小型气液射流泵内部流场数值模拟及优化选择

为深入研究采用空气作为工作流体的气液射流泵性能和特征,设计了不同结构的气液射流泵试验模型.应用VOF方法,结合k-ε湍流模型,根据试验所得数据确定边界条件,对相同工作气体压力和不同参数下的气液射流泵内部流动进行了数值模拟.模拟结果表明,带有扩张式喷嘴的气液射流泵流体的速度和静压分布情况比非扩张式喷嘴的气液射流泵的好;喉嘴距为5mm气液射流泵的速度分布情况较佳;混合室直径为6 mm的气液射流泵的速度分布情况较好.带有扩张式喷嘴喉嘴距为5 mm及混合室直径为6 mm的气液射流泵有较好的速度分布.     

脉冲液-气射流泵能量平衡

应用能量平衡分析方法,得到脉冲液-气射流泵内能量损失的压力比表达式,分析其传能及传质的机理和主要影响因素,研究了主要流动部件的能量损失变化对脉冲液-气射流泵性能的影响,并进行了相应的试验研究和数值研究.研究可知最优面积比的液-气射流泵应是在较大的流量比区间具有较好的压力比,通过5个面积比的试验得到最优面积比为4.34.研究结果表明：主要流动部件的能量损失的理论分析与试验结果基本一致;计算了主要流动部件的能量损失压力比,分析其与面积比和流量比的关系;脉冲射流频率、射流泵的面积比、流量比和射流泵喉管长度是影响射流泵能量平衡和液-气射流泵能量特性的主要因素.通过各面积比下,脉冲与恒定液-气射流泵能量损失压力比、性能、效率的试验数据进行对比研究,验证了脉冲射流是提高液-气射流泵效率的有效途径.     

附壁振荡液气射流泵工作性能试验研究

提出一种新的射流工作形式应用于液气射流泵,该射流形式——附壁振荡射流由射流元件产生.在液气射流泵垂直安装的试验装置上,对24种不同尺寸模型泵进行了振荡射流性能试验,并与直射情况对比.试验结果表明,工作水压力对性能影响明显,泵的性能线具有相近的最大压力比h值,随工作水压力的增大,最大流量比q和泵效率η增大.在相同工作压力下,随面积比m的增大,性能线由陡峭变为平缓,也即最大压力比减小,最大流量比增大,此时泵效率增大后减小,因此存在最优m值使效率最高.与直射情况对比,振荡射流形式获得的最大效率约为16%,小于直射情况,但两者具有相近的吸气量,采用振荡射流方式具有增大面积比的作用,随射流振荡频率的增大,压力比增大但小于直射情况.在给定具体工作压力为300 kPa情况下,由试验数据拟合出非稳定液气射流泵性能方程式,用于指导液气射流泵的实际应用.     

喉管长度对环形射流泵性能影响的数值模拟

基于有限体积法和Realizablek-ε紊流模型,应用Fluent软件对环形射流泵内部流场进行数值模拟,并对计算的可靠性进行验证.由射流泵内部流场可以看出,环形射流泵射流的扩展混合在喉管和扩散管中均存在.针对不同喉管长度下环形射流泵内部射流扩展和壁面压力分布情况,模拟分析了不同喉管长度对环形射流泵性能和效率的影响.结果表明,喉管长度对喉管内射流扩展、环形射流泵性能和效率均有一定影响.喉管越长,射流扩展混合程度越好,但过长的喉管会带来较大的摩阻损失.根据效率最高原则,环形射流泵喉管长度Lt应符合Lt/Dt=2.17-2.89,其中当喉管长度为喉管直径2.69倍时效率最高,可达到35.6%.     

泵腔内部环流对射流式自吸泵自吸性能的影响

为了研究自吸泵内部气液两相流动情况,选取JETST-100型射流式自吸泵作为研究对象,运用CFX软件提供的欧拉—欧拉多相流模型,对导叶背面添加防止环流筋板后的泵腔内气液混合及气液分离情况进行了三维非定常数值模拟,得到了各过流部件压力和速度分布等内部流动信息,分析了射流器进口和泵腔出口处各监测点气相体积分数的变化情况,并将模拟结果与试验进行对比。结果表明:液体从导叶出流后,会形成一个较大的速度环量,导致气液分离不充分,大量液体进入出水管路,泵腔内液体减少;在导叶背面添加筋板后,射流器进口处气相体积分数减小,喷嘴出流的工作液体中夹杂的气相体积分数减小,泵腔出口气相体积分数增大,从而提高了自吸性能。     

多喷嘴液体射流泵的设计及试验研究

为研究多喷嘴射流泵设计方法及结构参数对泵性能影响,提出了基于经验系数多喷嘴射流泵的设计方法,并设计了不同喷嘴参数的射流泵.采用试验方法对射流泵进行了特性测试,结果表明,喉管内部速度梯度较大.说明工作流体与被吸流体混合较快,验证了多喷嘴射流泵能够缩短喉管长度.采用粒子图像测速(PIV)技术,对4喷嘴射流泵的内部流场进行了测量,得到射流泵内部流场的速度和湍动能分布,结果表明喉嘴至喉管入口段径向速度梯度较小,轴向速度梯度较大.试验结果为多喷嘴的理论计算和合理设计提供了可靠的依据.     

射流泵全特性工况的数值分析及试验研究

为了解射流泵在全特性工况下的性能和内部流场特性,采用数值分析和试验的方法对其进行研究.结果显示:在全特性工况范围内,射流泵数值模型的扩散管出口静压与流量比之间近似呈负线性关系,基于Realizable k-ε湍流模型预测的射流泵量纲一化性能曲线与试验结果基本一致,压力比和流量比之间也近似呈负线性关系;在正压正流状态下,数值分析与试验结果之间的压力比相对误差随着流量比的增大而增大,相对误差最大值约为0.26;在正压反流状态下,相对误差较小且较为稳定,最小值约为0.02;在最高效率工况附近,射流泵吸入室内部流场的速度矢量分布比较均匀,随着流量比减小,吸入室内流场会出现较为明显的局部涡旋;射流泵喉管进口截面的轴向流速分布不均匀度最大,喉管中间截面及其后续流动空间的轴向流速分布则较为均匀,在正压正流状态下,喉管内的流体混合过程主要发生在喉管中间截面之前的流动空间.     

脉冲液-气射流泵能量平衡试验研究

根据脉冲液-气射流泵主要流动部件的能量损失压力比,对其能量平衡进行试验,研究主要过流部件的能量转化与脉冲频率之间的关系;与恒定液体射流泵试验数据进行对比,证明脉冲频率、脉冲装置对脉冲液-气射流泵的主要流动部件的能量损失压力比有一定的影响,脉冲射流是提高射流泵传能及传质效率的有效途径。     

射流泵液固两相流特性三维大涡模拟

为研究射流泵的三维液固两相流动特性,应用计算流体动力学（CFD）方法模拟其内部流动特征.采用LES方法和混合模型对射流泵在输送固体颗粒时的三维流场进行了数值模拟,分析了不同的固体颗粒直径、固相初始体积分数及流量比等参数对射流泵液固两相射流的湍射流场及射流泵基本特性的影响.结果表明：在较小的流量比条件下,固液两相流射流泵的压力比和效率与清水时的差别不大;但是在较大的流量比条件下,随着固相初始体积分数的增大,基本性能曲线与效率均下降,且流量比和固相初始体积分数越大时,其下降幅度越大;在固相初始体积分数和固相颗粒直径一定时,流量比越大,充分混合后的含砂体积分数将随之增大.固体颗粒直径越大,则越容易产生局部体积分布集中的现象,易在射流泵内形成堵塞.研究结果为工程实际应用提供了一定的技术支持.     

环形射流泵结构优化设计

运用DOE和CFD技术,以寻求环形射流泵效率最大时的最佳结构尺寸组合.试验射流泵模型原型取自真实试验,面积比1.75.首先对计算方法的可靠性进行了验证,在试验设计方法指导下,以最高效率为原则安排了多次试验,确定了4个主要因子,即流量比q、吸入室收缩角α、相对喉管长度lt及扩散管扩散角β,分别计算了射流泵在多种结构尺寸组合下的内部流动.借助统计分析软件对试验数据进行处理,确定各结构参数对射流泵性能影响的重要程度,找出最优的结构组合.结果表明该方法取得了很好的效果,试验设计预测最大效率36.3%与CFD模拟结果35.8%非常接近.影响泵性能的主要结构参数中,相对喉管长度比扩散管扩散角、吸入室收缩角更为显著,双因子间的交互作用比因子单独作用更为明显,为环形射流泵进一步优化设计,确定其合理的工作范围提供了依据.     

基于环对称掺气的液体射流泵试验研究

为改善液体射流泵性能,提出了在喉管处环对称掺气的方法.通过射流泵水力试验,研究了不同掺气条件下各流量比工况的基本性能及空化特征.试验表明:喉管适量掺气后,未达到极限流量比工况时压力比总体略有提升,效率变化率增值为0.3%~4.9%,接近极限流量比时增效最为明显;极限工况时掺气可以改善空化性能,实测喉管及扩散管的压力脉动明显减弱,且射流泵极限流量比有所增加、正常工作范围变大;较优的掺气率(空气与混合液的体积流量比)约为2%~3%.研究表明:与水相比,空气的黏度系数很小,少量空气被液体携带着贴管壁流动,可降低近壁面水流阻力、减小沿程水头损失,有利于提高射流泵传能效率.在极限工况时空气自然吸入可提升喉管内压力,减免射流泵空化、改善运行性能.环对称掺气的研究成果,可为液体射流泵的性能优化提供参考依据.     

螺旋轴流式油气混输泵导叶内非定常流动DMD分析

为研究螺旋轴流式油气混输泵内的非稳态特性,对泵内非稳态气液两相流动进行数值模拟分析,得到不同流量、不同叶高的流场分布。对流量100 m3/h、含气量30%工况下的非定常速度场进行动态模态分解(DMD),得到能够反映速度场特征的前4阶主要模态场及其相应的频率信息。导叶内流场特征可分解为耗散模态、基本模态以及高阶动态模态特征,耗散模态随时间逐渐衰减,对流场的发展影响较小;基本模态是频率为零的稳态特征,能够反映叶片型线等流道几何特征引起的稳态流场特征; 3阶及4阶动态模态反映了叶轮与导叶间的动静干扰,在不断向导叶下游发展的过程中逐步耗散,动静干扰作用对导叶下游流动影响较小。对相态场进行分解得到其主要模态场特征及其频率信息,其基本模态特征表明,在导叶叶高较大的截面上,流速越高,则含气量越低;相态场的高阶动态模态特征与速度场动态模态特征基本一致。DMD模态分析方法能够清楚地分析油气混输泵导叶内复杂流动的非定常特性。     

塑料井泵新型轴向导叶设计及内部压力脉动特性

设计开发了一种新型轴向导叶,基于CFD方法进行了全流场三维定常和非定常数值模拟,探讨了该新型轴向导叶内部的压力脉动现象,得到了额定工况下首级叶轮出口、次级叶轮出口、首级导叶内部和次级导叶内部压力脉动特性,并通过快速傅里叶变换进行了频域分析.结果表明:与空间导叶相比,轴向导叶水力性能略低,但较径向导叶有很大优势;新型轴向导叶的压力脉动产生于叶轮出口与导叶进口交界处,且在向导叶传输的过程中脉动信号呈衰减趋势;从导叶进口至导叶出口,导叶内的压力脉动幅值明显降低,表明该轴向导叶压力转换能力强;次级轴向导叶内压力脉动幅值低于首级导叶;各监测点主频均与叶频相等或为叶频整数倍,首级导叶和次级导叶内频域分布存在一定差别.     

泵自吸过程气液两相流的可视化试验

自吸泵的自吸过程属于复杂的气液两相流动过程。通过建立泵自吸性能外特性及自吸过程气液两相流动特性协同测试系统,采用NI虚拟仪器Lab VIEW编程平台,实现了对泵自吸过程中的进出口压力、流量、转速的瞬态测试;同时采用高速摄影观测系统对自吸泵叶轮、蜗壳及气液分离室内部的气液两相流动过程进行了可视化观测。结果表明:在流量未上升之前,自吸离心泵的自吸过程一直处于动态的稳定过程。气液分离室进口出现的稳定气液分离面有利于气液分离,有助于气泡的排出。而扩散段出口出现的停滞回旋气泡不利于气泡的及时排出,对自吸性能有不良的影响。在自吸末期,流量、压力均有突变的过程,且气液分离室内小水珠、扩散管处气泡数目急剧增多,随后又急剧下降,体现了明显的瞬态效应。     

贯流泵扩管内流场的三维LDV测量

贯流泵扩管对贯流泵装置性能的改善有一定作用,采用三维多普勒激光测速仪(LDV)对贯流泵扩管内流场进行流动测量,获得了扩管内各速度分量的分布规律,周向速度从进口到出口逐渐减小,靠近轮毂处和轮缘处周向流速逐渐减小;轴向速度呈"U"形分布,靠近壁面流速很小,中间区域的流速比较大,随着扩管的扩散,轴向速度有减小的趋势;径向速度的分布情况也是中间速度比较大,靠近壁面处流速减小。同时将测量结果与CFD计算结果进行了比较。结果表明:计算值与试验值的流速分布趋势基本一致,两者的周向速度和轴向速度比较接近,但是径向速度由于其本身的流速较小,所以从相对值来说计算值和试验值偏差比较大。     

射流式离心泵不同喉管长度对自吸性能的影响

为研究射流式离心泵喉管长度对泵自吸性能的影响规律,运用CFX软件提供的Eulerian-Eulerian多相流模型,对不同喉管圆柱段长度的射流式离心泵内部气液两相流动进行定常数值模拟,得到泵内部压力、气相速度以及的气相体积分数的变化规律,分析其对自吸性能的性影响,并通过试验进行验证.模拟结果表明:当喉管圆柱段长度为10 mm时,喉管处静压值将降低,卷吸作用得到加强,且其轴线上的气相过流速度进一步提高,整体增强了气相分离能力,泵的自吸性能明显提高;当喉管圆柱段长度为15 mm时,其对射流器内部静压值以及气相速度影响甚微,由于流动损失增加导致做功能力减弱,泵的水力性能降低.试验发现:当喉管圆柱段为10 mm时,自吸高度由原来的7.45 m提高至9.15 m,自吸时间也由原来的148.5 s缩短至90.0 s左右,自吸性能得到明显提高,且满足设计运行要求.     

SXB型消防用多级泵全流场CFD数值模拟

基于Reynolds时均N-S方程,采用标准k-ε湍流模型,压力速度耦合使用SIMPLEC计算,对SXB型消防用多级泵进行三维定常全流场湍流数值模拟,得到该泵的速度矢量图、静压图、湍动能分布图等,并对其内部流动规律进行定性分析.分析结果表明首级叶轮-导叶、次级叶轮-蜗壳中间轴向截面的速度场分布均匀,导叶与蜗壳起到很好的整流作用;首级叶轮-导叶、次级叶轮-蜗壳中间轴向截面的压力场分布均匀,叶片上压力分布非常规则,仅在首级叶轮与导叶的间隙区存在具有对称性的局部高压区;首级叶轮-导叶区湍动能分布较为规则,而次级叶轮-蜗壳区域的湍动能在沿叶轮旋转方向靠近隔舌的区域分布紊乱,在远离隔舌区湍动能较小,隔舌区湍流损失大.模拟结果显示出了泵内能量损失严重的区域,可为改进泵设计提供参考.     

高压渐开线内啮合齿轮泵轴向泄漏分析

为研究高压渐开线内啮合齿轮泵的内泄漏,尤其是轴向泄漏问题,对齿圈与泵体间隙处的轴向泄漏通道进行分析,并建立相应的简化模型,应用Fluent软件计算得到通道内压力沿周向分布的规律,采用所得公式与参数对轴向泄漏进行计算分析,并通过试验进行验证.研究结果表明:高压渐开线内啮合齿轮泵在采用间隙补偿机构时,进出油方式由轴向变为径向,从而导致了轴向泄漏;轴向泄漏与其他途径的泄漏相比更大,是影响该结构泵容积效率的主要因素,轴向泄漏的大小主要取决于齿圈与泵体公差的选择,配合间隙越大,轴向泄漏越大;同时,轴向泄漏也受齿圈偏心率的影响,泄漏量随偏心率的增大而减小.经分析得知,为保证泵在高压下能够保持一定的容积效率,在设计时需要严格控制齿圈与泵体双边间隙的上限值.同时,通过合理的径向力平衡设计控制偏心方向,可以有效利用高压下偏心率的变化缓解一部分轴向泄漏.     

基于CFD技术的核电站上充泵全流场数值模拟

为研究核电站上充泵内部流动规律,基于计算流体动力学（CFD）技术,采用Reynolds时均N-S方程和标准k-ε湍流模型,压力、速度耦合使用SIMPLEC算法,对1 000 MW核电站离心式上充泵全流场的三维定常湍流进行数值模拟,得到上充泵各级叶轮-导叶内部的速度、静压以及湍动能分布图,并对其内部流动状态进行分析.在数值模拟的基础之上,对4级上充泵样机进行了性能试验,并且换算成12级实型泵的性能,将性能试验结果和模拟性能预测结果进行对比.数值模拟结果表明：在叶轮、导叶间隙处出现局部低压区;叶轮出口和导叶进口交界区域速度分布不均匀,局部区域有逆流和旋涡,造成部分水力损失;叶轮出口和导叶进口处的湍动能较大,且分布极不规律,有较大的能量损失.从数值模拟的结果可以得到上充泵内部流动水力损失严重的区域,为进一步优化上充泵的设计提供参考.数值模拟和试验两者的结果吻合较好,验证了计算模型和换算结果的正确性.