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。     

轴流泵多工况压力脉动特性试验

为了掌握不同流量工况下的轴流泵压力脉动特性,在轴流泵叶轮段和导叶段外壁面布置了6个压力脉动监测点,对多个流量工况的压力脉动进行了动态测量,揭示了轴流泵内部不同位置处压力脉动规律。试验结果表明,叶轮进口监测点P1的波形为规则的正弦波形,叶轮内部中间测点P2的压力脉动峰峰值最大,叶轮进口监测点P1压力脉动次之。叶轮进口、叶轮中间和叶轮出口监测点由于受到叶轮内压力梯度的交替变化影响,时域脉动周期与叶片旋转周期一致,在小流量工况下叶轮内部涡流诱导了明显的二次谐波。基于快速傅里叶变换,获得了不同监测点压力脉动频域分布结果,并发现叶轮区域3个压力脉动测点在不同工况的主频均为叶片通过频率(BPF),谐频为叶频的倍数,其幅值呈指数形式衰减。但在导叶进口、导叶中间和导叶出口监测点的压力脉动频域中出现了撞击和回流诱导的低频信号,同时也存在叶轮的主频及其谐频。     

大型轴流泵反向发电压力脉动及流固耦合

为研究南水北调东线某泵站机组反向发电的稳定性,对流道进行了全数值模拟,以研究反向发电工况的压力脉动及应力分布规律.在导叶进口、转轮进口和出口3个截面设置监测点.计算结果表明,轴流泵在反向发电工况下,转轮进口及出口处监测点的压力脉动时域图呈现周期性变化规律.压力脉动频率受转轮转频影响,集中在低频.转轮进口处中部及边缘处水流压力脉动明显,最大压力脉动发生在转轮出口处的中部水流,压力脉动幅值是转轮出口边缘处的近3倍,是转轮进口处中间及边缘的近2倍.叶轮出口处,压力脉动从轮毂到轮缘逐渐增大.研究结果表明,叶片总形变主要分布在叶片进水侧,其形变沿轮毂到轮缘方向逐渐增大;应力主要集中在叶片压力面与吸力面的根部,最大等效应力出现在叶片吸力面的叶轮根处.最大等效应力值在叶片材料安全范围内,对转轮运转机组寿命及破坏不构成影响.     

隔舌间隙对双吸离心泵内部非定常流场的影响

为了研究隔舌间隙对双吸离心泵内部非定常流场的影响,采用大涡模拟方法和滑移网格技术,对双吸离心泵在设计工况下的内部湍流进行了数值计算,重点分析了5组隔舌间隙下泵内非定常流场特性及压力脉动特性.结果表明:随隔舌间隙增大,水泵扬程整体呈上升趋势,效率则整体呈下降趋势;蜗壳内压力脉动频率以叶片通过频率为主,主频和压力脉动幅值均随隔舌间隙的增大呈减小趋势,隔舌间隙增加4％时,隔舌位置1倍叶片通过频率处的脉动幅值降低9％左右;叶片区压力脉动频率以叶轮转频为主,最大压力脉动幅值均出现在2倍叶轮转频处,当隔舌间隙比设计隔舌间隙减小4％时,叶片正面中心位置2倍叶轮转频处压力脉动幅值增加约38％.     

潜水轴流泵内部流场压力脉动的数值模拟

流场压力脉动对轴流泵的运行稳定性具有重要影响,为了准确分析潜水轴流泵的压力脉动特性,采用RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对ZQA系列潜水轴流泵进行了全流道三维流动数值模拟和压力脉动分析.计算结果表明：轴流泵的扬程、功率、效率等外特性计算结果与试验结果基本吻合;轴流泵内部叶轮进口截面压力脉动幅值最大,泵内的压力脉动的主要频率与叶片通过频率相同,导叶后的脉动以低频为主,叶片表面从轮毂到轮缘压力脉动低频成分逐渐减少;在叶片工作面,压力脉动的幅值从轮缘到轮毂逐渐减小,从叶轮进口到出口逐渐增大.叶片进水边轮缘处压力脉动的幅值是轮毂处的1.22倍.在叶片背面,叶片进水边轮缘处压力脉动的幅值是轮毂处的1.77倍,出水边轮缘处压力脉动的幅值是轮毂处的0.92倍,叶片背面的压力脉动幅值明显小于工作面;叶轮进口截面,在0.8Q工况流量下压力脉动最大,为设计工况的2倍.计算结果为进一步分析轴流泵压力脉动提供了参考.     

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。     

轴流泵水力模型压力脉动和振动特性试验

采用高频压力传感器对某一轴流泵模型叶轮进口、叶轮出口和导叶出口3个压力测量点,分别在3个转速1 450、1 200、1 000 r/min的额定流量工况条件下,进行了系列压力脉动测量试验。试验研究结果表明,不同转速下的压力脉动峰峰值不符合泵相似定律准则;不同转速条件下,叶轮进口处的压力脉动主频均为叶频,但叶轮出口的压力脉动主频随着转速的变化而发生漂移;泵内最大压力脉动峰峰值在泵内的位置也随之改变。通过分析转速变化对不同压力测点处的主频和泵不同位置的振动特性影响,发现试验泵不同位置处的振动以流体诱导的低频信号和转子系统质量不均匀诱导的轴频及其倍频为主要特征信号。从振动与压力脉动的频域来看,在0~2倍轴频范围内变化趋势基本相同,且速度变化对二者有相似的影响。在不同转速条件下,压力脉动的频率以1~4倍轴频为主要频域信号范围,但在不同位置处,振动频域范围仍主要以1倍和2倍的轴频信号为主。     

轴流泵内部压力脉动数值预测及分析

基于RANS方程和RNG k-ε模型,采用Ansys-CFX软件对轴流泵泵段进行了多工况三维非定常数值模拟,得到了不同工况下轴流泵内部不同监测点的水流压力脉动值,分析了轴流泵内部不同监测点水流压力脉动的变化趋势,并预测了叶轮进口前由于叶轮转动引起的压力脉动影响范围.通过与实测扬程和效率比较,表明了数值模拟方法的可行性及可靠性.研究结果表明:轴流泵内部压力脉动频率主要受叶轮转动频率控制,较大压力脉动发生在叶轮进口前;叶轮进口处压力脉动从轮毂到轮缘逐渐增大,叶轮出口处压力脉动从轮毂到轮缘先减小后增大,导叶后压力脉动从轮毂到轮缘先增大后减小;小流量工况及大流量工况下压力脉动幅值较最优工况大;受叶轮转动影响,叶轮进口前压力脉动影响至叶轮中心前0.7D左右.     

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。     

不同空化工况下的轴流泵装置压力脉动试验

为研究不同空化工况下轴流泵装置内部压力脉动特性,采用动态压力传感器对派河口泵站轴流泵装置模型叶轮进口、叶轮出口、导叶出口3个压力监测点在2.5、3.5、4.5、5.4m扬程分别在未发生空化、临界空化(泵装置效率下降1%)、深度空化(泵装置效率下降3%)12种工况下进行了压力脉动试验。试验结果表明:叶轮进口处的压力脉动曲线为平滑的近似正弦曲线,叶轮出口处压力脉动曲线幅值最大且只有在高扬程未发生空化工况下在一个旋转周期内表现出明显有规律的二次谐波特性;导叶出口的压力脉动时域特性与叶轮进口相似;快速傅立叶变换(FFT)结果表明:各监测点在各工况下的主频为叶片通过频率的整数倍频,在同一扬程工况下,随着空化程度的加深,各监测点的主频附近的谐频逐渐向低频段移动;导叶出口与叶轮进口受叶频影响较小且表现出相似的频率特性。1     

高比转数混流泵非定常流场压力脉动特性

为了研究高比转数混流泵内部流场的压力脉动情况,采用大涡模拟方法对泵内三维非定常湍流场进行数值模拟,通过对监测点数据的分析得到了叶轮进口、叶轮出口、导叶中间和导叶出口4个截面的压力脉动的时域和频域情况,探讨了产生压力脉动的主要决定因素,同时也对不同流量下的压力脉动情况进行了对比．研究表明:这4个截面的压力脉动幅值从轮毂到轮缘均逐渐增大;叶轮进口截面压力脉动时域图规律性不明显,叶轮出口截面时域图在整个周期内呈现4个小周期,叶轮转动频率控制着叶轮进出口的压力脉动,且其影响随着流体远离叶轮而逐渐减弱;在导叶中间截面和导叶出口截面,叶轮对流体压力脉动的影响逐渐减小,压力脉动以低频振动为主,脉动幅值也大为减小;在不同流量下的压力脉动表现为小流量下幅值较大以及流量对主要频率影响较小,大流量工况下压力脉动情况要优于小流量工况．     

大型轴流泵装置模型试验的压力脉动

为了研究轴流泵内部压力脉动在不同叶片安放角度和扬程下的变化规律及特性,结合南水北调某新建泵站,采用物理模型试验方法,在叶轮进口、叶轮出口和出水流道壁面上布置了3个压力脉动测点,通过改变模型泵的扬程进行试验,采集了转轮模型叶片安放角为±4°及0°的压力脉动信号,并进行了幅值和频谱分析．结果表明,叶轮进口处比叶轮出口处压力脉动大;随着叶片安放角度的增大,3个测点的压力脉动均有所增加,但在叶轮进口和叶轮出口,增加幅度不大。在小扬程工况下,压力脉动的频率值仍以叶片通过频率为主;在高扬程工况下,低于1倍叶片通过频率的低频脉动会随着流量的减小,幅值越来越大,并占据主导地位．     

轴伸贯流泵压力脉动特性及其改善方法

为研究轴伸贯流泵压力脉动特性及其改善方法,应用计算流体动力学数值方法,采用在出水流道内增设导流板的方式进行贯流泵优化设计,并结合真机试验验证了数值计算方法的正确性.研究结果表明:在小流量工况下,原模型与优化模型泵的压力脉动时域特性和频域特性较额定工况下要差,但不同流量工况下叶轮进口处压力脉动特性均受到旋转叶轮显著影响;小流量工况下压力脉动变化强烈,原模型在叶轮出口及后导出口处的压力脉动低频成分明显,增设导流板可有效降低这2处的压力脉动变化幅值及其低频成分;在额定工况下,贯流泵压力脉动周期性规律显著,导流板则能有效降低前导进口及叶轮进口处的压力脉动变化幅值及其低频成分;在不同流量工况下,出水流道内导流板消涡效果均十分显著.     

轴流泵马鞍区水力性能与压力脉动测试与分析

为了分析轴流泵在马鞍区工况的运行特性,对一轴流泵不同工况下的外特性和压力脉动进行了测试,重点分析了轴流泵马鞍区水力特性和压力脉动特性.试验结果表明:模型泵H-Q曲线在0.50Q_d~0.60Q_d内表现出明显的马鞍形,且扬程在马鞍区内0.55Q_d工况时达到最小值,较0.60Q_d工况扬程降低0.33 m,为设计工况下扬程的5.5%;叶轮进口和泵出口处压力脉动具有较为明显的周期性,单个周期内压力脉动表现出明显的4波峰4波谷特征;0.55Q_d工况时,叶轮进口处压力脉动峰峰值为设计工况的2.3倍;各工况下导叶中间和出口处压力脉动规律较为复杂;叶轮进口压力脉动主频为叶片通过频率,0.55Q_d工况叶频处的幅值最大,高于设计工况27.6%.小流量工况下,导叶中间、导叶出口处压力脉动在频域内出现较多低频信号,压力脉动频率成分较复杂.泵出口压力脉动主频在1.00Q_d工况下明显表现为叶频.研究成果可为轴流泵不稳定运行特性的优化提供参考.     

贯流式水轮机低频脉动及尾水管涡带特性研究

为了研究贯流式水轮机内部低频压力脉动特性,针对某电站贯流式水轮机进行了非定常数值计算,分析了不同工况下水轮机内部的压力脉动特性,揭示了贯流式水轮机低频压力脉动产生的机理,并提出了改善低频脉动的方案。研究表明,在额定工况和小流量工况下,水轮机内部的压力脉动主要受到叶片通过频率(5.26 Hz)以及低频脉动(0.20 Hz)的影响,低频脉动的幅值从水轮机进口到出口逐渐增加,且小流量工况的低频压力幅值较额定工况高;不同工况下,水轮机尾水管内均存在一个与转轮旋转方向一致的螺旋状偏心涡带,该涡带按一定周期演变,其对应频率为0.22 Hz,与低频压力脉动频率(0.20 Hz)较为接近,因此可以说明该水轮机内部的低频压力脉动是尾水管涡带引起的;为了减小水轮机低频压力脉动系数幅值,提出了一种在尾水管内增设导流板的方案,该方案能有效降低由尾水管涡带引起的低频压力脉动系数幅值,导流板通过降低尾水管内的涡带能量,达到消涡目的。研究结果可为贯流式水轮机组的稳定运行提供依据。     

不同空化工况下轴流泵装置压力脉动试验

为研究不同空化工况下轴流泵装置内部压力脉动特性,采用动态压力传感器对派河口泵站轴流泵装置模型的叶轮进口、叶轮出口、导叶出口3个压力监测点,分别在2.5、3.5、4.5、5.4m扬程和未发生空化、临界空化（泵装置效率下降1%）、深度空化（泵装置效率下降3%）等12种工况下进行了压力脉动试验。试验结果表明：叶轮进口处的压力脉动曲线为平滑的近似正弦曲线;叶轮出口处压力脉动曲线幅值最大,且只在高扬程、未发生空化工况下的一个旋转周期内表现出明显有规律的二次谐波特性;导叶出口的压力脉动时域特性与叶轮进口相似。快速傅里叶变换(FFT)结果表明：各监测点在各工况下的主频为叶片通过频率的整数倍频,同一扬程工况下,随着空化程度的加深,各监测点主频附近的谐频逐渐向低频段移动;导叶出口与叶轮进口受叶频影响较小,且表现出相似的频率特性。     

混流泵内流场压力脉动特性研究

基于RANS方程和SST湍流模型,应用SIMPLEC算法,对混流泵内流场进行非定常数值模拟,分析了不同流量工况和不同转速工况时混流泵内4个代表性监测面上压力脉动的时域和频域特性.取非定常计算的功率平均值与试验值对比,证明该数值模型可较准确描述泵内流场特征.结果表明:混流泵内最大压力脉动在叶轮进口,从轮毂到轮缘脉动幅值递增;在叶轮进口和叶轮出口压力脉动频率主要为叶轮叶频,而导叶中间和导叶出口压力脉动频率与流量工况相关;偏离最优工况越远脉动越大,偏小流量对叶轮进口压力脉动影响明显;不同转速时最优工况压力脉动频率成分相似,脉动幅值随转速增加而增加.