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。     

离心泵小流量工况下的内部流动特性

为研究离心泵在小流量工况运行下性能及其内部流动特性,以型号为IS160-50-65的离心泵为研究对象,采用商用化软件Ansys CFX 12.0对模型离心泵的叶轮进口、叶轮流道以及蜗壳流道组成的全流场进行定常数值计算.同时,为了提高数值计算的准确性,考虑采用3种不同的网格数对模型离心泵的扬程进行网格无关性分析.且从离心泵的外特性及其内部流场分析了不同小流量工况下离心泵性能的变化规律.研究结果表明:与试验结果相比,设计工况下,扬程预测偏差为1.47%,效率预测偏差为3.61%;且随着流量降低,计算扬程的偏差值呈一定的下降趋势,计算效率的偏差值逐渐增大.另外,在设计工况下,离心泵的内部流动比较均匀;而在小流量工况下,离心泵进口管道及叶轮流道均出现回流现象,而回流引起的旋涡流有时甚至会堵塞叶轮流道;在极小流量Q/Q_d=0.2时,回流区域已延伸至全部的进水管路中.     

叶片包角对离心泵空化性能的影响

为了研究叶片包角对离心泵空化性能的影响,选择3台不同比转数的离心泵为研究对象,分别将各模型的设计包角做减少5°、增加5°和10°变化。基于ANSYS CFX软件应用标准k-ε湍流模型、均质多相模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对各模型泵在包角变化时泵内的空化流场进行数值模拟,分析空化性能和空泡体积分布变化规律,并通过实验进行验证。结果表明:叶片包角对中高比转数离心泵空化性能的影响较大;随着叶片包角的增加,各模型必需空化余量的变化规律各不相同,但叶片包角存在一个最优值使离心泵在设计工况下的空化性能最佳。     

分流叶片对离心泵空化性能影响的数值分析

为了研究分流叶片对离心泵空化性能的影响规律,以模型泵IS50-32-160为研究对象,设计了1种不带分流叶片与3种带分流叶片不同短叶片进口直径的叶轮,利用CFD对此离心泵的全流道进行了数值模拟,并对分流叶片离心泵在不同空化余量时泵的空化性能和叶轮内部流场分布进行分析研究.分析结果表明:添置分流叶片后,泵的扬程和效率均显著提高,但短叶片的长短对扬程和效率的影响不大;添置分流叶片后,泵的抗空化性能均有提高,且当离心泵短叶片进口直径为0.725D₂时,离心泵的抗空化性能相对较好,必须空化余量比其他2个带分流叶片方案减小了0.5 m;空化发生以后,叶轮出口射流速度会增加损失,同时叶轮内部速度的减小又会减少叶轮产生的动能,因而扬程会发生突降;带分流叶片的方案气泡分布情况比无分流叶片方案均有一定的改善,添置分流叶片后,气泡发展较为缓慢.     

叶片数对高比转数轴流泵空化特性的影响

基于shear stress transport（SST）k-ω湍流模型和Zwart空化模型,针对某一高比转数轴流泵模型,对叶片数分别为3、4和5的3组叶轮方案,分别进行了空化流场模拟和实验,计算了不同叶片数下的流量-扬程曲线、流量-效率曲线和空化性能曲线,得到了3组叶轮的临界空化余量NPSHc分别为6.19m、5.122m和4.765m。与叶片数为3的叶轮方案对比,另外2组叶片数方案的NPSH值分别降低了17.25%和23.02%。在空化充分发展的工况范围,发现叶片数多的叶轮的扬程对NPSH降低较敏感;针对轴流泵叶片背面的固定空化和叶顶间隙的旋涡空化,用空泡分布来表征空化的程度,分析了其在不同空化余量下空泡分布的变化规律。通过对比得到,相同NPSH下,叶片数Z=5的叶轮,叶片背面空泡分布体积较少,即空化的程度较低;但其空化严重区的空泡体积增幅较大,即空化发展的速度较快;叶顶区域的叶顶涡诱导的低压区随叶片数减少,范围逐渐向上游扩大,轮缘的空泡体积也随之增大,叶顶泄漏空化更加严重。即叶片数对不同类型空化情况,以及相同类型的不同程度的空化情况影响不同。     

离心泵叶片开槽抑制空化数值模拟

为了进一步提高低比转数离心泵的空化性能,提出在叶片压力面开槽的方法来抑制空化。针对离心泵运行过程中产生空化的流动特点,基于Kubota空化模型,采用SST k-ω模型对在相同工况下的离心泵中两相流动进行数值模拟与分析。模拟结果表明：叶片表面开槽后,离心泵各个工况下的扬程有所上升,在设计点扬程提高12.8%,同时效率提高4.2%。叶片开槽可以有效阻止低压区域向外扩张,改变压力的分布,对离心泵内各个阶段空化均有抑制作用。叶片开槽可以优化流场结构,使流道内的压力增加,减小空泡的体积分数。叶片开槽时离心泵叶轮内空泡体积在空化的各个阶段均小于无槽时叶轮内空泡体积,在空化发展阶段,开槽时空泡体积持续衰减。     

小流量工况下离心泵的性能预测研究

对在小流量工况下,利用数值计算的方法预测泵的性能时误差偏大的原因进行了分析,提出了在小流量工况下对扬程和效率的修正方法.通过对MD40-6.3多级泵一级的叶轮与导叶内部流场的数值计算,根据小流量工况下的修正公式预测了该多级清水离心泵一级的能量特性曲线,并与实验数据进行了比较.结果表明:在设计工况附近,预测值与实验值吻合...     

叶片进口安放角对离心泵空化性能影响

空化在泵类产品中广泛存在,因此成为水泵设计中重要考虑要素。为更加全面研究进口安放角对空化性能影响,在某水力模型基础上进行正负冲角添加,获得5组叶片模型。采用RNGk～ε模型考虑湍流影响,采用均质多相模型和Rayleigh-Plesset方程考虑空泡生长和溃灭,对5组模型进行三维定常湍流空化流场数值模拟。结果表明：在某范围内添加冲角对离心泵空化性能影响不大,添加负冲角会加速泵空化性能的恶化。该结论为水泵设计者选取合理叶片进口安放角提供有益参考。     

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.     

低比转数离心泵小流量工况下的压力脉动特性

为了研究低比转数离心泵在小流量下的压力脉动特性,以IS50-32-160型离心泵为研究对象,在对模型泵进行网格无关性分析的基础上,采用分离涡模拟对不同小流量工况下的内部非定常流动进行数值计算.计算结果表明:隔舌对叶轮内部流动的影响较大,靠近隔舌的3个流道内均存在不同程度的进、出口旋涡,进口旋涡从叶片吸力面处产生,方向与叶轮旋转方向相同,而出口旋涡在叶片压力面产生,方向与叶轮旋转方向相同;随着流量的减小,旋涡不断发展,尤其是隔舌所在流道,进、出口旋涡会堵塞整个流道,且蜗壳出口会出现流动分离,导致出流不均匀;对叶轮和蜗壳内各监测点进行快速傅里叶变换,发现叶轮内的主要脉动频率为轴频及其倍频,且脉动从吸力面到压力面、进口到出口均逐渐增大;蜗壳内主要脉动频率为叶频及其倍频,且越靠近隔舌脉动越大,在隔舌处达到极大值;各监测点的脉动强度随流量的减小而增强.     

离心泵空化流动数值计算

为了研究离心泵内部复杂的三维空化特性,采用改进的空化模型和湍流模型中的Standard k-ε模型和修正的RNG k-ε模型,对离心泵内部有、无空化流动进行了计算和分析,得到了设计工况下初生空化、发展空化和严重空化时叶片吸力面和压力面上的压力,并与无空化做了对比,提出了空化初生判定准则,系统划定了离心泵的空化区域。结果表明,随着进口压力的降低,空泡首先出现在叶片进口的吸力面,然后沿着叶片型线运动,形成附着空泡,进而空泡尾迹脱离主流,偏向压力面,堵塞部分流道,最终占据全部流道,使液流断裂;设计工况下初生空化数(σ=0.306 7)和严重空化数(σ=0.028 1)相差一个数量级;从叶轮子午面上看,空泡首先在靠近后盖板处出现,逐步向前盖板运动,并附着在前盖板圆弧附近;离心泵空化细分为初生空化、临界空化、发展空化、完全空化、断裂空化5个空化过程。     

空化条件下离心泵泵腔内不稳定流动数值分析

为研究不同空化发展阶段离心泵泵腔内的流动情况及其对叶轮的影响,提出了一种泵腔区域的拓扑块生成和结构化网格划分方法。在充分考虑近壁区网格质量的基础上,采用SST k-ω湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型对设计工况下某离心泵进行了全流场空化数值模拟,并计算了3种有效汽蚀余量下泵腔内的非定常流动情况及其对叶轮的作用力。结果表明:空化造成泵腔内压力脉动的幅值增大,由于前口环的存在,其前泵腔内的压力脉动幅值大于后泵腔;空化的加剧造成泵腔内宽频脉动的增加,以轴频最为明显;空化的加剧不仅影响泵腔内的流态,同时也增大了设计工况下作用于叶轮上的径向力和轴向力。     

低比转数变曲率叶型离心泵非定常流动分析

运用Fluent流场计算软件,采用修正的RNG k-ε湍流模型、滑移网格技术和二阶隐式时间推进法,用SIMPLEC算法对压力和速度耦合求解,数值模拟了低比转数变曲率叶型离心泵定常压力场、速度场和非定常压力场,设定了不同工况下靠近隔舌区叶轮和蜗壳之间的3个监测点,得到了3点的均压脉动度,并将计算的外特性曲线与试验进行了比对。结果表明,短叶片抑制了工作面流动的分离,改善了叶片上压力分布,叶轮出口处的射流尾迹区得到了明显改善;隔舌附近监测点的压力脉动幅值与监测点到隔舌间的距离成正比;数值计算结果为该泵叶型设计提供了理论依据。     

径向回流平衡孔低比转数离心泵空化性能研究

选用ns=26的低比转数离心泵为计算模型,保证蜗壳和叶轮其他几何参数不变的前提下,平衡孔中的液体分别采用径向回流、传统轴向回流以及无平衡孔结构这3种方案,基于混合流体的连续性方程、动量方程、标准k-ε湍流模型、均质多相模型和Rayleigh-Plesset方程对叶轮内的空化进行数值模拟。计算得到的H-LNPSHa曲线与试验结果吻合较好,验证了计算方法的准确性。研究结果表明:具有径向回流平衡孔的低比转数离心泵平衡孔回流方向与叶轮来流方向基本一致,能够明显改善该泵的空化性能。     

低比转数离心泵叶轮内汽蚀两相流三维数值模拟

阐述低比转数离心泵叶轮内汽蚀两相流基本理论,采用两相流混合模型对叶轮内定常三维湍流汽蚀流场进行数值模拟。根据计算结果的液相和空泡相主要流动特征,分析汽蚀发生过程叶片上的静压分布,揭示叶轮内汽蚀两相流场的内在特性。     

离心泵汽蚀非稳定流动特性数值模拟

为研究离心泵发生汽蚀时流道内部变化规律,通过三维软件Pro/E对离心泵内部流道进行三维造型,利用雷诺时均N-S方程和RNG k-ε两方程及SIMPLEC算法,采用全空化模型并考虑水中未溶解气体对空化的影响,应用计算流体力学软件CFX对离心泵全流道内的气液两相湍流进行了数值模拟计算,分析了离心泵内部发生汽蚀时的非定常流动的规律。结果表明:在汽蚀初生到临界汽蚀余量这一区间范围内,气体体积分数主要集中在无量纲径向位置为0.2附近的一段区间内。随着汽蚀余量的降低,气体体积分数的密度会相应地增加,受叶轮和蜗壳的耦合作用呈现不对称分布,在汽蚀初生时叶轮流道内压力波动呈正弦周期性变化。随着汽蚀余量的降低和气体分数的增加,叶轮流道内压力呈现不规则变化,压力脉动从隔舌处开始沿着叶轮旋转方向逐渐衰落。     

离心泵泄漏流转子动力学特性分析

为研究泄漏流对离心泵转子振动特性的影响,以及计算由于离心泵前腔泄漏流作用在盖板上的不对称压力形成的涡动力,建立了离心泵前腔泄漏流模型,提出了一种研究离心泵前腔泄漏流诱导产生涡动力的数值计算方法。首先对离心泵进行全流场数值模拟,然后把其运算结果作为前泵腔单独数值模拟的初始条件,分析前腔流道内部流场的压力和速度矢量分布情况,并求出不同涡动频率比对应的法向和切向涡动力,最后运用最小二乘法对涡动力与涡动频率比之间的二次曲线进行拟合,求出全部6个转子动力学系数,结果表明数值模拟能较准确地计算出前腔泄漏流诱导产生的涡动力。     

叶顶形状对轴流泵空化性能的影响

轴流泵叶轮与转轮室之间间隙内的泄漏流动与主流相互掺混形成的泄漏涡是导致轴流泵叶顶空化的重要原因。为研究合适的叶顶形状来控制和改善叶顶泄漏空化,通过高速摄影空化试验,比较了试验结果和数值计算结果,验证了本次数值计算的正确性。再在原始平面叶顶方案的基础上,通过数值计算,分别研究了3种叶顶形状(倒圆叶顶、斜切叶顶以及倒圆斜切叶顶)对轴流泵叶顶空化的影响。叶轮水体采用结构网格划分,以便精确捕捉间隙区域的流场特性。结果表明:倒圆叶顶和倒圆斜切叶顶方案的扬程和效率都有所下降,但斜切叶顶有所升高。虽然倒圆叶顶消除了角涡空化,但泄漏涡空化加剧;而斜切叶顶得到的结果却与之相反,且斜切叶顶的间隙内会有漩涡空化产生;相比之下,倒圆斜切叶顶的角涡空化和泄漏涡空化都得到了较好的控制。根据研究结果,建议在满足外特性性能要求的情况下,采用倒圆斜切叶顶方案可以较好地控制轴流泵的叶顶空化。     

基于自由曲面变形方法的离心泵叶片反问题方法研究

提出了一种基于自由曲面变形(FFD)方法的离心泵叶片反问题新方法。采用自由曲面变形方法对叶轮叶片形状进行控制,将叶片空间曲面嵌入到一个均匀剖分的三参数张量积控制体内,移动控制晶格点位置使控制体发生变形,控制体内的叶片曲面形状随之改变。根据给定的叶片目标载荷分布进行叶片形状的控制,构建控制晶格点的变形函数,根据叶轮内三维湍流数值模拟结果与期望的叶片载荷分布规律控制晶格点的变形,实现了由物理参数对叶片形状的直接控制。算例计算结果表明,所提出的基于FFD方法的离心泵叶片反问题方法是可行的。