轴流泵叶轮内部三维流动分析

基于N-S方程和标准K-ε紊流模型，采用非结构化网格技术，用速度压力校正法对设计工况下的轴流泵叶轮内部的三维紊流场进行了详细的数值计算与分析，得出其内部流场、压力场的分布情况，预测其性能，并据此提出了叶型优化的设想。     

高转速轴流泵性能及叶轮内湍流流场分析

为了探索高转速轴流泵的性能及内部流场特性,自行设计一转速为2 900 r/min的轴流式模型泵,并基于ANSYS CFX 11.0商用软件,采用κ-ε模型对模型泵多个工况点进行了三维湍流数值计算,计算得到了叶片表面的速度、压力分布.基于数值计算结果对高转速轴流式模型泵性能进行预估和叶轮内部流场分析,结果表明:高转速轴流泵最高效率较低,但效率曲线平坦,高效区较宽;叶片压力面存在小范围的径向流动.最后,提出对叶片进行优化设计的思路,为研发性能优良的高转速轴流泵提供一定的参考.     

轴流泵叶轮内空化流动的数值计算

首先通过轴流式模型泵外特性试验,确定了汽蚀性能曲线。基于完整空化模型和混合流体两相流模型,对轴流式模型泵设计工况下叶轮内空化流动进行全流道数值计算。选择空化开始发生、临界汽蚀点以及空化严重时3个工况比较分析叶轮内空化流动的发展情况。计算获得了不同汽蚀余量时叶片背面静压、空泡体积组分分布和不同轴截面上的空泡体积组分分布。计算结果表明空化最初发生在叶片背面进口靠近轮缘的局部低压区;在临界汽蚀点处,空化发生的区域位于叶片背面进口至出口弦长的2/3处,面积约占叶片背面面积的50%,随着空化程度的进一步加剧,空化区域逐渐向后发展且空泡体积组分逐渐变大,当叶轮流道内发生局部空化时,不会影响到泵的能量性能;空化严重时,靠近进口截面的过流面积受到严重堵塞,泵的能量性能严重下降。计算结果与外特性试验相吻合,较好地揭示了轴流泵叶轮内的空化流动的静态特征。     

串列式轴流泵首次级叶轮能量特性及相互作用

为了分析串列式轴流泵的能量特性以及首次级叶轮之间的相互作用及其对能量特性的影响,采用数值计算的方法,对一串列泵内不同流量工况下的内部流场进行计算．湍流模型采用了一种RANS／LES的混合模式的FBM模型,基于试验结果对数值方法进行了验证,结果显示该数值方法能够较为精确地预测轴流泵的能量特性,FBM湍流模型预测结果精度高于标准k-ε模型．串列泵具有和普通轴流泵不同的能量特性:扬程随流量增大单调减小,功率随着流量增大而缓慢增大,说明串列泵具有良好的调节特性;首级叶轮的能量特性随流量变化而改变,具有和普通轴流泵几乎相同的能量特性,次级叶轮的存在明显改善了首级叶轮在小流量工况下的特性;次级叶轮的能量特性和普通轴流泵相比,具有较大差别,这是由于首级叶轮的存在改善了次级叶轮的进口流动,使次级叶轮在较大流量范围内具有恒定的能量特性．     

大型立式轴流泵装置叶轮选型模型试验分析

轴流泵叶轮选型不当会导致泵站运行工况的偏离,降低使用效率,增大机组振动,影响泵站的高效、安全和稳定运行,合理地进行轴流泵叶轮的选型,对轴流泵的运行具有实际意义。以立式轴流泵模型试验为基础,分析了轴流泵叶轮的选型办法,在传统选型办法基础上增加了以泵站的流量加权平均值、效率加权平均值和临界汽蚀余量加权平均值作为参考的泵站选型办法,可以更加合理地优选出适合泵站运行的水泵叶轮。优选出方案3叶轮,此时泵装置在叶片安放角6°时,流量为398.5 L/s,扬程为6.07 m,效率达到75.5%,临界汽蚀余量达到7.4 m,设计点性能最优,高效区较宽,同时泵装置流量加权平均值为414.25 L/s,效率加权平均值为71.385%,临界汽蚀余量加权平均值为8.435 m,综合性能最优。     

轴流泵叶轮出口流场实

运用球形五孔探针对自行设计的轴流模型泵3种工况下叶轮出口流场进行了测量,得到叶轮出口绝对速度的周向、轴向、径向速度分量和速度环量分布.测量结果分析表明:叶轮出口处流场呈螺旋形向外运动趋势;在最优工况下,出口旋转动能占出口总动能的34%左右,其比例随着流量的增加逐渐减小;绝对速度的径向分量较小,轴向分量随着流量的增加而加大,和设计假设相吻合;叶轮出口速度环量从轮毂到轮缘呈逐渐下降的趋势,设计时应增加轮缘处的圆周分量,减小轮毂处的圆周分量.运用球形五孔探针测量三维流场中的速度分量和速度环量分布,具有适用性强、方法简单、测量精度较高的优点.     

轴流泵叶轮进出口流场的测量

为了获得轴流泵内部流动的真实情况,设计了内部流动测量装置.运用五孔球形探针,对高效轴流泵在0.8Qopt,1.0Qopt和1.2Qopt工况下的叶轮进口和出口速度矢量分布、静压分布和总压分布进行了测量,并分析了不同工况下的轴面速度、环量、圆周方向分速度和压力分布等.测量结果表明：轴流泵模型进口在0.8Qopt至1.2Qopt工况范围内,流动稳定,进口轴向速度从轮毂到轮缘逐渐减小,且进口预旋很小,不同径向位置的静压基本相等.在最优工况下,轮毂与可调叶片间无间隙时,轴流泵叶轮出口基本呈现等环量流型,轴面速度呈现抛物线分布,且效率高.若轮毂侧存在间隙,间隙处的环量、轴面速度、压力和效率均明显下降.     

轴流泵叶轮故障原因及解决措施

轴流泵是一种低扬程、大流量的泵型,在里下河圩区农用排灌中经常使用。但是当管理维护不到位时,就会发生问题和故障。叶轮是轴流泵的核心部件,许多泵站的故障都是源于叶轮出现的问题。1叶轮叶片外侧磨损严重叶片外侧磨损严重,导致叶片间隙过大,原因是水中含沙量过大或者含有大量硬碎杂物。正常出     

空化条件下轴流泵叶轮静应力特性

空化特性和应力特性是轴流泵稳定运行的有力保障,研究空化条件下的应力特征具有重要工程意义。以轴流泵为研究对象,通过顺序流固耦合方法,将该轴流泵内部稳态空化流动的CFD分析结果作为主要力学边界条件,采用有限元方法,对未发生空化、空化初生和空化严重情况下的叶轮应力特性进行了分析。结果表明,轴流泵叶轮最大等效应力均发生在叶片靠近出口边的叶片根部位置;未发生空化和空化初生情况下,应力分布基本一致,最大等效应力值约36 MPa,当空化严重时,高应力区域较前两种情况缩小。取不同截面对叶片内部应力分布进行分析,发现空化严重时,压力面区域根部两端存在高应力区域,向叶片中部递减;而吸力面则仅在出口边一侧存在高应力区域。叶片压力面根部交线上应力分布随空化发生、发展分布趋势基本相似,但是吸力面根部交线上分布将由近似直线分布变为抛物线分布。      

轴流泵叶轮内气液两相流动分析

运用流场计算软件Fluent,对轴流泵叶轮内气液两相三维流场进行了数值计算,分析了水气混合工况下的流动参数分布特点。通过对叶轮流道内的静压分布及含气率分布的分析,揭示了气泡在叶轮流道中的分布特征。研究发现,在不改变叶片安装角的情况下,随着流量的增加,冲角发生变化,导致气泡聚积现象从叶片的背面移到叶片工作面。此外,在叶片背面靠近轮毂处和叶片背面的轮缘处易发生气泡的聚积。     

轴流泵叶轮内部流场的数值模拟

为了进一步提高轴流泵叶轮的设计精度与性能,通过CFD数值模拟软件FINE,应用时均Navierst- okes控制方程,标准模型和SIMPLE算法,对轴流泵叶轮内三元粘性流动进行了数值模拟.获得了叶轮内部的相对总压分布和速度矢量分布;分析了转轮内部流场分布规律,揭示了叶端间隙流动和叶轮流场的相互影响.研究有助于认识叶轮轮内真实流动现象,为改善设计提供了可视化数据支持.     

轴流泵叶轮非线性环量数学模型建立与试验

以轴流泵叶轮出口速度梯度方程和轴面速度表达式为基础,建立了轴流泵叶轮非线性环量数学模型,并推导了叶片出口流动方程式.采用微型五孔球形探针,对南水北调工程用轴流泵模型(TJ04-ZL-06)最优工况下叶轮出口不同半径位置的环量和轴面速度分别进行了试验测量.试验结果表明,高效轴流泵叶轮出口环量呈现非线性分布,在叶片中部较为平直,在轮毂侧环量降低至中部的0.8倍左右,而轮缘侧增大至中部的1.2倍左右;同时叶轮出口轴面速度分布呈现抛物线流型,叶片中部速度最大.基于建立的非线性环量数学模型对叶轮出口轴面速度分布进行了计算,结果表明不同半径的轴面速度计算值与试验值误差均小于5％,验证了数学模型的可靠性.     

基于FINE的水泵叶轮内部流场的数值模拟

采用标准模型和SIMPLE算法,通过数值模拟软件 FINE ,对一台单级农用水泵动叶轮的流场进行了数值模拟.根据计算结果对该水泵的性能进行了分析,成功地预测了水泵叶片汽蚀发生的部位.结果表明,利用CFD进行水泵设计可以大大减少实验成本,缩短实验周期,对于从事流体机械设计的工程技术人员有一定的参考价值.     

混流泵叶轮流场计算与性能试验

综合应用速度系数法和相似换算法设计了混流泵叶轮,在Pro/E平台上采用双三次Bezier曲面实现扭曲叶片造型,运用Gambit软件为叶轮内流道划分网格和定义边界;基于雷诺时均方程、标准k-ε湍流模型和SIMPLE算法,采用Fluent软件模拟了设计工况下的叶轮内部三维流场,得到了流速分布和压力分布图,并分析了它们的分布规律;在清水试验台上进行了性能测试,结果表明所设计的混流泵满足设计要求.     

螺旋离心泵叶轮域流体能量损失研究

以螺旋离心泵为研究对象,采用计算流体力学方法,对叶轮内部流场进行数值计算,分析了叶片工作面和背面轮毂、轮缘处的压强和速度分布。定义Rothalpy值作为能量损失定量评价的指标,对输送介质为清水和固相体积分数为20%、颗粒粒径为0.076 mm的固液两相含沙水在螺旋离心泵叶轮域的能量变化进行了分析,得出叶轮不同位置处能量变化规律。结果表明:叶轮螺旋段头部是整个叶轮域能量转换的过渡区域,螺旋段是叶轮域流体介质能量增加的主要区域,螺旋段中部的壁面摩擦损失对螺旋段做功能力有一定影响,液流在离心段能量损失最大;较输送清水,当输送固相体积分数为20%、颗粒粒径为0.076 mm的含沙水时,叶轮做功能力有所提高,在叶轮出口处,两类流体介质的能量趋于均匀。     

基于混合模型的离心泵叶轮内汽蚀

为了分析离心泵发生汽蚀情况下叶轮内流场的分布以及汽泡相的体积分数，采用两相流混合模型对叶轮内三维湍流汽蚀流场进行数值计算。根据计算结果静压分布和汽泡相的流动特征，揭示叶轮内汽蚀两相流场的内在特性。     

轴流泵装置调速性能的非线性回归模型研究

利用理论推导和试验数据相结合的方法,通过多元非线性回归分析得出轴流泵装置调速性能模型。根据水泵基本方程,结合假定条件推导出轴流泵装置扬程、效率关于转速、流量的特性方程。利用高精度水力机械试验台分别对2种不同类型的轴流泵装置试验测试,分析得出效率和扬程特性曲线随转速变化呈非线性变化的结论。利用试验数据作为观测值,特性方程作为预测模型,利用nlinfit函数和遗传算法相结合的多元非线性回归算法计算得出特性方程的待定系数。对2个算法的分析比较发现,单独利用多元非线性回归算法所求得的系数解趋于局部最优,而结合遗传算法后能得到全局最优解。将所求待定系数代入预测模型,分别将2种轴流泵装置的扬程、效率调速特性试验数据与预测值进行比较,得出:全流量范围内扬程误差绝对值在0~0.8 m之间,效率误差绝对值在0~8%之间;设计工况点附近扬程误差绝对值在0~0.5 m之间,效率误差绝对值在0~5%之间。