不同比转数前伸式双叶片离心泵内部流动规律研究

采用k-ε模型、SST模型和DES模型分别对比转数为70的前伸式双叶片离心泵进行非定常数值计算,获得不同流量工况下(Q/Qd分别为0.6、1.0、1.6)叶轮内部流场的相对速度分布,将不同湍流模型的内部流动模拟结果与PIV试验结果进行对比分析,发现基于k-ε模型的模拟结果与PIV试验测量结果较为吻合。采用k-ε模型对比转数为157的前伸式双叶片离心泵进行非定常数值模拟,研究发现叶轮内部流动规律与比转数为70的离心泵叶轮内部流动规律具有相似性:在流道中部靠近叶片工作面上存在低速区及与叶轮旋转方向相反的轴向旋涡,随着流量的增大,低速区与轴向旋涡逐渐减小;引入少叶片数离心泵内部流动理论,揭示了低速区和轴向旋涡存在和发展的内在机理。     

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.     

低比转数冲压多级泵叶轮内三维流动数值模拟

应用标准k-ε湍流模型加壁面函数法对低比转数冲压多级离心泵叶轮内的三维湍流流动进行了时均N-S方程的数值计算。分析了叶轮内部流场的速度分布和压力分布,研究了离心泵叶轮通道内流动的规律。并利用CFD软件CFX的模拟结果得到了设计工况下离心泵叶轮的扬程和效率的预测值,预测结果与相关的试验数据相吻合。     

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.     

叶片厚度对低比转数离心泵性能的影响

为了研究叶片厚度对低比转数离心泵性能的影响,选取一比转数为48的离心泵为研究对象.在离心泵其他几何参数给定的条件下,通过改变圆柱形叶片厚度,构造了5种不同叶片厚度的叶轮.基于标准k-ε湍流模型,采用SIMPLE算法,在6种不同工况下分别对其进行全流场数值模拟,对比分析了叶片厚度对泵的外特性及内部流场的影响,得出了叶片厚度对泵水力性能的影响规律.结果表明:叶片厚度在一定范围内,随着叶片厚度的增大,泵的最优工况点向小流量偏移,最高效率略有提高;同时随着叶片厚度的增加,泵在设计工况下运行时的湍动能损失不断增大;在满足叶片结构强度的前提下,选取合理的叶片厚度,可确保离心泵具有较好的水力性能.     

低比转数离心泵多相位定常全三维数值模拟

针对定常流动是否具有全局代表性的疑问,采用多参考系模型对某一低比转数离心泵在设计工况进行了多相位定常流动数值模拟.分析了由于叶轮与蜗壳相对位置的变化引起的泵扬程的变化规律,同时捕捉到了全流场的速度、压力分布以及蜗壳第Ⅷ断面漩涡的结构与演化特征等重要流动信息.结果表明,多相位定常流动数值模拟的结果实际上反映了泵内流场的非定常流动特性.     

离心泵非定常计算中叶轮转动位置对性能影响的数值模拟

利用CFD软件,采用Realizable k-ε湍流模型,分别在3种工况下,对1台比转数为71的导叶-蜗壳组合式离心泵的内部流动进行三维非定常数值模拟,获取了离心泵内部流场结构,计算泵的扬程及效率。根据计算结果,分析了叶轮转动位置对泵外特性和内流场的影响。结果表明：当叶轮转动位置不同时,泵扬程、效率随之发生变化,选取某一特定位置处结果作为最终预测结果会产生较大的随机误差;叶轮转动位置的不同,也会对叶轮、导叶、蜗壳流道内的压力场和速度场产生一定的影响。     

基于边界层分离理论的低比转数离心泵设计

为研究边界层分离对低比转数离心泵水力性能的影响规律,由边界层不发生分离条件,结合离心泵湍流边界层理论,在不改变叶轮进出口几何参数的情况下,通过实际案例设计新的叶轮叶片型线,探索在水力设计中防止或抑制过流表面边界层分离的方法.叶轮叶片型线方程以叶片安放角β为变参数,引入速度系数kv作为中间因子.水力设计计算结果显示:边界层动量损失厚度随速度系数kv的增大而变厚,理论扬程随速度系数kv的增大而升高;在满足理论扬程的条件下,减小叶片型线方程中速度系数kv的取值,有利于抑制过流表面边界层的分离.数值模拟结果表明,低比转数离心泵叶轮叶片型线设计不合理是导致过流表面边界层分离的主要原因,边界层分离引起泵的水力性能下降,在设计工况下,改型泵的扬程比原型泵的扬程增加不明显,但水力效率有所提升;新的叶轮叶片型线对内流场状况有一定的改善作用,能有效防止回流与涡旋的产生和发展.     

低比转数离心泵驼峰现象的PIV测试

低比转数离心泵性能曲线驼峰问题严重影响泵的运行稳定性,但至今尚未得到很好的解决.为了揭示低比转数离心泵驼峰现象的内流机理,首先根据一比转数为73的离心泵水力设计要求设计了2种水力模型,其中方案1有驼峰,方案2无驼峰,并对2种方案进行了能量性能试验从而验证水力设计的正确性;接着采用粒子图像测量技术对2个方案的内部流动进行了多工况测试与分析.结果表明:当性能曲线出现驼峰时,叶片压力面处的低速区迅速增大,且在多个流道的叶片压力面出现了较大的旋涡,引起叶轮内流态恶化;叶轮出口与蜗壳基圆间隙之间的回流进一步增大;叶轮出口绝对速度与蜗壳基圆处流速差值也明显增加,导致了泵内冲击损失增大从而引起性能曲线的驼峰现象.研究成果能够为控制低比转数离心泵驼峰现象提供理论参考.     

离心泵叶轮内部流场CFD分析

叶轮是离心泵中做功的主要部件，叶轮内的流动相当复杂．为三维、非定常、不可压缩粘性流动，叶轮内流体的流动状态直接影响离心泵的性能。为了进一步探索泵叶轮内部三维流场的其他参数。为泵的设计提供理论依据，以有限元法为依据，对离心泵叶轮内部流场的速度、压力进行CFD分析，初步得出了叶轮内部流场主要特征和分布规律。     

低比转数离心泵驼峰工况附近内部流动特性分析

为了揭示驼峰的产生机理,采用CFD数值预报对低比转数离心泵驼峰工况附近内部流动特性进行了深入分析,建立了扬程与内部流动特性之间的关系.在0.1~1.6倍设计流量下扬程的模拟值与试验值的相对误差在3.62%以内,且预报驼峰所在工况与实测结果基本一致.对驼峰附近工况0.2,0.3,0.4倍设计流量下的内部流动进行了分析,预报结果表明:泵进口管道存在大量回流,造成叶轮进口预旋,诱发驼峰;各叶轮流道内均存在不同程度大小的旋涡,在0.2和0.3倍工况甚至堵塞了整个流道;存在旋涡的叶轮流道出口相对速度值较大,而绝对速度值较小.结合泵基本方程进一步分析,发现出口相对流速的增大使得扬程降低,引发驼峰.对比叶轮出口R/R₂=0.9处绝对速度,小流量下波动更加严重,且其圆周分量下降非常明显,直接降低了这些工况下的扬程值;叶轮进口的预旋及出口回流是诱发驼峰的原因,消除或者减小这些非稳态现象可作为抑制驼峰的出发点.     

多工况高效无过载低比转数离心泵设计优化

为满足低比转数离心泵对多工况点效率和无过载特性要求,针对模型泵TS65-40-160,基于无过载理论进行设计优化,通过CFD分析内部流动分布规律,并采用快速成型模型试验进行对比分析。经过多方案改进得到较优方案2,该方案扬程在关死点、设计点以及最大流量点均高于设计要求;最高机组效率提高了14%,功率特性曲线出现了无过载趋势,在最大要求流量点48 m3/h处输入功率却未增大,且泵效率达到国家标准要求。经多方案CFD模拟和试验数据对比,证明模拟精度可满足模型优选要求。     

外啮合斜齿轮高压泵的CFD数值模拟

为研究流量脉动系数对外啮合斜齿轮高压泵内部流场的影响,通过理论推导流量脉动系数的计算公式,分析螺旋角对流量脉动系数的影响,并结合计算流体力学(CFD),对外啮合斜齿轮高压泵的流场进行数值模拟,得到高压泵在不同转速、不同径向间隙下的压力脉动和流量特性.结果表明:增大螺旋角会减小流量脉动系数,有利于改善出口流量的品质,降低齿轮泵泄漏;另外,转速和径向间隙在一定范围内增大时,脉动系数逐渐减小,泄漏涡强度也会减小.当转速和径向间隙继续增大时,脉动系数趋于平稳波动;转速增大时,啮合区域的压力变化较大,但是靠近泵腔壁处的齿轮压强变化较小;径向间隙增大时,泄漏流动和泄漏涡强度会降低,在设计中适当增大转速和径向间隙可以改善出口流量品质.研究高压泵内部流场的运动规律和流量脉动特性对于外啮合斜齿高压泵的设计和优化具有一定的参考价值.     

双向流道轴流泵装置的飞逸特性

为研究双向流道轴流泵装置的飞逸特性,以引江济淮枞阳站泵装置模型为研究对象,基于RANS方程和RNG k-ε模型,应用CFX软件对双向轴流泵装置全流道进行了非定常数值模拟,获得了不同扬程下的流量值及飞逸转速值,计算得到了单位飞逸转速.通过数值计算结果与试验结果相比较,验证了数值计算方法的正确性.结果表明:单位飞逸转速随着叶片安放角的增大而逐渐减小;水流通过泵段后流动变得不稳定,在出水流道中产生大量旋涡;叶轮进口处压力脉动主频为叶轮转频的叶片倍数,压力脉动幅值从轮毂到轮缘逐渐增大;叶片吸力面中部压力分布较不规律,叶片压力面头部及吸力面尾部存在高压区,且面积随飞逸扬程增加而变大;叶片尾部流速较大,边缘存在流动分离现象,而头部存在低速区域,扬程增大后低速区面积增大,流场更加不稳定.研究结果可为泵装置的设计优化及安全管理提供一定参考.     

偏置小翼对离心泵压力脉动及尾迹结构的影响

为研究离心泵叶轮叶片尾迹对压力脉动的影响,以一台低比转数离心泵为研究对象,运用DDES(delayed detached eddy simulation)方法,开展了泵内精细非定常数值计算,对比了普通叶轮、翼型叶片叶轮和偏置小翼叶轮这3种方案下的泵压力脉动频谱特性及尾迹涡结构.结果表明:偏置小翼叶轮可明显提升泵的扬程,设计工况附近效率高于其他2种方案,且高效区变宽;与普通叶轮相比,偏置小翼方案叶频处压力脉动幅值大幅降低,特别在隔舌附近叶频幅值下降43%,且低频范围内脉动能量亦得到抑制;受到偏置小翼尾迹干涉的影响,叶轮叶片尾迹高涡量区域明显减小,涡量平均强度减弱,这是压力脉动幅值降低的主因.因此,偏置小翼可有效抑制叶轮叶片尾迹涡从而降低泵压力脉动能量.     

螺旋混流式喷水推进泵的噪声特性

为了研究螺旋混流泵不同运行工况下的噪声特性,基于DES湍流模型,对螺旋混流泵进行非定常数值计算,提取各过流部件表面非定常压力脉动作为声源,采用声学有限元结合声振耦合的方法对由各过流部件偶极子源所引起的噪声进行数值计算,分析了其外场噪声规律及各过流部件的噪声分布特征.结果表明:壳体偶极子源是外场噪声的主要贡献,叶轮偶极子源噪声在其叶片进口端的前段声压级最高,叶轮工作时叶片表面的非定常载荷及动静干涉的作用是影响叶轮噪声的主要原因;导叶偶极子源声压级最高区域集中在曲率最大处及进口端,流道内不稳定流动及动静干涉的作用是导叶噪声发生的主要原因.     

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。     

轴流式油气混输泵压缩级流场CFD模拟分析

利用Fluent计算软件,采用非定常滑动网格技术和非结构网格来模拟油气混输泵单个压缩级三维流场,通过对气液两相介质在流道内的流动情况的分析,为改进压缩级的设计提供了依据。试验证明,该方法在油气混输泵的设计中是有效的。     

气液两相条件下离心泵内部流态及受力分析

为研究离心泵在气液两相条件下叶轮内部流态及受力情况,选取一比转数n_s=129的离心泵为研究对象,基于CFX软件提供的Eulerian-Eulerian非均相流模型对泵内部流场进行三维瞬态数值模拟,得到不同初始气相体积分数下叶轮流道内气相体积分数分布及叶片载荷等物理量变化规律,并将数值模拟结果与试验结果进行对比验证.结果表明:叶轮内气体主要集中分布在叶片吸力面区域,出口处则集中分布在流道中间区域,叶轮前盖板区域气相体积分数大于后盖板区域;当初始气相体积分数逐渐增大时,叶轮流道内流动紊乱,气液两相流动的不均匀性加剧,旋涡区域增大;随着初始气相体积分数的增大,叶片进口到靠近出口位置,叶片压力面所受压力载荷相对于吸力面减小的更快,而在出口位置附近叶片吸力面压力载荷减小的更快,叶轮径向力的不平衡性加剧,叶轮所受转矩减小.数值计算结果与试验结果在趋势上趋于一致.     

基于流体力学泄漏模型的螺杆泵泄漏机理分析

针对螺杆泵筒壁间隙、啮合间隙等决定螺杆泵性能的关键间隙设计问题,在研究螺杆各项间隙构成原理的基础上,运用流体力学间隙泄漏理论,建立泵腔间隙泄漏压差流和剪切流模型,分别分析螺杆泵筒壁间隙和啮合间隙的泄漏量,得到螺杆泵不同间隙泄漏的表达式。以主动螺杆2头、从动螺杆3头的双螺杆泵为例,通过理论计算与试验对比分析了螺杆转速、压差对泵泄露的作用机理,揭示了螺杆转速、泵进出口压差对螺杆泵流量特性及容积效率特性的影响规律,从而完善了螺杆泵转子设计理论,提升了螺杆泵输送性能。