基于固液两相流的纸浆泵磨损预测

分别采用Euler-Euler和Euler-Lagrange两相流模型对离心式纸浆泵进行了数值模拟,考虑叶轮间隙流动,预测了泵的磨损特性.欧拉方法采用Particle两相流模型,壁面的磨损程度与固相体积分数和滑移速度相关.拉格朗日模型采用Finnie磨损预估模型.开式叶轮纸浆泵多个流量工况的计算结果显示,欧拉方法预测的叶片和前盖板在设计流量下磨损严重,压水室在小流量工况时磨损严重.拉格朗日方法显示叶片和前盖板的磨损最严重,磨损率随流量增加先增大后减小,压水室和后盖板的磨损率逐渐减小.2种模型预测的叶轮与前盖板磨损严重的现象与实际吻合;拉格朗日模型可定量分析磨损部位和磨损程度等特性.本研究为纸浆泵的两相流数值模拟和磨损特性研究提供了一定参考.     

水泵水轮机水轮机工况转轮流动特性分析

为了揭示某高水头水泵水轮机转轮区域流动特性,选取三个典型水轮机工况,基于N-S方程和SST湍流模型对模型水泵水轮机进行三维全流道非定常数值计算,研究不同水轮机工况下转轮区域的流动特性。结果表明:小流量工况下,转轮流态紊乱,有明显的旋涡,最优工况和大流量工况下,由于流量增大,转轮内流态明显改善,流线均匀顺畅;转轮流道内压力在圆周方向上对称分布,沿着流道方向压力逐渐减小,叶片出口附近存在不同范围的负压区域,由于小流量工况转轮内部水流紊乱使得负压区域较其余工况大;长短叶片靠近上冠处压力脉动呈周期性变化,受动静干涉效应影响,叶片进口处压力脉动剧烈,长短叶片在进出口处脉动变化规律一致,长短叶片进口处脉动频率皆以16倍转频为主,出口处皆以1倍转频为主。以上结论可为高水头水泵水轮机在水轮机工况下的高效运行提供一定的参考。     

离心式泥泵过流部件的磨损特性

基于固液两相流理论,应用欧拉-拉格朗日法模拟了离心式泥泵不同流量及泥沙浓度下的定常固液两相流场,应用FINNIE预估模型进行了磨损特性计算,着重研究了泥泵叶轮、压水室表面的磨损规律.研究结果表明,随着泥沙浓度增大,泥泵的叶轮、压水室表面的磨损率相对值相应增大;压水室表面的磨损率相对值在小流量的值较高;叶轮的磨损率相对值的最大值出现在小流量区域;压水室表面的磨损率相对值比叶轮表面要高;泥泵在高效区运行,泥泵过流部件的磨损率相对值较低.     

漩涡泵内部不稳定流场数值模拟

为了研究漩涡泵内部流场对其外特性的影响,采用RNGk-ε湍流模型和结构化网格技术对漩涡泵内部非定常流动进行数值模拟计算。结果表明,漩涡泵流道内压力变化呈直线分布;流道内纵向漩涡随流量的增大而减小,径向漩涡周期性地脱离叶片被液流带走且随着时间增加而增大;设计工况下,各监测点处压力脉动变化呈周期性分布,从流道进口到出口压力脉动幅值逐步增大;不同工况下,叶片通过频率是压力脉动的主频,其对应的压力脉动幅值随流量增大而增大。     

复合导叶结构对斜流泵水力特性的影响研究

后置导叶作为斜流泵的主要过流部件,在改善叶轮出口流场及对斜流泵水力特性影响起着重要作用。为研究不同后置导叶结构对斜流泵水力特性的影响,根据长短导叶位置匹配建立3种复合型导叶结构方案,每种方案分别选取0.6Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd和1.4Qd五个流量工况条件进行CFD数值计算,通过效率、扬程以及内部流场状态的分析,结果显示:不同位置的短导叶结构对水力特性影响较大,设计流量工况下,短导叶在后置导叶流道的进口处流场相对平顺,出口漩涡较小,整体水力性能较好;但偏离设计流量工况下,短导叶在后置导叶流道的出口处的整体水力性能较好。研究结果可为斜流泵导叶结构设计提供参考。     

复合叶轮对部分流泵流动稳定性的影响

为探究小流量工况下复合叶轮对部分流泵流动稳定性的影响,基于CFD技术对部分流泵在全流量工况下进行了数值计算。采用能量梯度理论分别对采用传统叶轮和复合叶轮的部分流泵计算结果进行处理,主要对0.1Qd工况下部分流泵的叶轮及蜗壳内的流动进行深入研究。结果表明：在小流量工况下,相比传统叶轮,采用复合叶轮的部分流泵对叶轮流道内的轴向漩涡控制效果更好,环形蜗壳内二次流现象得以改善,叶轮的能量梯度函数分布更均匀,且在喉部喷嘴及叶轮出口处的分布面积更小。     

轴伸贯流泵多工况下的压力脉动特性

为了研究轴伸贯流泵在不同流量工况下的压力脉动特性,应用计算流体动力学软件对泵内流场进行数值计算,揭示不同流量工况下泵内压力脉动的变化规律,并利用真机进行压力脉动测试以验证数值计算方法的可靠性.结果表明:机组各监测面的压力脉动都具有一定的周期性,转轮处波峰和波谷与转轮叶片数相关,压力脉动主频为叶频;前导叶进口截面压力脉动主频为转频;在小流量工况下,流动较为紊乱,压力脉动抖动明显;转轮出口截面由于受动静干涉影响,流动紊乱,尤其在小流量工况下,压力脉动峰值最高为设计工况的12倍;在导叶进口以及导叶出口处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,低频段频谱复杂,出现明显的抖动.     

双吸离心泵叶轮内泥沙磨损非定常特性研究

双吸离心泵广泛应用于黄河沿岸的泵站中,其主要部件叶轮普遍存在磨损问题。叶轮是高速旋转的部件,存在动静干涉作用,导致叶轮内的磨损特性是非定常的。采用欧拉-欧拉方法对双吸离心泵进行固液两相流非定常计算,分析了不同工况下,叶轮壁面上的磨损率、冲击角、固相体积分数和速度的非定常特性。结果表明,叶轮表面磨损率、冲击角、固相体积分数和速度均具有周期性,等于叶轮旋转周期;定常计算的磨损率远小于非定常结果,定常计算不能准确预测磨损率。磨损最大部位为叶片头部和尾部。冲击角对磨损损失具有增强或减弱的作用,冲击角脉动曲线与磨损率脉动曲线相似。固相体积分数对磨损脉动特性影响较小,对磨损率有所影响。固相速度对磨损率影响显著。     

离心泵小流量工况不稳定空化特性研究

为了研究离心泵小流量工况不稳定空化特性,通过数值模拟和试验,研究了离心泵小流量工况不同空化程度泵的内流特性及泵进出口压力脉动特性。结果表明:小流量工况下,蜗壳隔舌与叶轮间的动静干涉对离心泵内部不稳定流动具有重要影响,叶轮流道内受空化影响所产生的漩涡与受蜗壳隔舌影响所产生的漩涡的流动方向相反。随着空化的发展,离心泵进口压力脉动的主频由2倍轴频逐渐向低频段迁移,且存在一定的波动;泵进口压力脉动存在于2倍叶频处的峰值,随着空化发展到一定程度而消失;受叶轮与隔舌动静干涉的影响,泵出口压力脉动的主频为叶频,在2倍轴频处存在波动较大的峰值;泵进出口压力脉动的宽频脉动随着空化余量的降低存在明显变化。     

可逆式水泵水轮机泵工况的驼峰特性

为了研究可逆式水泵水轮机泵工况的驼峰特性,通过非定常分离涡模拟（DES）的方法,计算不同流量工况下机组的内部流场特征.根据机组对应工况下的模型试验,对机组流道中的流态特征进行对比分析,特别对扩散流道损失以及转轮与导叶之间的动/静干涉现象进行研究,探讨驼峰特性产生的具体原因.结果表明：机组在小流量工况下运行时,转轮出口流动呈现明显非对称性;紊乱的流动特征引发转轮内部与扩散段中产生涡结构与二次流结构;由于不良流态的出现,过流部件水力损失显著上升,并引发扬程的下降,导致机组形成扬程-流量曲线的驼峰区域.因此,改善小流量工况下转轮内部流态对于改善水泵水轮机驼峰特性具有重要的作用.该研究内容阐明了驼峰特性对水泵水轮机造成不良影响的机理,对改进机组水泵工况的水力性能提供了参考与帮助,对于水泵水轮机的稳定运行具有重要意义.     

中比转速离心泵实验分析及性能预测

为了研究中比转速离心泵性能及内部流场特性,以比转数102离心泵为研究对象,采用fluent,在双参考坐标系下,选用RNGk-ε模型,应用有限体积法对雷诺时均N-S方程离散计算,压力和耦合采用SIMPLEC算法求解。同时,为了提高预测精度,采用5套不同网格方案对模型泵的效率进行网格无关性检验。并且从小流量工况下计算结果分析对比,得到离心泵外特性及内部流场变化规律。研究表明:数值计算与实验结果相比,设计工况下,扬程的预测误差为2.02%,效率的预测误差为1.99%;随着流量的降低,计算效率的误差逐渐增大。在设计点,离心泵的内部速度流线比较光顺;而在小流量工况下,离心泵进口和叶轮均出现漩涡现象;随着流量的降低,漩涡面积增大,数量也在增加。     

长短叶片混流式水轮机转轮内部流场数值模拟研究

多泥沙河流运行的水轮机的泥沙磨损一般都很严重,尤其是高水头混流式水轮机。本研究对一多泥沙河流上的高水头长短叶片混流式水轮机的内部流动特性进行了数值预测。数值结果表明,小流量和设计工况下,水轮机流场及压力分布均较为平稳,泥沙浓度最高区域位于叶片头部及出口靠近下环处,泥沙速度最高区域位于长叶片背面,设计工况下转轮长短叶片表面泥沙速度明显高于小流量工况。根据转轮叶片表面的泥沙浓度分布和流动特性情况,可以进一步预测水轮机转轮叶片的磨损情况,为多泥沙河流电站水轮机泥沙磨损研究提供参考依据。     

混流式水泵水轮机驼峰区压力脉动特性

为了研究混流式水泵水轮机在峰区内部流动的压力脉动特性,以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机为研究对象,对模型机组进行了全流道非定常数值计算.结合试验数据,分析了泵工况下驼峰区流道内不同位置处压力脉动特征和流态特征,讨论了流量变化对机组压力脉动特性的影响.结果表明:驼峰区工况下,蜗壳出口的压力脉动主要受到其内部流动特性的影响,同时受到上游双列叶栅作用的影响,在驼峰区极小值工况点处其压力时域变化周期性被扰动;导叶后转轮前的压力脉动主频为低频,第2主频为9倍转频和18倍转频,压力脉动幅值随着流量减小而增大;锥管内压力脉动都属于低频压力脉动,在驼峰区极小值工况点处,锥管上游压力脉动受下游转轮-尾水管动静干涉作用影响较大,出现了高频成份的压力脉动.     

基于CFD-DEM的旋流泵混合颗粒固液两相流研究

为了探究折叶片旋流泵固液两相输送机理，基于CFD-DEM (Computational fluid dynamics-discrete element method)耦合算法，选用油菜籽和黄豆颗粒等比例混合，在不同流量工况和体积分数下对旋流泵进行固液两相流数值模拟和试验研究。同时也研究了折叶片旋流泵内部流动规律及颗粒分布特征。小流量工况下，进口管内螺旋回流长度较长，对进口来流扰动较大。随着流量增大，进口管回流长度逐渐缩短。叶轮前端面旋涡随流量增大，数量先增加后减少，且逐渐向折点方向聚拢。泵内颗粒受循环流和贯通流的共同作用，进口管中心部颗粒主要受贯通流影响，直接穿过无叶腔，冲击叶轮进口；靠近管壁的颗粒受循环流影响较大。无叶腔内颗粒分布呈现出：中心部最高，中间部随外径增大浓度逐渐降低，外缘部浓度稍有上升。叶轮前半部颗粒数量明显少于叶轮后半部，颗粒沿叶片第1段折边运动，在折点处开始发生分离，不再跟随第2段折边。不同工况下，泵进口有不同程度的螺旋回流现象，导致进口过流面积减小。循环流的存在，使得无叶腔和进口管的颗粒充分旋起，泵送能力增强，不易发生堵塞。     

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.     

不同流量工况下斜流泵内部流场PIV试验

为了探索斜流泵的内部流动特性并优化斜流泵设计,基于粒子图像测速技术(PIV)对斜流泵内部流场进行测量,分析了不同相位叶轮截面处的流线和速度分布以及小流量工况下的涡量分布。研究结果表明,在小流量工况下,由于受到叶片压力面旋涡流动和吸力面脱流的影响,叶轮内部的流动呈现径向运动趋势,且流动紊乱;随着流量增大,叶轮流场流线逐渐向轴向方向移动并沿着轮毂轮廓线流动,在大流量工况下叶片压力面附近靠近端壁处形成明显的旋涡结构。0.6倍流量工况下,当叶轮进口进入拍摄断面时,在叶轮内部形成一个顺时针旋转的负涡;当叶轮出口进入拍摄断面时,在导叶进口外缘出现正向涡量集中区域,且随着叶轮的转动该区域向导叶进口方向移动;当叶片出口远离拍摄断面时,在导叶进口处出现负涡量区,揭示了斜流泵叶轮和导叶动静相干过程中能量损失的内在原因。     

导叶式混流泵内部非定常流动特性数值模拟

为了研究不同流量工况对导叶式混流泵内部非定常流动特性的影响,基于ANSYS CFX软件并采用标准k-ε两方程模型对混流泵的外特性进行了数值预测,分析了流量工况对混流泵内压力分布、流线分布和湍动能的影响,探讨了不同流量工况下不同监测点的压力脉动时域和频域响应。研究结果表明,数值计算的外特性结果与试验测量结果趋势基本一致,最优工况点数值预测与试验测量的扬程和效率误差分别为3.29%和0.27%,数值计算的准确度较高。小流量工况下,叶片工作面与背面之间存在着较大的压力梯度,形成的轮缘泄漏流对主流产生较大干扰,同时受到动静干涉的影响,在叶轮出口和导叶流道内造成较大的能量损失和湍动能耗散;随着流量增加,轮缘泄漏流逐渐减少,动静干涉效应相对减弱,流场流动趋于平稳。不同流量工况下,各监测点压力脉动呈明显的周期性变化,一个旋转周期内压力脉动曲线有4个波峰和4个波谷,叶片通过频率始终占主导作用;流量对叶轮进口处和导叶中间处的压力脉动影响最明显,小流量工况下压力脉动系数的幅值变化最大;随着流量的增大,压力脉动频域幅值随之减小。本研究可为扩大混流泵的运行范围以及混流泵叶轮和导叶的优化设计提供参考依据。     

M型防涡装置对混流泵装置水力性能的影响

在混流泵进水流道内通常会存在一些漩涡,如果不设置任何防涡消涡装置,会导致喇叭管内流态混乱,叶轮室内发生脱流、漩涡等现象,从而增加泵内的水力损失、降低泵装置的效率,甚至会引发机组的振动。为此,以国内某混流式泵站为研究对象,运用数值模拟的方法对混流泵的全流道进行三维定常湍流计算。结果表明,M型防涡装置可以防止混流泵进水流道后壁附近出现漩涡,改善进水流道和喇叭管内水流流态;在进水流量大于最优工况流量时,M型防涡装置能够提高混流泵装置的效率,增幅最大可达2.18%。     

水泵水轮机泵工况轴向力特性分析与改善

水泵水轮机是抽水蓄能电站的核心部件,水泵水轮机的轴向力特性对其运行稳定性与安全性具有主要影响。作为一种典型的立式机组,为防止抬机事故的发生,机组转轮部分需要具有向下的轴向力,但在泵工况下,该轴向力容易过大,并可能引起机组下沉。采用计算流体动力学方法,研究分析抽水蓄能水泵水轮机泵工况不同流量与活动导叶开度下的轴向力特性。研究结果表明,在泵小流量、小导叶开度、高扬程的工况下,向下的轴向力较大;采用对称布置的均压管路连接转轮上冠腔体与尾水管,轴向力变为轻微向上,扬程与水力效率无显著变化,有效解决了机组泵工况向下轴向力较大的问题,机组运行的安全性与稳定性得到了显著提高。     

旋流泵内部盐析颗粒流场PIV试验

为探索旋流泵内盐析颗粒的流动规律,利用PIV粒子图像速度场仪对泵内颗粒流场进行了测量,获得了颗粒准三维速度场分布,初步掌握了泵内不同工况下颗粒的流动特征.结果表明,叶轮各轴截面上速度分布差异显著,无叶腔中速度分布呈现强迫涡旋和自由涡旋的特征;流量增加,颗粒流在叶轮进口处相对速度增大,出口处相对液流角也增大,无叶腔小半径处颗粒径向速度分量随之增大;颗粒流存在纵向涡旋,涡旋中心位于叶轮流道中部,且随流量变化并不明显.