旋涡泵的研究现状与发展方向

简要介绍了旋涡泵的结构、特点和应用。从工作原理,结构参数对泵性能的影响,设计理论,内部流动和实验研究五个方面论述了国内外旋涡泵的研究现状,并指出今后研究的发展方向和趋势。文章认为,利用先进技术对泵内部流动进行测试,建立新的流动理论模型,完善设计方法是今后研究的重点。     

旋涡泵的研究现状与展望

介绍了旋涡泵的基本原理、结构分类,针对其特点,与其他类型泵进行了对比．对旋涡泵的应用、研究历史与现状进行了简要评述,并结合国内外学者对旋涡泵的工作过程、内部流动、设计方法以及试验研究中取得的成果,讨论了旋涡泵研究发展中有待解决的问题．展望了旋涡泵研究设计发展的趋势,认为采用先进的测试技术对其内部流场进行测试和分析具有重要理论意义．指出了旋涡泵半开型叶轮和复合叶轮的结构在工程应用中的独特作用和广阔的应用前景．     

旋流泵的研究现状与展望

论述了国内外旋流泵的研究历史和现状，分析了结构参数对泵性能的影响、内部流动形状与流动模型、旋流泵的设计方法。在总结前人所做工作的基础上，对今后研究发展方向进行了展望。文章认为，利用先进技术对内部流动测试，建立新的流动模型，提出完整而实用的计算方法是今后研究的重点。     

旋涡泵的研究现状与发展趋势

旋涡泵在小流量、高扬程场合应用十分广泛。为此,综述了旋涡泵的特点及分类,详细论述了旋涡泵内部流动过程,总结了水力设计方法及研究现状,指出了进一步发展的趋势和方向,为后续研究工作提供指导性建议。     

闭式叶轮叶片位置对旋涡泵性能的影响

基于雷诺时均N-S方程和标准k-ε两方程湍流模型加壁面函数法,采用三维非结构四面体网格建模, 选用旋转流体机械模型中的多重参考坐标系模型(MRF),利用Fluent软件对同一泵体配两种闭式叶轮的旋涡泵内三维不可压缩湍流流场进行了数值模拟,分别得到了各自内部流场的压力分布和速度分布情况,并且根据数值模拟结果预测了旋涡泵的扬程和效率.通过比较分析,提出采用交错叶片闭式叶轮在保持泵的效率与采用对称叶片闭式叶轮时,能提高泵的扬程.另外,通过对压力场和相对速度场的细致分析,证实了旋涡泵内部的旋涡流动特征,并对旋涡的形成进行了分析和探讨.     

自吸旋涡泵变转速性能与内部流场试验

研制25WZ1-12型自吸旋涡泵试验样机,通过型式及变转速外特性试验,得出旋涡泵q_v-H、q_v-η性能曲线变化规律,验证q_v-H、q_v-P曲线换算满足相似理论比例定律,q_v-NPSH曲线换算不满足汽蚀相似定律;用5孔管束探针对流道流场进行测量,得到流场静压p_s、当量径向速度v_(re)和当量圆周速度v_(ue)随泵转速变化分布状况;通过对试验数据的分析,解释了外特性参数与内部流动参数之间的联系和变化规律,指出旋涡泵的汽蚀类型及发生部位,为旋涡泵优化设计和建立内部流动模型提供参考依据.     

M型截面流道对旋涡泵性能的影响分析

为了减少旋涡泵流道内部冲击损失,提升旋涡泵的性能,研究了基于面积不变理论改变旋涡泵流道截面形状的方法。采取流道形状贴合流动状态的策略,改变流道截面形状为M型,利用CFD技术对参考泵和M型截面流道的内部流动进行多工况三维数值模拟分析,对比两者之间的扬程、效率曲线,并分析流道截面的流线图。结果表明,相比矩形流道,M型截面流道在扬程和效率上均有所提升,流道内叶片出口处的乱流有所改善,M型截面流道中液流更加平滑,但是过流面积增加,摩擦损失也随之增大。     

小流量工况下旋涡自吸泵流动降噪优化研究

为了研究旋涡自吸泵内部声场特性,减少旋涡自吸泵在小流量工况下运行时的噪声,采用CFD+Lighthill声类比理论对旋涡泵内部声场进行求解,并进行降噪优化。首先利用CFX软件提供的RNG k-ε模型,选取0.4Qd、0.8Qd及Qd3个流量点对旋涡泵进行非定常数值模拟,获得不同工况下旋涡自吸泵内部压力脉动情况。提取非定常计算所得的脉动力,导入声学软件ACTRAN中进行声场计算,得到不同工况下旋涡泵出口声压级的大小、泵体内部的声压分布以及泵内部主要噪声源分布。采用正弦调制叶片分布方式设计了调制角A为2°、4°、6°、8°的4种不同不等节距叶轮,通过对模型泵进行声场计算,最后选取降噪效果较好的调制角A=4°的不等节距叶轮进行3D打印,并对3D打印样品进行外特性和噪声试验验证。结果表明:旋涡泵内部流动诱导噪声与压力脉动密切相关,主要是由叶轮与泵体的动静干涉引起,其频率特性与压力脉动相似,2倍叶频时声压最大。流量越小,旋涡泵出口声压级越大,其噪声源主要分布在泵体流道及靠近流道出口隔舌处。调制角A=4°的不等节距叶片在小流量工况下对旋涡泵外特性性能影响不大,且能使小流量工况0.4Qd的噪声下降2 d B,设计工况噪声下降4 d B。     

旋涡自吸泵小流量工况下的流动噪声研究

为了研究旋涡自吸泵内部声场特性,减少旋涡自吸泵在小流量工况下运行时的噪声,采用CFD+Lighthill声类比理论对旋涡泵内部声场进行求解,并进行降噪优化。首先利用CFX软件提供的RNG k-ε模型,选取0.4Qd、0.8Qd及Qd三个流量点对旋涡泵进行非定常数值模拟,获得不同工况下旋涡自吸泵内部压力脉动情况。提取非定常计算所得的脉动力,导入声学软件ACTRAN中进行声场计算,得到不同工况下旋涡泵出口声压级的大小、泵体内部的声压分布以泵内部主要噪声源分布。采用正弦调制叶片分布方式设计了调制角A分别为2°、4°、6°、8°的4种不同不等节距叶轮,通过对模型泵进行声场计算,最后选取降噪效果较好的调制角A=4°的不等节距叶轮进行3D打印,并对3D打印样品进行外特性和噪声试验验证。结果表明:旋涡泵内部流动诱导噪声与压力脉动密切相关,主要是由叶轮与泵体的动静干涉引起,其频率特性与压力脉动相似,2倍叶频时声压最大。流量越小,旋涡泵出口声压级越大,其噪声源主要分布在泵体流道及靠近流道出口隔舌处。调制角A=4°的不等节距叶片在小流量工况下对旋涡泵外特性性能影响不大,且能使小流量工况0.4Qd的噪声下降2dB,设计工况噪声下降4dB。     

自吸旋涡泵内部流动分析

基于雷诺时均方程和κ-ω双方程湍流模型,应用Fluent软件对自行设计制造的自吸旋涡泵内部流场进行数值模拟．压力与速度耦合求解采用SIMPLEC算法．在模型泵外特性试验和五孔管柬形探针对泵体流道静压场测量的基础上,通过对比分析数值模拟和试验结果,解释了旋涡泵汽蚀及纵向、径向旋涡产生原因,得出了旋涡泵内部总压、静压和速度分布及变化规律,并给出了旋涡泵泵体流道内部压力随流量增加而减小,且沿圆周流道静压呈非线性递增的变化趋势．得到了旋涡泵压力及速度变化规律．为以后自吸旋涡泵的优化设计及应用提供参考．     

多级旋涡泵内部流动特性与压力脉动的数值分析

为了揭示旋涡泵内部流场结构和非定常压力脉动特性,研制具有开式叶轮和闭式流道结构的多级旋涡泵,基于RNG k-ω湍流模型、SIMPLEC算法与块结构化网格,对旋涡泵内部流场进行数值模拟和试验验证.通过外特性数值预测验证了该旋涡泵能够满足设计参数的要求.基于CFD数值模拟技术,对旋涡泵内部流场进行数值模拟.结果表明:随着流量逐渐增大,旋涡泵扬程呈现陡降的趋势,同时叶轮叶片的做功能力变差,叶片对液体的增压能力逐渐降低.在叶轮吸入口和压出口两侧的叶片流道内部,其速度分布和湍动能分布变化梯度较大,其它叶片流道内部速度分布和湍动能分布较为相似.叶轮流道内部叶顶区域中间流道内存在1个低速区,随着流量的逐渐增大,低速区越来越小.叶轮流道内部叶根区域中间流道内存在1个速度梯度密集区,该区域湍动能较大,即叶片流道的叶根区域存在较大的损失耗散区,随着流量的逐渐增大,该损失耗散区越来越小.分析旋涡泵各特征位置的压力脉动特性发现,在叶轮叶片不同监测位置和闭式流道不同监测位置,压力脉动频率特性较为明显,即此处会诱发较为明显的水力振动和噪声.结果揭示了旋涡泵内部流场和性能的影响机理,为旋涡泵的设计提供了理论依据.     

水泵进水池模型试验新方法研究

针对我国目前水泵进水池模型试验相似准则不明确，忽视观测水泵进口流态和吸水管内涡流强度等缺陷，提出了水泵进水池模型试验研究的新方法。开敞式水泵进水池模型试验按弗劳德数相似准则模拟。不带泵进行试验，模型比尺的选取应保证一定的进水池宽度、水深和吸水管直径，从而提高试验结果的可靠性。模型试验应重点检查进水池中是否出现有害的水面涡和水下涡，控制水泵进口时均流速波动范围和吸水管内涡流强度的大小。     

NTB型陶瓷多级泵内部流动的三维数值模拟

根据CAD水力设计对NTB型陶瓷多级泵进行三维造型及网格划分,应用CFX软件,基于雷诺时均N-S方程,采用标准k-ε湍流模型和多重参考坐标系,对该泵包括额定工况点在内的9个工况点下的内部流动进行了数值模拟,得到了静压分布图、速度矢量图、流线图等,定性分析了大、小流量和额定工况点下的内部流动规律,并预测了泵的性能曲线,模拟结果表明:设计工况下绝对速度分布较合理,蜗壳出口未发现回流,反导叶出口流速相差不大且方向基本相同,但其内部发现较大的轴向旋涡;由于叶轮与径向导叶、蜗壳隔舌的相互作用,两级叶轮中间截面流线均呈现局部非对称性,3种工况下首级叶轮均存在不同程度的射流-尾迹现象,且在小流量工况下叶片工作面处发现轴向旋涡.在此基础上于某厂试制了NTB型陶瓷多级模型泵,进行外特性试验,并将试验结果与模拟结果对比,发现试验结果与数值计算结果基本吻合,模型泵满足设计要求,NTB型陶瓷多级泵研制成功,同时,模拟结果可为今后的优化设计提供依据.     

万吨级海水淡化高压泵水力部件优化设计

为了研制高效区宽广的海水淡化高压泵,采用一种轴向吸入节段式的总体结构形式,分别设计了3组叶轮和导叶结构,组合成9种方案进行水力模型的筛选.在ANSYS CFX中对该9种方案进行数值计算,优选一组最佳水力模型加工实体泵进行外特性试验.试验结果表明:该实体模型泵高效区宽广,各工况性能均满足设计要求,数值计算和试验的扬程、效率的误差在额定工况点分别为2.52%和2.96%,均在工程允许范围内,验证了数值计算的正确性.对叶轮出口、导叶进口处流场的匹配衔接进行研究发现,增大导叶进口喉部面积,最高效率点将向大流量处偏移.对优选方案内部流动进行分析发现,高压泵在小流量工况下运行不稳定,导叶内出现较多的旋涡结构,造成较大的能量损失,但随着流量逐渐增大,旋涡有所减少,高压泵运行趋于稳定,因此高压泵应避免在小流量工况下运行.研究结果可为高压泵的优化设计提供一定的参考.     

折边宽度对旋流泵效率影响的数值模拟与试验研究

通过对旋流泵内部流道进行三维造型,利用雷诺时均方程、双方程湍流模型并结合SIMPLEC算法对其内部三维不可压湍流场进行数值模拟,得出旋流泵内部的压力分布。通过对具有3种不同宽度折边叶片模拟结果进行对比,发现旋流泵内部存在较强的纵向旋涡和轴向旋涡,折边能够改善旋流泵水力性能。在模拟的基础上,进行了试验研究,试验结果表明：折边能够减小水力损失,提高旋流泵的扬程与效率。     

Ω涡识别方法在双进口两级中开泵中的应用

为了研究双进口两级中开泵内部流动的涡旋特性,基于SST k-ω湍流模型,采用非定常数值计算方法,通过外特性试验和GCI准则验证了数值计算方法的合理性,并引入新一代涡识别方法Omega(Ω)法,对其内流场中的涡旋结构进行分析.研究结果表明:传统的涡识别方法不能有效剔除壁面剪切层的影响,而Ω方法能将流体的剪切和纯旋转运动进行区分,获得较为清晰的泵内涡旋结构,特别是在两级叶轮中,能准确捕捉到尾迹涡的形态和分布情况;在不同工况下,将三维的Ω涡识别方法简化到二维平面后,其在反流道中的适应性更好,规避了之前许多没有形成涡旋结构而流线呈现出强扭曲的区域,同时证明了轴向涡旋在反流道中占主导地位.另外,研究过程证明了Ω方法在双进口两级中开泵这种复杂流体机械内部涡旋结构的识别中具有较大的优势,可以为该型泵进一步的设计优化提供相关理论依据.     

不同叶片型式旋流泵能量转换机理分析

针对旋流泵内部流动结构形式所引起的整机效率下降问题,以卧式150WX-200-20型旋流泵为研究对象,进行旋流泵水力和结构设计,运用Pro/E三维设计软件建立前弯型和后弯型两种折叶片三维模型。设计6组前弯和后弯叶片为对照组,采用CFD流体计算软件进行数值计算,以两种折叶片组成叶轮型式为研究对象,结合叶片进出口速度三角形,对旋流泵不同叶轮的做功过程和能量损失过程进行了分析,从而找到两种不同叶轮型式下的能量损失传递转换机理。研究发现,对于旋流泵效率而言,在设计流量点之前,前弯叶轮的效率高于后弯叶轮效率;在设计流量点之后,后弯叶轮效率高于前弯叶轮效率。对于两种不同型式的叶轮,在设计流量点之前,前弯叶片的做功能力更强,能量损失更小;在设计流量点之后,后弯叶片的做功能力更强,能量损失更小。     

基于熵产的旋流泵流动损失特性分析

为揭示旋流泵运行过程中的能量损失特性,通过数值模拟的方法分别对60%,100%和120%设计流量工况下旋流泵的内部流场进行分析和研究,同时基于熵产理论对旋流泵各个过流部件的流动损失进行定量分析.结果表明:旋流泵在运行过程中总熵产先减小后增大,其中能量损失最大的区域是无叶腔和后腔部分,约占总熵产的70%以上.叶轮区域的熵产随着流量增加逐渐增大,设计流量、大流量工况下叶轮区域的熵产占总熵产的比例超过20%.进口延长段区域的熵产随流量增加逐渐减小,设计流量、大流量工况下熵产占比低于1%.流场分析显示,在小流量工况下,蜗壳隔舌前端和进口流道有明显的大尺度涡团和回流.设计流量、大流量工况下流动不稳定区域主要集中在叶轮区域,该区域涡核几乎充满所有流道,且有大量旋涡产生造成流道阻塞和回流.研究结果能够为旋流泵的优化设计提供一定的参考.     

电动机前置和电动机后置潜水贯流泵装置水力性能比较

为了推动潜水贯流泵装置在低扬程泵站中的应用,提出了电动机前置的新型潜水贯流泵装置型式.基于某大型潜水贯流泵站的设计参数,分别设计了电动机前置和电动机后置2种型式的潜水贯流泵装置方案,采用数值模拟方法对这2种型式潜水贯流泵装置的三维流场分别进行数值计算和分析,预测泵装置的扬程和效率,并比较其水力性能和结构特点.结果表明:这2种型式潜水贯流泵装置的进水流道内水流收缩都平缓均匀、流线层次分明,电动机前置方案出水流道内水流扩散平缓且无旋涡或其他不良流态,电动机后置方案出水流道内主流偏向流道扩散段右下侧并在左上侧产生旋涡;电动机前置方案的流道水头损失小、泵装置效率高,水力性能优于电动机后置方案;电动机前置方案的潜水电动机密封更可靠、电动机支撑结构更合理、水泵导叶体的水力设计更成熟.潜水贯流泵装置应优先采用电动机前置方案.