低比转速离心泵内部流场的数值模拟

利用计算流体力学软件Fluent对低比转速离心泵叶轮内的三维流动进行了数值模拟,不同工况下模拟所得到的结果与实际情况非常吻合。通过对压力场的分析提出了判断叶轮内是否发生空化初生和计算水泵必需空化余量△hr的简洁方法;通过对速度场的分析,从另外一个角度印证了加大流量的设计方法。同时也为分析水泵性能、优选设计方案,提供了一个可靠的途径。     

半螺旋形吸水室水力设计CAD软件开发

归纳总结了目前现有的半螺旋形吸水室的水力设计方法,给出了各断面面积的计算方法及数学模型．在AutoCAD2002平台下,采用VisualC＋＋6．0作为编程语言,在ObjectARX2000环境下开发成功了用于单吸泵和双吸泵半螺旋形吸水室水力设计的参数化CAD软件．运行实例表明,软件界面友好,使用简单,功能强大,设计结果可靠,实现了参数化绘图,提高了设计半螺旋形吸水室的工作效率,具有推广应用价值,可以应用于工程实践,并为后续开发半螺旋形吸水室的三维参数化造型软件提供了数据接口．     

双吸泵正反转内部流场数值模拟及性能预测

为了研究双吸离心泵在正转和反转时不同的流动特性,基于CFX软件采用标准k-ε模型对双吸离心泵内部流场进行了数值模拟和性能预测.计算了双吸泵在正转和反转时各自最佳工况点的水力性能,并对比了双吸泵最佳工况点在正转和反转时流场特性的差异.最后将性能预测的计算值与试验值进行对比分析,表明该计算方法能够较准确地预测泵的性能.在双吸泵反转用作液力透平时,发现泵在反转工况下的高效区向大流量偏移,效率在大小流量区的变化差别很大,流量太小将使得泵的转矩方向发生改变,导致流体不再对叶轮做功,并且泵反转的最大损失发生在蜗壳到叶轮的过渡区,即叶片的出口处.通过内部流场的分析,得到了详细的压力和速度矢量分布规律,对进一步研究泵反转作液力透平进行水力设计提供了一定依据.     

多级离心泵环形吸水室水力设计优化与数值计算

根据某多级离心泵设计要求,按环形吸水室水力设计方法,设计8种几何参数不同的吸水室设计方案。采用Pro/E软件对吸水室进行三维造型,采用非结构化进行四面体网格划分,采用标准k-ε湍流模型进行数值计算。计算结果表明,水力损失随流量的增大而增大,吸水室进口直径D进对吸水室收缩段流态影响显著。小流量时,8种方案的水力损失差别不大,而大流量时,8种方案的水力损失差异较大。在大流量工况,进口直径越大,则水力损失越小;出口直径越小,则水力损失越大,但影响的效果不明显;环形空间采用弧形结构是降低水力损失的一种有效措施。因此,在选择最优设计方案时,应结合水力和结构两方面因素加以综合考虑。     

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。     

低比转速离心式渣浆泵叶轮的优化设计

低比转速渣浆泵效率较低,主要原因是低比转速渣浆泵具有较大的叶轮直径,其产生的圆盘摩擦损失较大。该文通过建立叶轮出口直径与叶轮出口宽度,出口安放角的函数关系,并确定叶轮出口宽度、出口安放角的约束条件,对其进行优化设计,以求得满足性能参数条件的最小叶轮直径,并达到减小圆盘摩擦损失,提高低比转速离心式渣浆泵效率的目的。     

叶顶间隙对低比转数半开式离心泵性能的影响

为研究叶顶间隙对低比转数半开式高速离心泵内部流动及性能的影响,基于雷诺时均Navier-Stokes方程和Spalart-Amaras湍流模型,在叶顶间隙分别为0.5,1.1和2.5 mm时对一台比转数为19.3的半开式高速离心泵内部流动进行三维紊流数值计算,并进行外特性试验验证.研究结果表明：叶顶间隙可以改善叶轮内部的流动情况,但较大间隙的叶轮内部的循环流动引起的水力损失大于较小间隙内的循环流动和回流引起的水力损失;因此随着叶顶间隙的增大,离心泵扬程及效率均减小;而且在叶片中部和尾部的叶顶间隙层内,相对速度和静压随着叶顶间隙的增大而减小,且相对速度受叶顶间隙的影响尤为明显,静压沿着叶轮半径近似呈线性增加;叶轮流道内沿轴向分布的切向速度和径向速度随着叶顶间隙的增大分别减小,但切向速度较为均匀,减小量相对较小;数值模拟与试验得到的外特性曲线变化趋势一致.     

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。     

不同压出室下叶轮切割对离心泵性能影响

为研究2种不同压出室下叶轮切割对离心泵性能的影响,以及单级单个叶轮切割与多级下单个叶轮切割的差异,基于N-S方程、标准k-ε湍流模型和SIMPLE算法对MD-280-43×6型多级离心清水泵进行三维数值模拟.计算结果表明:以单级单个叶轮为切割目标时,随着切割量增大,螺旋形压出室的水力效率变化趋势比径向导叶式压出室的变化趋势更为明显,压水室水力损失每叶轮2%切割量,损失平均增长分别为0.360,0.193 m,2种压出室内部动压分布及对叶轮所产生径向力的变化趋势有明显差异;以多级下单个叶轮切割与单级单个叶轮切割的对比为目标时,对于径向导叶式压出室离心泵和螺旋形压出室离心泵,其水力效率、扬程、内部湍动能分布与各种单级单个模型平均偏差分别为1.644%,0.279%,2.090 m,1.573 m,1.302 J/kg,1.548 J/kg;不同压出室下叶轮切割特性的研究,应考虑压出室所带来的差异;多级泵叶轮切割特性研究时,应尽量回归多级环境进行研究.     

交错叶片对双吸离心泵性能影响的数值分析

为减小压力脉动对双吸离心泵性能的影响,设计常规双吸叶轮的ES350-585型双吸离心泵进行外特性试验和数值模拟,再将原双吸叶轮两侧叶片交错布置进行数值模拟,交错角度分别为0°,10°,20°,30°.采用Gridpro软件划分结构网格,应用CFX软件对5种方案的双吸离心泵模型进行不同工况下三维非定常数值计算,得到泵内部流场静压分布和压力脉动特性.计算结果表明:采用两侧叶片交错布置的双吸叶轮可以有效降低离心泵内压力脉动;随着交错角度的增大,压力脉动幅值呈递减趋势;当交错角度为30°时,压水室内压力脉动幅值最小,此时压水室内静压分布最均匀.     

双吸泵输送含沙水流时蜗壳内压力脉动特性

为了研究含沙水流下单级双吸式离心泵蜗壳内压力脉动的变化规律,采用 ASMM固液两相流模型和 RNG k －ε湍流模型,并结合 SIMPLEC 算法,在固液两相流介质时对泵内流动进行了全流道三维非定常数值计算．分析不同固相体积分数和粒径时,泵蜗壳内压力脉动的变化规律,并将固相体积分数＝12％、固相粒径 d ＝0.050 mm 时的计算结果与输送清水介质时计算结果进行了对比．结果表明：固液两相介质下的压力脉动远大于清水介质,且脉动波形滞后0.002 s;随着固相体积分数的增大,蜗壳内压力脉动幅值逐渐增大;随着固相粒径的增大,压力脉动幅值有减小的趋势;蜗壳内压力脉动主要以叶片通过频率为主,且在1倍叶频处压力脉动最大．     

基于数值模拟的多级双吸式离心泵性能预测

以北赵引黄工程谢村站用多级双吸式离心泵为研究对象,基于雷诺时均N—S方程,采用SSTk－ω湍流模型,压力速度耦合使用SIMPLEC计算,对泵内部流动进行了三维定常全流场湍流数值模拟,得到不同工况下该泵内部流动的速度矢量图等流场信息．在对其内部流动规律进行了定性分析的基础上,预测了泵的性能,并与现场测试结果进行了对比分析．分析结果表明：首级叶轮首级压水室以及次级叶轮次级压水室内流动较均匀;由于过渡流道的结构特点以及流动惯性,流体在首级压水室进入过渡流道时,在流道突然扩大区域形成了旋涡,旋涡区域大小与流量有关;预测扬程值与现场测试扬程吻合较好,预测扬程最大误差为2．7％,而预测的流量－水力效率曲线与现场测试流量一机组效率曲线变化趋势一致．水泵内部流动的数值模拟可为工程中泵设计阶段的性能预测和结构优化提供依据．     

中比转速离心泵叶轮的优化设计及数值模拟

基于流体流动的连续方程和运动方程,通过两类相对流面的迭代计算,实现中比转速离心泵叶轮内准三维正问题的数值计算,得到了轴面速度分布.应用逐点积分法进行叶片骨线绘型,在轴面上加厚叶片,在保角变换平面上修圆叶片头部,实现了离心泵叶轮的反问题设计.正反问题进行迭代计算求解直至收敛,得到最终设计的叶轮.采用RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对离心泵叶轮内三维流场进行数值模拟,得到了叶轮内压力和速度分布.模拟结果表明设计得到的叶轮内部压力分布非常均匀,流动稳定无分离,叶轮出口能量分布合理,所设计的叶轮具有优越的水力性能.     

基于CFD技术的双吸式离心泵转轮副叶片优化

应用Fluent软件,基于RNG k-ε湍流模型和欧拉-拉格朗日多相流模型,对双吸式离心泵内的水流和泥沙颗粒运动进行了模拟,分析了不同长度、不同相对位置的副叶片对口环保护和水泵效率的影响.结果表明：选择的模型可准确地模拟双吸式离心泵内部流场和口环部位泥沙质量浓度,口环附近流速较低,对泥沙颗粒的挟带能力较弱,造成口环附近泥沙质量浓度远远高于水中平均泥沙质量浓度,导致了口环处快速磨损;缩短副叶片长度,能有效减小水泵装置效率的降幅,副叶片长度为1/4叶片长度时,靠近口环区域水流的相对速度的径向分量比较小,副叶片不能有效减小泥沙对口环的磨损;副叶片数由4减为3时,水流的挟沙能力得以保持,对口环的保护效果仍然明显,同时还能有效减小水泵装置效率的降幅;通过对比分析,方案7中的副叶片既能减小泥沙对口环的磨损,还能有效地减小由于副叶片的存在导致的圆盘摩擦损失,因此,选择方案7为最终优选方案.     

叶片开槽对低比转数离心泵内部流动的影响

基于Fluent泵内流场数值模拟及性能预测,针对低比转数离心泵在小流量范围内叶轮内部流动的不稳定性,对低比转数离心泵进行了叶片改型尝试,分析了在改型前后叶轮内部流场流动情况及离心泵性能的变化规律,发现在叶片单开槽后离心泵的扬程在小流量范围内较未开槽前有所上升,效率有所提高;但在大流量范围内离心泵的扬程较未开槽前呈下降趋势,并且效率也随之降低,因此,低比转速离心泵在小流量情况下表现出来的流动不稳定性可以通过叶片单开槽的方法来进行抑制.为了研究叶片开槽数目对其影响,将开槽数目增加至2个,研究其内部流场流动情况和性能变化规律,发现叶片双开槽在抑制叶轮流道流动不稳定性及效率的提高上不及叶片单开槽情况.研究结果表明：在小流量工况下,叶片开槽对离心泵内部流动紊流情况会有一定的改善作用,而开槽数目是否合理也将影响离心泵的性能.     

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.     

开缝叶片低比转数离心泵空化性能的数值模拟

为了进一步提高低比转数离心泵的空化性能,对离心泵叶轮叶片进口附近的开缝进行研究.考虑开缝的3个参数,设计6组水力模型探究开缝对低比转数离心泵性能的影响.针对离心泵运行过程中产生空化的流动特点,基于Rayleigh-Plesset方程来描述空泡成长和溃灭过程的空泡动力学模型,采用RNG k-ε模型对在相同工况下的离心泵中两相流动进行数值模拟与分析.模拟结果表明:在叶片进口处开缝可以提高泵空化性能,其中第二组模型的空化性能提升比较明显,空化余量由4.447 m下降到3.910 m,降低了12.1%,水力效率由71.56%上升至76.46%;在相同工况下,开缝叶轮流道内的能量分布更加均匀,而扬程在额定流量下只有很小的变化.该模拟结果对研究低比转数离心泵内部流动特性及性能的提升具有一定的参考价值.     

双吸离心泵作液力透平流致振动数值研究

以某一双吸式离心泵为研究对象,分析了双吸泵作液力透平与泵工况下的非定常压力脉动,基于有限元法(FEM),针对双吸离心泵作液力透平和泵工况下泵壳内表面上的流体压力激励,进行基于泵壳模态的强迫振动响应计算,得到了泵壳上的响应速度分布和泵壳表面监测点的振动响应速度频谱.结果表明:叶轮与隔舌相互作用导致隔舌附近非定常特性明显;双吸泵内的压力脉动主要受低频率波的影响,以转频和叶片通过频率为主.由于受到叶轮转动与流体压力激振力的影响,振动速度响应集中在转频、叶片通过频率以及其谐频附近;泵壳第3阶频率880.083 Hz与3倍叶频884.991 Hz比较接近,引发了一定程度的共振.揭示了泵壳振动响应速度随着频率变化规律,为后续减振降噪研究提供了理论基础.