交错叶轮双吸离心泵空化特性研究

为了探究交错叶轮双吸离心泵的空化性能,结合Rayleigh-Plesset空化模型和RNGk-ε湍流模型,对一叶轮两侧叶片进行交错布置结构的双吸离心泵内部空化流动进行了数值模拟,分析了空化对泵内压强分布的影响,绘制了空化特性曲线,并分析了不同工况下叶轮所受径向力,同时研究了空化对叶轮叶片空泡体积分数及泵内湍动能分布的影响。结果表明,交错叶轮双吸离心泵空化特性同常规离心泵空化特性具有一致性,空化对叶轮所受径向力大小以及湍动能分布都有较大影响。     

离心泵内部空化流动的数值预测

为了研究离心泵内的空化流动,将完整空化模型和混合流体两相流模型相结合,对比转速为95的离心泵叶轮在设计工况下的空化流动进行数值模拟.介绍了空化流动的模拟方法,通过计算获得了叶片表面压力分布,并得出了该离心泵的有效空化余量一扬程落差特性曲线,有效地预测了流道内空蚀发生的部位和发展情况.结果证明,叶轮内空化区域的增长使离心泵的扬程下降,影响到泵的运转特性;当泵内发生少量空泡时,不会影响到外特性的变化,而当空泡大量发生时,会堵塞流道,使液流连续性破坏,性能下降,这与理论结果基本吻合,计算值与规定值的误差在5%以内.数值模拟计算方法较好地模拟了离心泵内的空化两相流的静态特征.     

叶片数及分流叶片对离心泵流场和空化性能的影响

对一低比转数离心泵模型,在叶片数分别为3个长叶片,3长3短(3/3)分流叶片,6个长叶片的三组叶轮方案下,对离心泵内部三维定常湍流空化流场进行数值模拟,计算不同叶轮方案下的外特性曲线和空化特性预测曲线。结果表明:在空化充分发展的工况下,叶片数少的叶轮方案扬程对NPSH降低较敏感;随着叶片数的降低,叶轮进口低压区面积减小,叶片的载荷增大。采用分流叶片,不仅减轻了叶轮进口处因叶片太多带来的排挤严重现象,而且提高了泵的扬程,离心泵空化性能也得到改善。随着叶片数的增加,叶片表面载荷逐渐减小,对于带分流叶片的叶轮,长叶片载荷在径向位置大约为分流叶片进口直径处下降曲线变陡。模拟结果能较好地反映不同叶轮方案下叶片数对离心泵内空化发生的影响,为空化特性的研究奠定了一定的理论基础。     

诱导轮偏转角对离心泵叶轮空化性能的影响

为了阐明诱导轮偏转角对离心泵叶轮空化性能的影响,改善离心泵的空化性能,找到最佳周向位置,基于均相流假设,采用IDM空化模型与RNG k-ε湍流模型,先选取诱导轮偏转角分别为0°,10°,20°,30°,40°,50°共6种方案,对离心泵外特性及诱导轮和叶轮空化性能进行数值模拟和试验对比,得到不同方案下离心泵的性能数据.计算得到的NPSHR曲线与试验数据吻合较好,验证了计算方法的准确性;基于数值模拟结果,分析了不同偏转角下诱导轮与叶轮内气泡分布规律,发现不同偏转角下诱导轮和叶轮内空化发展过程及气泡发展规律基本相同,但偏转角为10°时气泡发展速度较慢、各空化阶段分布面积较小,进一步选择5°和15°偏转角进行计算分析,得到更精确的结论,即诱导轮偏转角为5°时离心泵的综合水力性能最优.     

离心泵内部空化特性的CFD模拟

基于ANSYS CFX软件应用标准k-ε湍流模型、均质多相模型和Rayleigh-Plesset方程,对一比转数为94的离心泵在不同工况下其内部的空化特性进行数值模拟.根据模拟结果预测了模型泵无空化时的能量特性和发生空化时的空化性能,分析了不同空化状态下叶轮中间流面内的空泡分布和叶片中间流线上的载荷特性,并与试验结果进行对比.结果表明：预测结果具有一定的精度,模型泵在3个工况下空化余量的绝对误差分别为0.25,0.29和0.06 m.流场分析表明：随着进口总压的降低,空泡首先在叶片背面进口边附近产生,然后沿流线向叶轮出口扩散,并随着流道过流面积的增加向叶片工作面扩展;与其他叶片相比,正对蜗壳隔舌叶片中间流线上的载荷最小.随着泵空化程度的加剧,除正对蜗壳隔舌的叶片外,其余叶片上相对位置为0.35～0.80处的载荷明显增加,说明空化对叶片载荷有较大的影响.     

叶片交错布置对双吸泵空化性能的影响分析

为研究叶片交错布置对双吸离心泵空化性能的影响,选用RNG k-ε湍流模型和基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型,考虑泵腔和工艺圆角的影响,分别对叶片交错角为0°、10°、15°、20°、30°的5组角度在设计工况下进行了全流场空化流动模拟和性能试验。为突出研究结论的共性,引入交错度的定义,并分析了不同交错度下叶轮中间流面的空泡分布、扬程和叶轮扭矩变化,同时验证了所选数值计算模型的准确性;从数值分析中得到,选择合理的交错度可以有效提高双吸离心泵的抗空化性能。不同交错度下叶轮所受扭矩急剧下降时对应的有效空化余量均不同,当交错度为1时,叶轮所受扭矩在未空化时较为稳定且在空化时损失较少;当有效空化余量小于临界空化余量时,双吸离心泵叶轮流道内低于当地空化压力的区域,交错度为1时相对最少,即空泡占据流道过流面积最少,此时双吸叶轮的空化特性也相对较好。     

低比转数冲压多级泵叶轮内三维流动数值模拟

应用标准k-ε湍流模型加壁面函数法对低比转数冲压多级离心泵叶轮内的三维湍流流动进行了时均N-S方程的数值计算。分析了叶轮内部流场的速度分布和压力分布,研究了离心泵叶轮通道内流动的规律。并利用CFD软件CFX的模拟结果得到了设计工况下离心泵叶轮的扬程和效率的预测值,预测结果与相关的试验数据相吻合。     

混输泵小流量工况的空化特性

为改善混输泵在小流量工况下的水力性能,采用基于均相流假设的多相流模型和Rayleigh-Plesset方程,应用标准k-ε湍流模型,对混输泵小流量工况全流道空化流场进行数值模拟,分析几种典型空化工况下混输泵的输运性能以及在不同工况下叶轮内部空泡的分布规律,最后根据模拟结果预测混输泵的能量特性并与试验结果作对比分析,从而在一定程度上验证了数值模拟的可靠性.研究结果表明:在小流量工况下,叶片进口绕流和动静干涉对叶轮内的流动分离产生较大的影响,同时旋涡形成的低压区会加剧进口空化、降低泵的混输性能;从初生到深度空化发展过程中,空化首先发生在叶片进口和靠近中间位置,在叶片背面进口的空化程度较严重,越靠近轮毂空化程度越严重,甚至阻塞流动,加剧叶轮内相态分离.该研究结果为混输泵的进一步优化设计、性能改善及实验研究提供理论依据.     

射流式离心泵性能及内部流动特性

为研究射流式离心泵内流动机理,以JET750G1型射流式离心泵为研究对象,搭建试验测试系统,分别对不同安装高度下射流式离心泵的空化及能量特性进行试验研究;基于k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对0 mm安装高度下泵各工况点内部流动进行数值模拟.试验结果表明:当流量增大到一定程度之后,扬程-流量、功率-流量、效率-流量曲线均急剧下降;随着安装高度的增大,陡降起始点向小流量工况偏移.数值计算结果表明:扬程、功率、效率的数值模拟结果与试验值基本吻合,数值模拟性能陡降起始流量点比试验值大0.5 m³/h;射流式离心泵由于其面积比值较小,射流剪切层被迅速排挤到喉管壁面,泵内最低压力点出现在喉管内喷嘴稍后处,空化最早发生在该处;随着流量的增大,空化区域急剧向叶轮进口扩展,性能陡降起始点正好是泵内初生空化流量点,射流式离心泵的空化性能取决于其射流器的空化性能;射流器能提升离心泵扬程和自吸性能,但射流器内高速回流及强剪切流动,导致其效率及空化性能大幅下降.     

蜗壳式混流泵空化工况扬程下降机理

基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型和剪切应力输运湍流模型(SST),应用计算流体动力学技术,对比转数n s为449的蜗壳式混流泵设计工况下的流场进行空化数值模拟分析.根据模拟结果获取了该泵的空化特性曲线,对开始发生空化、临界空化和空化严重3种工况下叶轮内的空化现象进行分析,并找到混流泵空化断裂和扬程下降的原因.数值模拟结果和试验结果一致,误差在5%以内.模拟分析结果表明:流道内的空泡增多到一定程度后会使液体发生边界层分离,产生旋涡,通过叶轮流道内空泡体积分数和叶片背面流线分布图可以看出,旋涡是导致该混流泵空化断裂工况下扬程下降的最主要原因,初步揭示了混流泵内空化流场的分布规律.     

双蜗壳离心泵空化流动对隔舌处压力脉动特性的影响

应用数值计算方法分析了双蜗壳离心泵内空化流动影响隔舌部位压力脉动特性情况,以进一步明晰空化流动诱导泵振动噪声机理.采用SST k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对设计工况下的泵内空化流动和无空化流动进行了非定常数值模拟,数值模拟结果表明:SST k-ω湍流模型能准确预测双蜗壳离心泵的能量特性指标;泵内空化的空泡初始产生于叶轮叶片进口吸力面根部,随着装置空化余量的降低,空泡云沿着叶轮叶片吸力面向叶片出口和前盖板方向发展,叶轮内部空泡的发展并不均匀,加剧了叶轮内部流动的不稳定性.对比叶轮旋转一周在空化和无空化流动状态下发现,2个隔舌处各个监测点的压力脉动具有明显周期性,在无空化状态下,隔板进口处监测点的压力脉动主频为2倍叶频,其他监测点压力脉动主频均为叶频;空化状态下2个隔舌处各个监测点的压力脉动主频均为叶频,压力脉动幅值明显增大.     

前置导叶预旋调节离心泵性能的数值预测与试验

在分析叶轮进口流态的基础上,给出了一种用于调节离心泵工况点的前置导叶水力模型设计方法,目的是通过减小离心泵在变工况条件下叶轮进口的冲击损失和回流损失来改善在非设计工况的水力性能,拓宽高效运行范围.基于SIMPLEC算法,通过数值求解Reynolds平均Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型方程,模拟了不同预旋角度下前置导叶离心泵全流道的三维湍流流场,外特性计算结果和试验数据吻合较好.在此基础上,分析了离心泵前置导叶预旋调节的基本规律及调节机理.     

空化条件下离心泵泵腔内不稳定流动数值分析

为研究不同空化发展阶段离心泵泵腔内的流动情况及其对叶轮的影响,提出了一种泵腔区域的拓扑块生成和结构化网格划分方法。在充分考虑近壁区网格质量的基础上,采用SST k-ω湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型对设计工况下某离心泵进行了全流场空化数值模拟,并计算了3种有效汽蚀余量下泵腔内的非定常流动情况及其对叶轮的作用力。结果表明:空化造成泵腔内压力脉动的幅值增大,由于前口环的存在,其前泵腔内的压力脉动幅值大于后泵腔;空化的加剧造成泵腔内宽频脉动的增加,以轴频最为明显;空化的加剧不仅影响泵腔内的流态,同时也增大了设计工况下作用于叶轮上的径向力和轴向力。     

离心泵内部非定常空化流动及其可视化

基于混合多相流模型,不同的湍流模型及完整空化模型,对比转数为86的离心泵内部流道的空化流动进行了定常和非定常的数值模拟,预测了空化初生阶段、发展阶段和空化严重阶段叶轮流道内空泡分布的形态特征。利用高速摄像机和设计的可视化离心泵,对空泡形态特征和连续时间内的叶轮内空化流场的观察与分析,获得了叶轮旋转过程中相邻叶片流道中非定常空化流动的变化规律。结果表明:拍摄所得空泡形态特征随NPSH的变化规律与数值计算结果基本一致,验证了数值计算的有效性;当某一叶片背面上或某一叶片流道内出现严重空化时,紧跟其后的叶片背面上或叶片流道内空化现象会受到抑制,但在其工作面上会出现明显的空化区。     

径向回流平衡孔低比转数离心泵空化性能研究

选用ns=26的低比转数离心泵为计算模型,保证蜗壳和叶轮其他几何参数不变的前提下,平衡孔中的液体分别采用径向回流、传统轴向回流以及无平衡孔结构这3种方案,基于混合流体的连续性方程、动量方程、标准k-ε湍流模型、均质多相模型和Rayleigh-Plesset方程对叶轮内的空化进行数值模拟。计算得到的H-LNPSHa曲线与试验结果吻合较好,验证了计算方法的准确性。研究结果表明:具有径向回流平衡孔的低比转数离心泵平衡孔回流方向与叶轮来流方向基本一致,能够明显改善该泵的空化性能。     

叶轮几何参数对离心泵断裂空化性能的影响

为了改善离心泵的空化性能,研究离心泵断裂空化发生机理,对1个比转数为134的单级离心泵进行空化性能的模拟计算,通过改变叶轮的进口直径、叶片进口安放角和叶轮出口宽度进行数值模拟,根据模拟结果预测了模型泵的空化性能,并分析不同空化余量下叶轮流道内的气泡分布.研究结果表明:在额定工况下,随着进口压力的降低,空泡首先在叶片背面进口边附近产生,然后随着叶轮旋转沿流道向叶轮出口扩散,并随着流道过流面积的增加向叶片工作面扩展;叶轮流道内气泡呈不对称分布的主要原因是由于叶轮与蜗壳的动静耦合作用,使叶轮叶片表面的压力分布不对称造成的;与叶轮进口参数相比,叶轮出口宽度的变化对离心泵空化性能的影响不大;当增大叶片进口安放角后,减小了叶片的弯曲程度,叶片进口的过流面积增大,空化性能得到改善,相同进口压力下的空化余量值减小;在进口直径和进口安放角的变化过程中,均存在一个最佳值,最佳值对离心泵效率和空化性能的提高具有重要意义.     

低比转数冲压焊接离心泵三维湍流数值模拟

对一低比转数冲压焊接离心泵在带分流叶片以及不带分流叶片情况下的叶轮及蜗壳耦合场进行了数值模拟.计算采用雷诺时均方程和RNGk-ε湍流模型,速度与压力耦合采用SIMPLEC算法.计算了设计工况、小流量工况及大流量工况下离心泵内部流场分布.增加分流叶片后.离心泵叶轮流道内的回流和二次流现象得到了有效控制.对比分析性能预测与试验结果的差异,在设计工况时离心泵性能预测的最大偏差为3%;非设计工况时性能预测的最大偏差为10%.     

高比转数离心泵空化状态下的压力脉动特性

通过相似变换得到高比转数离心泵缩小模型,并通过试验和数值模拟发现模型泵和设计泵的性能曲线相近,可代替设计泵进行试验研究.基于RNG k-ε湍流模型,采用SIMPLEC方法求解不可压缩时均方程,通过对离心泵内部流场进行定常和非定常数值模拟,得到不同工况点的外特性、汽蚀及压力脉动特性.并通过模拟结果和试验结果的对比,验证了模拟的准确性.通过模拟发现,额定流量下隔舌处的压力脉动幅值最大;不同工况下各检测点的压力脉动主频均为叶频;隔舌压力脉动最大,进口压力脉动最小.额定工况下压力脉动幅值最小,非设计工况下压力脉动幅值明显增大;通过对空化不同阶段的瞬态数值模拟,发现从未空化到严重空化,不同工况下隔舌和出口处的压力脉动变换规律相同,随着空化发展压力脉动幅值降低,且脉动主频均为叶频;并且随着空化程度加剧,压力脉动高频成分增多,各监测点主频下降明显,并可将此作为判定空化初生的依据.     

诱导轮进口轮毂比对离心泵空化性能的影响

以某型LNG电动超低温潜液泵作为模型泵,基于数值计算和试验,研究了诱导轮进口轮毂比对空化性能的影响规律.采用RNG k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型对模型泵进行全三维数值计算,试验验证了数值计算的准确性,并选取诱导轮进口轮毂比分别为0.260,0.274,0.289,0.303和0.318的5组离心泵设计方案,对比分析了诱导轮和叶轮内空化发展过程、静压分布规律及离心泵的空化特性曲线.结果表明:采用不同诱导轮进口轮毂比的离心泵,其诱导轮和叶轮流道内的空化发展过程基本一致,空化首先发生在诱导轮进口轮缘处的低压区;增大诱导轮进口轮毂比会提高诱导轮轮缘处液流的进口轴面速度,致使叶片进口冲角降低,在叶片吸力面产生脱流,并且低压分布区域的面积逐渐扩大,离心泵的空化性能下降.因此,在诱导轮的设计过程中,为了获得更高的离心泵空化性能,可在适当范围内降低诱导轮进口轮毂比.     

轴流泵空化流动的非定常特性研究

为了研究轴流泵内部空化流的非定常特性,基于ANSYS CFX软件,应用SST k-ω湍流模型和RayleighPlesset的均相流空化模型,对一台轴流泵在最优工况点下的空化流场进行了定常与非定常数值模拟,获得轴流泵的外特性与空化性能,并与试验结果进行了对比。同时对泵内不同位置、不同空化余量下的压力脉动进行了时域和频域分析。结果表明:空泡首先出现在叶片背面进口边轮缘处,随着空化余量的降低,空泡逐渐向叶片中部发展,直至覆盖整个叶片背面;空化的发生会改变叶片背面的压力分布,影响泵的性能;叶轮进口和出口处监测点的压力脉动具有明显的周期性,全部有3个波峰和波谷,与叶片数紧密相关;空化发生后,不同工况下叶轮出口压力波动均明显增强,且其主频均为叶频。