相似节点的流场参数,依据本征正交分解法（POD）将快照集分解为一系列正交基的线性组合。由径向基函数（RBF）拟合目标叶型所对应的正交基系数,实现了对目标叶轮内流场的重构。采用POD-RBF方法对MH48-12.5型低比转数离心泵叶轮内流场进行了重构,其压力预测均方根误差为0.84%,速度预测误差基本在0.5m/s以内,流场预测所需时间约为CFD计算的1/240。对样本集进行POD基模态分析,得到了各阶基模态流场特征及能量分布特性。     

低比转数离心泵叶轮内流场的重构及模态分析

针对传统离心泵水力性能优化设计的复杂性,提出了采用本征正交分解与径向基函数(POD-RBF)混合代理模型方法进行离心泵叶轮内流场的重构分析。由三次Bezier曲线对低比转数离心泵二维叶片型线进行参数化控制,通过对叶片包角、进出口安放角等控制参数进行适量的扰动得到叶片型线的样本集。由叶片型线参数及叶轮CFD内流场数据构成样本的快照矢量集,根据几何相似及网格变形方法插值得到各相似节点的流场参数,依据本征正交分解法(POD)将快照集分解为一系列正交基的线性组合。由径向基函数(RBF)拟合目标叶型所对应的正交基系数,实现了对目标叶轮内流场的重构。采用POD-RBF方法对MH48-12.5型低比转数离心泵叶轮内流场进行了重构,其压力预测均方根误差为0.84%,速度预测误差基本在0.5m/s以内,流场预测所需时间约为CFD计算的1/240,并对样本集进行POD基模态分析,得到了各阶基模态流场特征及能量分布特性。     

基于本征正交分解法的液环泵气液两相流场重构

针对液环泵内复杂的气液两相流动、计算量大且优化设计难以进行的问题,提出了采用本征正交分解法进行液环泵内流场的重构分析。采用泰勒多项式对二维叶片型线进行参数化控制,通过对各控制参数进行适量的扰动得到叶片型线样本集。采用VOF模型进行液环泵内气液两相流场的数值模拟,由叶片型线参数及叶轮内流场数据构建样本的快照集,依照几何相似及网格变形方法插值得到各相似点的流场参数,依据本征正交分解(POD)法将快照集分解为正交基的线性组合。由最小二乘法拟合目标叶型所对应的正交基系数,实现了对目标叶片流场的重构。采用POD方法对2BE-203型液环泵内单个叶轮流道的气液两相流流场进行了重构,精确地重构了单个叶轮内流场结构的各个特征,除在气液交界面附近有一定的误差,整体预测结果具有较高的精度,大大减少了流场预估的计算量。     

液力变矩器叶栅系统样条拟合参数设计体

阐述了液力变矩器叶栅系统参数化设计方法,在对几种典型叶型设计方法分析比较的基础上,基于实用的最小参数原则选定了样条拟合曲线方法实现叶片设计,并结合变宽度循环圆设计方法,提出了叶栅系统参数化设计方法,基于UG/OPEN API编制了相应程序并给出了设计实例.在上述研究基础上,总结并提出了液力变矩器叶栅系统参数化体系,为后续叶栅系统三维优化设计及制造提供了灵活便捷的设计模型.     

混流式水轮机叶片设计与木模图的数值实现

针对传统的混流式水轮机转轮叶片设计方法（如保角变换法）设计周期较长，且不易实现叶片模型制作的状况，通过给定速度矩方程对叶型骨线方程进行逐点积分，并由包角的误差分析对速度矩方程的系数进行修正，实现叶片正面型线的设计，在叶片正面计算流面上使用导出的最大流面厚度公式直接进行叶型加厚，得到水轮机叶片的背面叶型．文中同时给出了各部分的数学分析数值计算表达式，并用CAD系统进行叶片木模图的绘形．从得到的木模图可以看出，用该方法设计更为优化，能较好地体现设计要求，并符合实际转轮叶片的形状，确保了计算和造型的准确性，可用来进一步实现水轮机的整体水力性能分析．由于模型是数值生成，故结合相应的机械加工程序，可实现叶片木模的数控加工．     

不同叶型对混流式核主泵叶轮出口能量分布的影响

为了进一步探索叶片对液流的推动机制,采用数值计算方法对具有不同叶型的混流叶轮水力性能、出口能量分布特性和内部流动进行研究,得到叶轮出口动能和压能,并将其求和得出总能量的分布规律,且求出轴向动能和径向动能及其比例,并从流动分解角度分析流体对不同叶型的绕流情况.结果表明:该混流式叶轮在进口至出口方向叶型为仿翼型时比前后盖板方向叶型为仿翼型时具有更好的能量性能;当前后盖板方向叶型为仿翼型时,最厚位置靠近后盖板侧,叶轮的水力性能相对较高;叶轮出口能量中压能占较大数值比例,且叶片轴、径向做功比例和叶型存在一定关联关系;进口至出口方向叶型为仿翼型时,对轴、径2个方向的流动均具有良好的适应性,而前后盖板方向为仿翼型变化时只能在1个方向上近似翼型绕流.     

基于偏微分方程的离心泵叶片反设计方

为实现离心泵叶片的参数化优化设计,将微分方程分别应用于叶轮的轴面设计及叶片空间曲面的生成,首先用4次Bezier曲线控制叶轮轴面,用偏微分方程方法生成轴面流线及准正交线,其次用偏微分方程的方法来生成离心泵叶片空间曲面,根据叶片型线方程,利用控制叶片安放角的分布规律来控制叶片边界上点的圆周角坐标,从而控制微分方程的边界条件,最后达到控制叶片形状的目的.实现了叶片的参数化设计.采用梯度优化的方法将正问题的计算结果用于反问题中对叶片型线的更新,实现了泵叶片的优化设计.应用实例表明提出的离心泵叶片反设计方法是可行的.     

基于先进控制流理论的偏置叶片优化方法

针对过去过多地依赖经验确定复合叶轮短叶片偏置位置和角度的弊端,提出了采用先进控制流理论来控制短叶片偏置的优化设计方法.首先根据离心式后向叶轮流道内流体微团的受力情况,建立沿流线法线方向的受力平衡微分方程,再根据相对运动Bernoulli方程,推导出沿流线法线方向压强梯度与速度梯度的关系,进而得出沿流线法向速度梯度与几何结构之间的关系.通过对几个相关式子的分析,可确定周向最佳偏置位置.同时考虑将短叶片进口边适度向吸力面偏斜,以期实现后加载特性.试验结果表明,分析所得结论比较符合试验数据,证明了理论分析的可靠性.     

离心泵叶轮的参数化设计

对离心泵叶轮优化设计存在的问题进行了详细的阐述,离心泵叶轮优化设计的主要困难在于复杂的内流道形状及其与泵水力性能间复杂的隐式关系,对基于NURBS的曲面设计方法、基于自由曲面变形方法及偏微分方程方法 3种离心泵叶轮参数化设计方法的研究进行了详细的介绍.为了减少计算量,采用偏微分方程方法对离心泵叶片几何形状进行参数化控制,参数化控制偏微分方程的边界条件,假定方程中的控制参数a（u,v）为常量1,采用响应面方法对泵叶轮进行优化设计,根据试验及模拟结果进行二阶多项式响应面回归,分析发现二阶多项式响应关系不能反映离心泵叶轮设计目标与控制变量间的复杂的非线性关系.为此,在此基础上提出采用偏微分方程构建设计目标的偏微分超曲面响应,数值求解多维空间上偏微分方程的边值问题,进行优化分析得到最优设计.优化设计实例计算结果表明提出的理论及方法是合理的.     

基于叶型特征重建和缺陷模型提取的LDMD叶片再制造

为了实现激光直接沉积(LDMD)对破损叶片的再制造,提出了一种利用设计特征重建叶型曲线(CSC)的方法,并提取缺陷3D模型。首先,规划了叶片再制造系统结构;接着,基于叶型曲线设计特征,对前缘(LE)、后缘(TE)、吸力边(SS)和压力边(PS)在叶型点云中的位置进行识别,然后利用圆弧曲线以背离度和拟合误差作为2个阈值,实现对前缘和后缘的拟合,同时实现叶型点云的分割;再利用6次多项式曲线,在保证与前后缘曲线相切的约束条件下,用最小二乘法实现对吸力边和压力边的拟合,从而得到完整的叶型曲线;接着放样叶型曲线得到完好的目标模型,并采用布尔减运算提取了缺陷3D模型;最后,给出了一个叶片再制造应用实例,证明了方法的可行。     

轴流泵前置导轮内部流场的大涡模拟

前置导轮自身具有优良的进口性能,能够改善主叶轮的进口条件,使用盒式滤波器将连续方程和动量方程经空间滤波得到大涡模型.采用CFD软件,对设计工况下带有前置导轮轴流泵进行三维不可压缩湍流数值模拟.分析了前置导轮内部流场的压力、速度和流线分布情况.结果表明,导轮叶片静压由进口到出口不断增大,提高了轴流泵抗汽蚀性能;叶片进口背面有一个低压区,此处易发生汽蚀;叶片表面的压力分布不仅沿叶片导程的方向逐渐增加,径向上也有增加,且没有发生较大的冲击和二次流现象;流线沿导轮型线良好地缠绕,没有出现回流、漩涡等现象.结果对轴流泵的设计、改进和优化提供有益的参考.     

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.     

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.     

对旋式轴流泵后置叶轮水力性能分析

为了研究对旋式轴流泵后置叶轮对其水力性能的影响,采用CFD软件对该对旋式轴流泵装置进行数值模拟计算,将前置叶轮与后置叶轮水力特性进行对比分析,研究后置叶轮的进口安放角对整个装置水力特性的影响,最后通过模型试验验证数据的可靠性.结果表明:在设计工况下,对旋式轴流泵扬程为11.32 m,效率为87.57%.在小流量工况下,流量为300 L/s左右泵提前进入马鞍区,此时泵扬程为14.06 m,效率为79.48%;在大流量工况下,流量为440 L/s时,泵装置扬程为2.24 m,效率为54.16%.对旋泵后置叶轮的水流进口冲角要大于前置叶轮的水流进口冲角,导致后置叶轮叶片做功能力增强,后置叶轮扬程增大.改变后置叶轮安放角,特别在小流量工况下,后置叶轮的马鞍区同样提前,后置叶轮的进口液流角几乎相同.研究结果对于对旋式轴流泵后置叶轮的设计和优化提供参考依据.     

混流泵内部流动的试验研究

混流泵叶轮内流动性能直接影响整台泵的外部性能.为了探讨混流泵叶轮内部的流动机理,设计了透明蜗壳,加工了1套半开式混流叶轮,建立了混流泵试验系统并利用PIV对其在不同流量工况下叶轮内部的流动性能进行了试验测试.通过对叶轮流道内的时均相对速度分析后发现,在设计流量工况下压力面附近相对速度从进口到出口先减小后增大,吸力面附近的相对速度先增大后逐渐减小.在叶轮出口处沿叶片高度方向的相对速度靠近压力面附近变化不大,靠近吸力面附近从叶根到叶顶逐渐降低,相对流速最小值出现在吸力面叶顶附近.在小流量工况下,流道中部叶高截面至叶顶的区域内会出现回流现象.同时还研究了不对称形状的蜗壳对叶轮内部流动的影响,对叶轮相对蜗壳不同位置流道内的流动进行了测试,发现相对蜗壳不同位置流道内的相对流速的分布趋势基本相同.     

空间导叶式离心泵的数值计算及优化设计

基于Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,采用SIMPLEC算法对一空间导叶式离心泵进行全流道三维湍流数值计算,分析了导叶式离心泵在设计工况下整个流道、环形空间及其空间导叶内部的流场分布,并进行试验验证计算结果.结果表明,叶轮叶片吸力面靠近进口区域压力最小,出现负值,该区域将有可能发生空化;液体流经叶轮和空间导叶之间的环形空间时将产生较大的冲击损失;液体由叶轮出口高速旋转流出经过环形空间流入空间导叶,空间导叶进口附近流速较大,在空间导叶吸力面的入口处存在二次流.试验结果和计算结果吻合较好,在相同流量下数值计算结果和试验数据的最大误差基本小于15%,在可以接受的范围之内,证明了数值计算的有效性.该研究结果为空间导叶的几何参数优化提供了一定的理论参考.     

15WD0.5—120型窄流道离心式叶轮的设计

介绍了小流量（Q=0.5m^3/h)、高扬程、离心式叶轮堵塞部分流道面积-窄流道离心式叶轮的设计方法：堵塞叶轮部分流道面积与增大叶轮出口宽度（b2)相结合，这将便于加工制造、控制泵的流量、减少叶轮流道的水力损失，试验结果证明：窄流道离心式叶轮的水力设计是成功的，满足小流量泵的性能要求，其性能曲线平坦，效率比设计值高3%，使用范围宽，运转平稳，叶轮的几何尺寸加工制造易保证。     

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.     

基于UG的离心泵叶轮造型设计

叶轮是离心泵主要的过流部件,而叶片的造型是叶轮设计的难点,也是影响离心泵性能的关键因素.为此,通过离心泵木模图,利用uG软件对叶轮进行了三维造型,并对叶轮扭曲叶片的型面质量进行了分析,使叶轮造型更加准确,提高了叶轮设计效率,为后面叶轮三维流场分析和数控加工等提供了良好的模型基础.     

离心泵全流场与非全流场数值计算

为研究不同计算域对离心泵数值计算结果的影响,采用虚拟分块网格划分技术和标准k-ε湍流模型,对5台不同比转数离心泵设计工况下的内部流动进行了三维定常全流场与非全流场数值模拟.基于全流场和非全流场数值计算结果分别进行了性能预测和内流场特征分析,并将性能预测结果与试验结果进行了对比分析.结果表明：不同计算域对数值计算结果影响显著;全流场数值模拟性能预测精度高于非全流场数值模拟,扬程预测精度平均高1.54%,效率预测精度平均高1.67%;流场分析发现两种计算方法得到叶轮内的静压分布基本一致,而蜗壳内静压分布存在着明显差异;全流场数值计算得到的叶轮与蜗壳的间隙速度分布呈现层状分布,而非全流场数值计算得到的结果呈三角形分布;由于全流场计算区域考虑叶轮进口口环、前后盖板间隙流的影响,其数值计算得到的蜗壳断面内二次流分布并不完全对称.