叶片出口角对双吸式离心泵泥沙磨损的影响

采用欧拉-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,并采用离散相冲击磨损模型分析了两种不同的叶片出口相对液流角对叶片泥沙磨损的影响.分析结果表明:叶片磨损严重的位置集中在叶片的进口处和出口处,吸力面的平均磨损强度高于压力面;叶片磨损强度受冲击角的影响,减小叶片的出口相对液流角能够改善叶片的泥沙磨损,但会引起水泵扬程略微降低.     

双吸式离心泵叶片吸力面泥沙磨损破坏规律与形成机制研究

离心泵叶片泥沙磨损是引黄泵站面临的工程难题,采用模型试验及数值模拟相结合的方法,分析了双吸式离心泵叶片出口的磨损破坏规律及其形成机制。采用多层涂层法、丝线法和内窥式成像技术对叶片的磨损特征和近壁面流态进行了分析,并结合数值模拟分析了叶轮流道内的旋涡结构及颗粒轨迹。研究发现：叶片吸力面出口存在左右近似对称的“三角形”磨损破坏区域,该区域存在明显的流动分离;叶轮内的叶道涡和出口回流涡是导致叶片吸力面出口磨损的主要原因。源于叶片压力面进口的叶道涡诱导泥沙颗粒向叶片吸力面出口聚集,造成吸力面出口的集中磨损;叶片吸力面出口附近存在的回流涡诱导颗粒进行轴向旋转运动,加剧叶片吸力面出口的磨损破坏。本研究为双吸式离心泵的抗磨损设计提供了理论支撑。     

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.     

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。     

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.     

基于改进欧拉算法的双吸离心泵泥沙磨损特性研究

固液两相流算法对双吸离心泵泥沙磨损模拟精度有直接影响。采用改进的固液两相流欧拉算法,考虑了相间阻力和泥沙扩散系数两方面因素,对典型悬移质泥沙粒径条件下的双吸离心泵流场进行了数值计算。研究发现,叶片表面湍流强度在头部和尾部较大,可达6%~10%;叶片头部和尾部的颗粒动态尺度大于中部。由湍流强度和颗粒动态尺度组成的湍动尺度效应,在叶片头部和尾部表现强烈,湍动尺度效应使固液相间阻力增大,更有利于颗粒的扩散,避免了颗粒聚集,对大颗粒的作用强于小颗粒。湍动尺度效应导致叶片表面固相体积分数分布范围减小,大颗粒的变化值大于小颗粒,叶片头部和尾部的改变值大于中部,叶片表面的严重磨损部位为叶片工作面尾部的块状磨损区,这比采用传统算法得到的带状磨损区和偏磨区计算结果,更符合离心泵实际磨损情况,考虑湍动尺度效应后得到的磨损率也有所增大。在此基础上,提出了双吸离心泵叶片水力设计和表面喷涂防护原则,为提高双吸离心泵抵抗泥沙磨损能力奠定了基础。     

基于动态边界的双吸离心泵叶片渐进磨损及泵性能预测

过流边界形态随磨损时间的变化对客观真实地反映双吸离心泵磨损特性及磨损形貌至关重要。采用欧拉-拉格朗日方法,配合磨损壁面几何重构的动态边界法,对黄河平均含沙量及粒径下甘肃省景泰川泵站双吸离心泵进行固液两相流计算,结合实验数据,预测了该泵叶片渐进磨损特性,分析了叶片磨损机理及壁面几何形貌变化对泵性能影响。结果表明：以冲击角函数最大值对应冲击角α0为阈值,小于α0磨损形貌呈类圆形凹坑,大于α0磨损形貌呈沟槽状,冲击角在50°~75°范围且冲击速度高的叶片区域磨损率大,叶片磨损程度严重;根据该泵水力性能损失率变化特性,将预测期划分为3个阶段,磨损率在初期增长率最大,但在数量级上远小于中、后期,使前1000h磨损阶段扬程损失率、效率损失率、叶片质量损失率均小于其他阶段;上述3个参数的增长均呈初期慢、中期快、后期减缓的趋势,最大增长率均在磨损中期,参数变化曲线斜率分别为1.51×10-3、1.97×10-3、4.12×10-3,在1000~6000h磨损时长范围内,磨损导致双吸离心泵性能下降最快。     

双吸离心泵叶片区压力脉动特性分

采用大涡模拟方法(LES)和滑移网格技术,对双吸离心泵不同工况下的内部三维非定常湍流流场进行了数值模拟,研究了叶轮区域流场特性及叶片表面的压力脉动特性.结果表明,叶片区的压力脉动频率以叶轮转频为主,且压力脉动幅值随着偏离设计工况程度的增大而显著增加,尤其是在小流量工况Q/Qd=0.62下,压力脉动变化幅度最大,约为最优工况的3倍;设计工况下,叶片头部区域压力脉动幅值最大,约为静压均值的14％,分别比叶片正面中心处大86％,比叶片背面中心处大169％.     

叶片布置方式对双吸离心泵径向力的影响

为研究叶片布置方式对双吸离心泵径向力的影响,在其他外部因素不变的情况下,对3种叶片布置方案的离心泵进行非定常模拟计算,结果表明:较对称布置方案,采用交错30°布置的叶片能够有效提高离心泵的扬程,采用交错15°布置的叶片对离心泵扬程具有消极影响.同时,采用交错布置方案会导致离心泵的效率下降;在设计工况下,与对称布置方案相...     

楔形槽对离心泵口环磨损的影响分析

采用欧拉-拉格朗日多相流模型,对双吸式离心泵内的含沙水流进行了模拟,分析了楔形槽对口环附近泥沙浓度的影响,分析结果表明:口环附近流速较低,对泥沙颗粒的携带能力较弱,导致泥沙浓度较高,口环快速磨损;采用楔形槽可以提高邻近区域水流相对速度的径向分量,有效阻止泥沙颗粒在进入缝隙,降低了口环附近区域的泥沙浓度,减少口环的磨损,起到动态密封的效果;楔形槽增加了叶轮出口压力,水泵扬程得以提高。     

叶片进口边位置对单叶片离心泵性能的影响

为研究叶片进口边位置对单叶片离心泵性能和内部流动特性的影响,设计了6种不同叶片进口边位置的叶轮.在完成数值计算方法可靠性的试验验证后,分别对采用6种叶轮的泵进行了全流场定常数值计算.计算结果表明:叶片进口边沿前盖板或后盖板向泵入口适当延伸,可增强叶片对流体的控制能力和叶片的做功能力,扬程最大可分别提高1.61 m和0.70 m,效率最大可分别提高5.23%和2.01%;叶片进口边向泵入口延伸过多,会造成叶片入口处流体堵塞,某些工况下泵的扬程和效率反而会降低;叶片进口边沿前盖板或后盖板向泵入口延伸,可降低流体在叶片入口处的能量损失,能够提高叶片吸力面入口处的压力,和减小蜗壳内的低速区域,但是会增大叶片入口处、叶片压力面前端和叶片吸力面附近的低速区域.与叶片进口边沿后盖板向泵入口延伸相比,叶片进口边沿前盖板向泵入口延伸对泵的扬程和效率影响更明显.     

叶片进口边对微型高速离心泵性能的影响

为研究叶片进口边形状对微型高速离心式冷却水泵性能的影响,在保证叶片进口断面面积相等的基础上,设计了3种不同叶片进口形式,即外凹型、半凸型、基础型.采用SST k-ω湍流模型对泵的水力特性以及压力脉动进行数值计算,将结果与试验值进行对比分析.结果表明:仿真结果较为准确地预测了泵的水力性能,具有可行性;3种方案在远离扩压管的叶轮流道内均存在旋涡;与基础型相比,外凹型方案的扬程和效率有明显提高,并且高效区范围最宽;外凹型方案叶片进口边和出口附近的湍动能分布较好、叶轮出口圆周速度最高;3种方案蜗壳内压力脉动幅值出现在叶频及其倍频处,距隔舌位置越远,脉动幅值越低.采用外凹型方案叶片能减小脉动幅值,利于泵稳定运行.研究结果为微型高速离心泵优化设计提供一定的参考.     

离心泵叶片出口边倾斜角对压力脉动的影响

为研究叶片出口边倾斜角对叶轮与蜗壳由动静干涉作用而引起压力脉动的影响,在保证叶轮基本参数和叶片安放角变化规律不变的情况下,通过改变叶片出口边倾斜角而设计了2种计算方案.采用SST湍流模型、SIMPLEC算法和滑移网格技术,分别对不同叶片出口边倾斜角的叶轮匹配同一蜗壳的离心泵进行全流道非稳态数值模拟,得到不同叶片出口边倾斜角的离心泵外特性及压力脉动特性,并对其进行分析.计算结果表明：随着叶片出口边倾斜角的减小,泵高效区加宽;在小流量工况至设计流量工况时模型1,2的扬程流量曲线接近,在设计流量工况至大流量工况时模型2的扬程增大;2种叶片出口边倾斜角的离心泵中监测点处的压力脉动规律相同,呈周期性变化;较小叶片出口边倾斜角的离心泵中蜗壳内及隔舌处的压力脉动波动幅度减小,高频脉动成分减小.分析结果可为离心泵叶轮的设计提供理论参考.     

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．     

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．     

双吸离心泵径向力数值分析

应用CFD软件对某型双吸离心泵的内部流场进行了数值计算,给出了不同工况下叶轮出口与蜗壳耦合面静压沿周向、轴向的分布规律.通过对比试验曲线与数值计算外特性曲线,发现两者比较吻合,相对误差小于5%,且数值计算叶轮出口周向压力分布曲线与试验曲线趋势一致.采用径向力出口压力法计算模型,计算了各工况下离心泵叶轮所受的径向力及其分量.结果表明：应用数值计算结果而建立的离心泵径向力计算模型具有一定的准确性.小流量工况时,径向力随流量的增加而减少;设计流量工况附近时,径向力达到最小值且不为0;大流量工况时,径向力随流量的增加而增加.     

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.