离心泵叶轮内部湍流流场的数值模拟

为了进一步探索泵叶轮内部三维流场的参数、为泵的设计提供理论依据，以IB50-32-250离心泵叶轮的设计参数为依据．根据叶轮内部湍流流动的通用方程建立湍流模型，利用ANSYS8．0对离心泵叶轮内部流场的速度、压力进行数值模拟，初步得出了叶轮内部流场主要特征和分布规律．对研究流体机械叶轮部件内部的流动情况具有参考价值。     

离心泵关死点内部流动数值模拟

采用非定常雷诺时均方法结合SST湍流模型,对一比转数为86.44的离心泵零流量工况下的内部流动进行了三维全流场数值模拟。基于数值模拟结果,预测了离心泵关死点扬程并与试验结果进行了比较,同时分析了关死点内部流动规律。研究结果表明,CFD预测的关死点平均扬程误差为4.7%;流道1的进口和出口各有一个旋转方向相反的漩涡,2个漩涡在一个周期内会各自发生不同的状态改变,且呈现明显的周期变化;蜗壳扩散段的绝对速度接近于零,流道1内叶片工作面的高速区面积先增加后减小;蜗壳内的静压分布变化明显,流道1的工作面出口处高压区面积随着叶轮的旋转不断减小;泵进口始终存在着6个大小不同的漩涡,且这6个漩涡基本堵塞了整个流道。     

离心泵水力性能数值预测

采用标准κ-ε湍流模型和SIMPLEC 算法,将近年来快速发展的CFD技术应用在不同的工况下,并对离心泵内流场三维不可压湍流的流动进行数值模拟,揭示了泵内部湍流流场的分布规律,对于了解离心泵内部的流动情况、改善内部流动、提高离心泵的效率和改进离心泵的水力设计有一定的参考价值.     

导叶式离心泵内部流动特性数值模拟

采用SST k-ω湍流模型对导叶式单级离心泵内部流场与压力场进行非稳态数值模拟,并进行试验验证。根据数值计算结果分析导叶、蜗壳内非定常压力回收与总压损失、压力脉动等特性。结果表明,数值模拟性能预测结果与试验结果较吻合;由于动静干涉作用影响,导叶与蜗壳内总压损失、静压回收呈现周期性波动,且导叶内总压损失与静压回收都大于蜗壳;导叶内大量漩涡主要由导叶叶片前缘漩涡诱导产生,且逐渐向出口延伸,而蜗壳内漩涡主要由导叶叶片尾缘诱导产生。叶轮中最大压力脉动强度集中于叶轮出口处,导叶与蜗壳中压力脉动强度最大区域分别集中于导叶前缘附近、蜗壳出口。     

离心泵叶轮内流数值模拟的现状和展望

结合计算机技术的发展，论述了离心泵叶轮内部流动数值模拟研究的历史和现状，对用于离心泵叶轮内流的数值模拟方法进行了较为详细的介绍；并在总结前人所做工作的基础上，提出了离心泵内流计算的发展趋势。     

偏置分流叶片离心泵叶轮内部流动数值模拟

对偏置的分流叶片离心泵叶轮内三维不可压湍流场进行数值模拟。计算采用雷诺时均方程和修正的κ-ε湍流模型。应用压强连接的隐式修正法（SIMPLE-C）建立的压力速度校正方程基础上,利用贴体坐标系和交错网格技术进行计算。计算结果首次揭示了不同偏置位置的分流叶片离心泵叶轮内湍流流动的速度分布、压力分布规律,并对增加分流叶片后叶轮内部的流动状况进行了分析和研究。研究结果表明在分流叶片前缘区,压力最低,相对速度增加到一个较高的值,且分流叶片冲刷了尾流,在分流叶片偏向吸力侧时速度分布、压力分布都更加趋于合理。     

OC150-30型离心泵内部湍流场的数值模拟研究

基于标准k-ε双方程紊流模型,采用SIMPLE算法,通过求解时均化的Navier-Stokes方程,利用FLUENT软件对OC150-30型离心泵叶轮和压水室内部流场,按叶轮旋转位置的不同进行二维数值模拟和分析.研究表明:叶轮流道内流体的流速和压力呈明显非轴对称,最大动压强出现在叶片出口附近,并在叶片吸力面出现较大涡流区,当叶片旋转至蜗壳隔舌附近时叶轮出口出现回流;弯锥形扩散管内存在较大回流,将其改成直锥形扩散管后流场得到明显改善.     

离心泵叶轮内部流动的PIV正交测量

按正交试验要求,设计制作了9副长短叶片复合式离心泵叶轮.正交因素为短叶片进口直径D’、短叶片进口偏置角θ1和短叶片出口偏置角θ2,每个因素取3个水平.在设计转速下(1 250r/min),应用粒子图像速度仪测试了每个叶轮在4种不同工况下的叶轮内瞬时流场.揭示了叶轮内相对速度矢量场的特征及其分布规律,发现叶轮叶槽内部的流动具有非对称、非均匀的特点,即吸力面附近的相对流速高于压力面附近的相对流速,吸力面附近的相对流速沿前进方向递增,压力面附近的相对流速沿前进方向递减.吸力面的前端(进口处)存在高速区,压力面前端(进口处)存在低速区.短叶片的形状、位置对叶轮内流场有显著影响,不同方案的差异较大.当短叶片进口直径适中,进口偏置角较大,出口偏置角适当时,叶轮内流场流态较好.外特性测试与粒子图像速度仪测试所揭示的规律一致.     

离心泵蜗壳内部三维不可压湍流场数值研究

基于标准k-ε湍流模型,采用SIMPLEC算法,在贴体坐标系下,通过求解时均化的Navier-Stokes方程,对离心泵蜗壳内部三维不可压湍流场进行了数值模拟。得到了离心泵蜗壳内速度、速度矩、压力等参数的分布,分析了蜗壳内部流动的特征。研究结果表明:蜗壳对称面上流动比较均匀,随着半径的减小,周向速度分量和径向速度分量逐渐增加,且径向速度分量增加得较快;各径向截面上,速度分布的对称性好,幅角>160°后,径向截面上出现二次流现象;速度矩沿径向的分布随半径增大略有提高,沿蜗壳幅角方向的分布不等于常数,但其平均值基本不变;蜗壳内压力分布较为均匀,只是在隔舌附近有较大的压力梯度;流量沿蜗壳包角的分布基本遵循线性规律。     

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.     

离心泵叶轮内变工况三维湍流数值模拟

采用工程上广泛使用的标准k—ε两方程湍流模型，对离心泵最佳工况和大流量工况、小流量工况进行了叶轮内部流动的数值模拟，对3种工况下叶轮内的相对流动、径向流动及切向流动进行了分析，探讨了轴向旋涡的特征、叶片流道的挟持约束作用、叶片流道内的压力分布与流量的关系等流动特性。     

多面体网格在离心泵内部流动数值模拟中的应用

针对非结构四面体网格在离心泵内部流动数值模拟中计算效率和离散精度方面的技术缺陷,采用聚合式多重网格方法生成的多面体网格及非结构四面体网格建立XA65/20型单级单吸离心泵内部流场的数值模型,利用Ansys Fluent 13.0对设计工况及多个非设计工况下离心泵内部流场进行了数值计算,得到其内部流场的静压、速度以及湍动能分布情况,并对其内部流动状态进行分析.在数值计算的基础之上,对样机进行了性能试验,预估泵的扬程及效率并与试验值进行对比分析.数值模拟结果表明:多面体网格收敛速度较快、残差曲线更为光顺、占用计算机内存较少,得到静压、湍动能分布更为均匀.模拟计算结果与试验数值的对比验证了多面体网格模拟计算值的可行性与准确性.从网格设置时间、计算成本、数值耗散3个角度分析,多面体网格能较好地应用在离心泵内部流动数值模拟中.     

微型离心泵的节流使用

通过理论和试验数据,分析了离心泵起动、运行、开阀和关阀负荷的偏差,论述了离心泵节流使用的可靠性。     

低比转数离心泵内部流动特性和外特性试验

为研究分流叶片对低比转数离心泵内部流动和性能的影响,在原型泵叶轮(具有4长4短叶片)基础上,设计了8长叶片的叶轮模型.基于雷诺时均Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型对各模型泵内的流场进行三维定常数值模拟计算,得到了泵内部流动特性.同时对原型泵进行外特性试验,并将计算结果与试验结果进行对比验证.数值计算结果表明:离心泵蜗壳内的周向速度大于径向速度,流体呈周向流动;径向速度随着周向角度的增大缓缓变大;8长叶片的叶轮相对于4长4短叶片叶轮在设计流量工况下具有更高的扬程和效率,8长叶片的叶轮比4长4短叶轮具有更好的水力性能;8长叶轮的叶片进口处具有更大的相对低压区;叶轮内部都存在旋涡,相对于4长4短叶片的叶轮,8长叶片的叶轮具有更大的涡.试验结果验证了数值计算的正确性.     

射流自吸式离心泵三维湍流数值模拟与实验分析

为了获取射流自吸式离心泵内部流动信息,以一内置射流喷嘴的自吸式离心泵为研究对象,建立了各过流部件三维水体,采用了RNG k-ε湍流模型,通过6组网格无关性检查,确定了计算所需网格,运用CFX 14.0流场分析软件数值模拟预测了7种不同工况下外特性和内部流动,得到了全流场压力、速度等物理量变化规律,并将数值模拟结果与开式实验台测试结果作了对比分析。结果表明,设计工况下数值模拟与实验扬程、轴功率和效率的相对误差为2.63%、6.16%和14.29%,泵实际效率较低,其值为15.68%;当流量Q3.5 m3/h时数值模拟和实验的功率曲线呈近似水平直线,变化很平缓;喷嘴到直线段之间的速度分布沿旋转轴对称,扩散段和叶轮进口之间速度呈上大下小分布,液流不均匀进入叶轮进口;L=0.148 m处是静压、速度和湍动能耗散率等物理量剧烈变化的分界点,静压在此处为最小值,而速度和湍动能耗散率为最大值。数值计算结果为该泵性能预测设计提供了直观的理论依据。     

离心泵内部流场试验研究与数值计

采用先进的流场测试仪器PIV在不干扰流场的情况下,对叶轮内部流场进行高精度测量,并利用流场计算软件Fluent对离心泵在不同工况下的流场进行模拟,获得了流道中相对速度以分布。结合数值计算与实验研究,对离心泵叶轮内部流场进行了初步分析。实验结果表明,计算所采用的 模型的修正方法基本符合此型泵内部流动的实际情况。     

基于MUSIG模型的气液两相流离心泵内部流动数值模拟

为了解决当前气液两相流泵内部流动数值模拟中所采用的欧拉-欧拉双流体非均相流模型无法考虑气泡离散相粒子直径的变化以及气相之间的聚合作用与破碎作用,导致在高含气量时的模拟结果与试验存在一定差距的问题,文中将一种新型的欧拉-欧拉双流体拓展模型,即MUSIG模型用于气液两相流泵内部流动的数值模拟,通过与气液两相流工况外特性试验数据对比发现,入口含气率在5%左右时,MUSIG模型计算得到的外特性曲线与试验结果有轻微偏差,整体趋势吻合较好;普通的欧拉-欧拉两相流模型在大含气率下与试验相差较大.基于MUSIG模型,分析入口含气率对内部流动特性的影响,结果表明:入口含气率的增加会引起内流失稳,流线紊乱,气相逐渐聚集在前盖板与流道中间部位,最后引起能量损失,叶轮出口压力下降.这些现象会随着入口含气率增加而逐渐加剧,最终扬程与效率均会随着含气率增加而下降.含气率小于3%时,内流较稳定;当入口含气率为5%时,扬程下降至32 m,效率下降至55%,推测此时流道内气相聚合,生成气囊.     

离心泵内部不稳定流动的PIV测试

以一台比转数为74的离心泵为研究对象,首先通过外特性试验发现当流量约低于18 m3/h后,泵的扬程随流量变化非常小,然后采用PIV技术探索了该扬程曲线下叶轮流道内不稳定流动涡的发生、发展规律。试验结果表明:不稳定流动在0.6QBEP工况开始产生,直到0.4QBEP工况得到发展,最后在0.1QBEP时几乎扩展到整个叶轮流道;叶轮旋转过程中,靠近蜗壳隔舌处的叶轮流道内流动最不稳定,也是最先出现分离涡的流道;随着流量的降低,附着于叶片工作面的分离涡逐渐增多、汇聚,不断发展的漩涡向流道出口移动的同时,也偏向于流道中心。     

叶片进口边位置对离心泵性能的影响

为了研究叶片进口边位置对离心泵外特性能、内流场的影响规律,在原型泵的基础上,设计了叶片进口边位置不同的5种叶轮,基于SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,分别对5种叶轮的离心泵在清水和含沙水介质下进行三维全流道定常数值计算.结果表明:针对低比转数离心泵,叶片进口排挤严重,使叶片进口边向出口方向延伸可以使叶片进口处的流动更加均匀,液流的流动速度减小,叶片表面的压力变大,从而改善空化性能;在一定范围内变动叶片的进口边位置对离心泵的扬程、效率影响不大,但是当叶片的进口边位置向出口方向延伸过多会导致叶片对液流的做功能力下降,从而使离心泵的扬程明显下降;当离心泵在相同工况下运行时,离心泵进口沙粒含量的增大会使离心泵的扬程、效率降低,且会使流道内空化核的数量增大,从而导致空化性能变差.     

离心泵空化流动数值计算

为了研究离心泵内部复杂的三维空化特性,采用改进的空化模型和湍流模型中的Standard k-ε模型和修正的RNG k-ε模型,对离心泵内部有、无空化流动进行了计算和分析,得到了设计工况下初生空化、发展空化和严重空化时叶片吸力面和压力面上的压力,并与无空化做了对比,提出了空化初生判定准则,系统划定了离心泵的空化区域。结果表明,随着进口压力的降低,空泡首先出现在叶片进口的吸力面,然后沿着叶片型线运动,形成附着空泡,进而空泡尾迹脱离主流,偏向压力面,堵塞部分流道,最终占据全部流道,使液流断裂;设计工况下初生空化数(σ=0.306 7)和严重空化数(σ=0.028 1)相差一个数量级;从叶轮子午面上看,空泡首先在靠近后盖板处出现,逐步向前盖板运动,并附着在前盖板圆弧附近;离心泵空化细分为初生空化、临界空化、发展空化、完全空化、断裂空化5个空化过程。