单介质螺旋离心泵能量转换机理

为了研究螺旋离心泵叶轮各段做功能力和能量转换机理,从理论上分析了流体机械内部的流体流动情况,应用欧拉方程,将流体在叶轮中的能量分为动压头和静压头来处理,为采用数值模拟来研究螺旋离心泵内部流动和叶轮各段的做功能力提供了理论基础.在欧拉方程的基础上,采用Navier-Stokes方程和标准的k-ε湍流模型对螺旋离心泵内部流场进行数值模拟计算.通过模拟具体探讨了设计工况下,选取单介质为清水,在叶轮的作用下流场的速度、压力等变化规律,并将螺旋离心泵叶轮的轮缘线和轮毂线分段取监测点,从所取监测点之间各段的动压头和静压头变化来研究螺旋离心泵内的能量沿叶轮包角的转换能力.结果表明:螺旋离心泵流体的能量主要是由螺旋段提供的,叶轮前部螺旋段起到了多级加能的作用,叶轮使流体完成了从轴向至径向的过渡,液流的轴向速度由大变小,径向速度则相反.     

基于涡动力学的离心泵内部流动诊断

为了研究离心泵中涡结构、涡演化和涡的相互作用,基于RNG k-ε湍流模型和涡动力学诊断方法的正则化螺旋度、Q准则、BVF诊断等对离心泵设计工况下的涡旋运动进行数值研究。与传统方法获得的压力、速度云图相比较,涡动力学诊断可以准确捕捉到离心泵叶轮、蜗壳中的涡旋结构、强度变化。蜗壳蜗型段存在一对旋转方向相反的涡,与经典的卡门涡街脱落涡的旋转方向相反,该对涡来源于叶片压力面流动的分离;蜗型段压力脉动根源是叶轮上脱落的一对周期性涡,在隔舌处尤为明显;蜗壳扩散段存在两对涡,一对是蜗型段的主涡,一对是隔舌位置脱落的次涡-卡门涡街,两对涡相互作用在泵出口形成了一对不规则涡。给离心泵涡控制、流动减阻提供理论依据。     

双叶片离心泵内动静干涉的三维PIV测量

为研究叶轮与蜗壳的动静干涉作用,采用三维PIV对一双叶片离心泵最优工况下叶轮流道内3个截面内的流动进行了测量,每个截面内测量9个叶片位置.结果表明：随着叶片与隔舌距离的不同,叶轮流道内的相对速度场和轴向速度场发生了明显的变化;当叶片在隔舌与蜗壳1断面间时,流道内的流量最小,相对速度场分布最为均匀;在前盖板附近吸力面的流道出口出现了低速区,形成了射流-尾迹结构,并在流道进口发现较强的轴向速度;当叶片随着旋转方向远离隔舌时,流道内的流量逐渐增大,在叶片压力面进口出现了流动分离并产生了旋涡,而流道出口的相对速度变得平稳,同时流道进口的轴向速度减弱;当叶片随着旋转方向靠近隔舌时,叶轮流道内的流量逐渐减小,流道进口的旋涡减弱并消失,流道出口的压力面附近相对速度降低,吸力面附近的相对速度增大,同时流道进口的轴向速度继续减弱.     

基于变倾角叶片型线方程的螺旋离心泵轴面速度确定

根据固液两相流在螺旋离心泵叶轮内通过螺旋段和离心段的不同运动特性,以及螺旋离心泵的结构特征,推导了螺旋离心泵的变倾角叶片型线方程.该方程避免了螺旋离心泵一元设计理论对设计经验的依赖性和叶轮轴面流线分点的复杂性,可通过改变型线方程中的参数来改变流体从轴向至径向过渡时液流的轴面速度分布,从而找到最佳的轴面速度分布,对该类型泵的计算机辅助设计、内部流场数值模拟以及泵性能改善有重要意义.     

螺旋离心泵固液两相非定常流动诱导力特性

采用雷诺平均N-S方程,结合滑移网格技术对150×100LN-32型螺旋离心泵进行了固液两相非定常流动的数值计算,给出了在不同固相体积分数下蜗壳出口面的压力脉动、叶轮径向力、叶轮轴向力以及作用在叶轮上扭矩的分布规律,并分析了固相体积分数的变化对其大小和方向的影响.结果表明,不同固相体积分数对蜗壳出口面压力、作用在叶轮上的扭矩、轴向力和径向力在1个周期内的变化趋势和力的方向没有影响,但各个力的大小随着固相体积分数的增加而增大;蜗壳内壁各监测点的压力在1个旋转周期内呈波动状态,并且波动趋势明显不同,这与各监测点的位置和叶轮与蜗壳之间的干涉作用有关,随着叶轮的旋转,在螺旋叶片的作用下,全流道内的压力顺着蜗壳内壁沿叶轮旋转的方向逐渐增大;固相体积分数的改变对蜗壳内各监测点的压力脉动趋势影响较小,固相体积分数的增加使得各监测点的压力值随着固相体积分数的增加而增加,但是固相体积分数变化对蜗壳表面压力波动的幅值影响较小.     

流固耦合作用对离心泵内部流场影响的数值计算

采用双向同步求解的方法对离心泵内流场和叶轮结构响应进行联合求解,研究了叶轮流固耦合作用对离心泵内部流场的影响.流场模拟基于Reynolds时均化N-S方程和标准k-ε两方程湍流模型,采用多重坐标系法;结构响应基于弹性体结构动力学方程.并将计算所得的流道网格变形、流场静压和速度的分布以及径向力等结果与非流固耦合计算的流场进行对比分析.分析结果表明,流固耦合作用使得流体和固体区域计算网格发生微小变形,这不仅会改变流体对固体载荷的分布,而且会影响结构对流体的做功作用,从而影响流场的分布;叶片相对隔舌不同位置时,叶轮出口处和蜗壳流道内流场的静压分布变化趋势不同;流场速度变化主要出现在叶片和叶轮出口附近;各时间点上径向力的大小和方向变化较明显.     

分流叶片对螺旋离心泵径向力的影响

为了改善单叶片螺旋离心泵叶轮径向力过大的问题,对单叶片叶轮设计分流叶片,并采用Navier-Stokes方程和标准的k-ε湍流模型对带分流叶片和不带分流叶片的螺旋离心泵的内部流场进行非定常数值模拟。通过模拟分别获得了带分流叶片和不带分流叶片的螺旋离心泵的蜗壳出口压力脉动特性以及作用在蜗壳和叶轮上的径向力特性,并对其进行分析比较。结果表明:各个工况下,带分流叶片和不带分流叶片的螺旋离心泵的蜗壳出口压力脉动特性、作用在蜗壳和叶轮上的径向力均呈周期性变化,且主频均为各自叶片通过频率;采用分流叶片后周期变为原模型周期的一半,蜗壳出口压力脉动幅值明显减小,作用在叶轮上的径向力明显减小,作用在叶轮上的径向力的变化趋势关于坐标轴对称性加强,且基本呈椭圆形分布;作用在蜗壳上的径向力虽有小幅提升,但是其脉动幅值减弱,且高频脉动减少。表明单叶片螺旋离心泵叶轮分流叶片的添加不仅可以有效减小叶轮上的径向力,而且对降低蜗壳上的振动特性有一定的积极作用。     

双蜗壳式离心泵内部非定常流动压力特性分析

为研究双蜗壳式离心泵内部流动特性,基于标准k-ε湍流模型和标准无滑移网格模型,应用CFX软件对其不同工况下的非定常流动进行三维数值模拟,得到了不同工况下双蜗壳式离心泵叶轮和蜗壳内部流道的压力脉动特性。计算结果表明,在小流量工况下,各监测点处的压力脉动都比较大且不均匀;在叶轮流道中,叶轮流道靠近出口边缘的压力脉动是叶轮流道其他区域压力脉动的5~8倍;在流量Q为34、110、148、160 m3/h 4个工况下叶轮分别旋转30步(90°)和90步(270°)时,压力脉动出现最大值。双蜗壳内圈流道的压力脉动强于外圈流道的压力脉动且隔舌处出现压力脉动较大值,大流量工况下双蜗壳隔舌和出口产生一定回流导致蜗壳该处附近监测点压力脉动先减小后增大。从傅里叶变换得到频域特性可知,叶频及其倍频是压力脉动的主要频率,且呈衰减趋势。     

开式离心纸浆泵叶轮流道内部流场PIV试验研究

为研究开式纸浆泵叶轮流道内纤维颗粒对液相流场的影响,采用透明有机玻璃材料制造模型样机,以清水和0.1%质量浓度的头发纤维悬浮液为介质,通过PIV试验对叶轮流道内的流动进行可视化研究.试验结果表明:当输送清水介质时,在大流量工况下叶轮流道内流动稳定,未出现旋涡和低速区;在小流量工况下,当叶轮流道旋转到蜗壳隔舌附近位置时,在叶轮流道中段压力面附近开始产生低速区,且低速区随着叶轮流道靠近隔舌位置和流量减小逐渐增大,在远离隔舌位置的叶轮流道内未产生明显的低速区;受叶片扭曲的影响,在叶轮流道内垂直于泵轴的不同截面上的相对速度大小不同,且随着叶片扭曲程度减小,相对速度差减小;输送头发纤维悬浮液介质时,在纤维颗粒的影响下,叶轮流道内的液相流动相对速度降低,导致在小流量工况下叶轮流道中段压力面附近低速区面积增大;在大流量工况下,纤维颗粒存在使液相流动的相对速度大小分布更均匀.     

离心泵内部动静干涉作用的数值模

采用压力边界条件对一单级单吸蜗壳式离心泵进行了三维非定常数值模拟计算,模拟过程中给定离心泵入口总压和出口静压,结合滑移网格技术,成功地捕捉了叶轮-蜗壳的动静干涉作用引起的非定常流动特性.计算结果表明,离心泵内流场周期性脉动明显,蜗壳内静压及叶片载荷分别以叶片旋转频率、叶轮旋转频率发生周期性变化.蜗壳几何形状的不对称性影响了动静干涉作用在离心泵内部的传播,引起了离心泵内流动沿周向分布不均匀现象.     

螺旋离心式诱导轮对旋流泵力学特性的影响

为了优化旋流泵输送含复杂介质、固相颗粒流体的能力和提高固液两相流输送效率,在叶轮前加置具有导向和推进作用的螺旋离心式诱导轮.通过对150WX-200-20型旋流泵进行数值计算及试验,获得了有、无诱导轮式旋流泵的性能变化,在此基础上,将旋流泵的力学特性与流动特性结合起来,分析螺旋离心式诱导轮对旋流泵力学特性的影响.研究结果表明,无叶腔内流体在诱导轮作用下,流体的运动形态发生变化,产生了旋涡、二次流等现象,加剧了压力脉动的强度,但压力脉动幅值有减小的趋势;蜗壳内压力脉动强度不仅与监测点和隔舌的相对位置有关,也和监测点所在流面的截面面积存在一定联系,当监测点所在断面面积既能保证流体受蜗壳的约束,且流体流动更加均匀时,该监测点的压力脉动越小;加置诱导轮后,进入叶轮流体由轴向运动转为径向运动,从而削弱轴向力的大小,同时,单叶片诱导轮非对称结构也会加剧波动变化.这一研究对了解旋流泵内的压力脉动变化、削弱轴向力及提高泵运行的稳定性具有重要意义.     

离心式消防泵内流特性

为了研究离心式消防泵外特性、内流特性及空化特性,基于RNG k-ε湍流模型对某一比转数为24.7的离心式消防泵不同工况下的内部非定常流动进行数值模拟.结果表明:在关死点工况下,离心泵消防泵叶轮内部产生大量的失速旋涡,尤其在叶轮出口位置出现面积较大且极高湍动能的涡核分布,严重影响流道的通流能力,且造成较大的能量损失;随着流量增大,流道内的旋涡逐渐消失,流场趋于稳定,涡核分布基本保持稳定且对称;随着流量持续增大,离心式消防泵轴向力逐渐增大,在极小流量和极大流量工况下的轴向力波动相对较强;随着流量增大,径向力逐渐降低,且不同工况下径向力的矢量分布均呈现六齿形分布;随着流量的增大,离心式消防泵扬程特性曲线受空化的影响更加明显,随扬程曲线开始下降时的NPSHR也逐渐增大,但下降速度相对较慢.     

交错叶轮双吸离心泵空化特性研究

为了探究交错叶轮双吸离心泵的空化性能,结合Rayleigh-Plesset空化模型和RNGk-ε湍流模型,对一叶轮两侧叶片进行交错布置结构的双吸离心泵内部空化流动进行了数值模拟,分析了空化对泵内压强分布的影响,绘制了空化特性曲线,并分析了不同工况下叶轮所受径向力,同时研究了空化对叶轮叶片空泡体积分数及泵内湍动能分布的影响。结果表明,交错叶轮双吸离心泵空化特性同常规离心泵空化特性具有一致性,空化对叶轮所受径向力大小以及湍动能分布都有较大影响。     

带凸形叶片侧流道泵内部旋涡特性研究

侧流道泵是一种超低比转数径向式叶片泵,流体在侧流道泵中以螺旋形轨迹运动,整个流动过程是一种复杂的三维湍流形式,存在着大量的轴向、径向旋涡。为了研究侧流道泵的内部旋涡特性,以带凸形叶片侧流道泵为研究对象,采用非定常数值模拟的方法,通过试验对比验证了数值模拟的可靠性,并基于数值模拟,利用Q准则对其内部涡旋结构进行可视化分析,分析了涡团分布和涡量波动等特征。结果表明:增加凸形叶片可以扩大侧流道泵的高效区,拓宽侧流道泵的应用范围;带凸形叶片侧流道泵内部涡团主要存在于叶轮流道内,且大部分位于叶轮进出口区域附近及叶轮根部处;随着流量的增加,除了叶轮进口区域,侧流道泵叶轮内涡团变小,且数量显著减少。     

超低比转数离心泵的内部流动及非定常特性

为全面地研究超低比转数离心泵的内部流动和非定常特性,以一台比转数n_s=25的超低比转数离心泵为研究对象,对其进行三维非定常数值计算,并与试验结果进行对比,进而对内部流场、叶轮上的径向力和蜗壳各断面的压力脉动进行分析.研究结果表明:在不同流量工况下,叶轮流道内存在数量不等、大小不一的旋涡;靠近隔舌的2个相邻流道内,在叶轮出口边工作面的位置存在高流速区域,随着流量的增大,此处高流速区域逐渐消失;在大流量工况下,低速区面积逐渐减小,旋涡区的范围和数量逐渐减少,叶轮内相对速度分布逐渐变均匀;叶轮上的径向力大小和方向时刻变化,呈现六角星型分布,径向力脉动的主要激励频率均为叶频及其整数倍频;蜗壳各断面内压力脉动峰值随着断面变化逐渐增大,蜗壳各断面内压力脉动的主要激励频率均为叶频及其整数倍频,说明叶轮出口与蜗壳的耦合作用是蜗壳内压力脉动的主要影响因素.研究结果可为超低比转数离心泵的水力优化设计和合理运行区间的选择提供一定参考.     

超厚叶片低比转数无过载排污泵数值计算与PIV实验

通过增加叶轮叶片的厚度来控制过流断面面积,从而实现低比转数排污泵的无过载特性。从样机的外特性实验结果可以看出：当过流断面面积趋于平缓变化时,流量达到1.5倍设计流量,泵的轴功率曲线即出现极值点,机组表现出明显的无过载性能。通过PIV内部流场测试技术与CFD数值计算手段,对垂直于轴线方向并通过叶轮出口宽度中间位置的截面进行了实验与预测,结果表明：设计工况下,数值计算结果不仅在外特性上与实验结果相符合,其内流场的计算也与PIV实验结果相一致;同时叶轮流道内部由于科氏力的作用导致压力面的相对速度小于吸力面, 叶轮流道内整体流场分布均匀,无明显脱流和漩涡;由于叶轮与蜗壳之间存在动静干涉问题,导致各个叶轮流道之间的流动并不呈绝对的轴对称分布。     

低比转数排污泵内部PIV试验研究

通过对传统机电一体式排污泵的结构改造,以有机玻璃材料来加工叶轮及蜗壳,利用半螺旋形吸水室改变来流方向,成功获得适合于PIV测试的试验泵段.采用轴编码器等同步装置和空心玻璃球作为示踪粒子,对3个工况下叶轮与蜗壳5个不同相对位置的叶轮中间截面流场进行拍摄,取得了较好的结果.从PIV试验结果可以看出,在大流量1.4Q_d和设计流量1.0Q_d工况下,叶轮内部流场在任意时刻均能够保持较好的轴对称性分布,而极小流量0.2Q_d情况下,叶轮内部流场较为紊乱,且表现出明显的非轴对称性.在所拍摄的5个时刻内,通道A由于穿过隔舌位置,其出口圆周的相对速度分布梯度和小流量下旋涡的强度、大小等均受到隔舌的强烈影响.在极小流量情况下,通道C随着叶轮的旋转,压力面附近的脱流不断加剧并形成旋涡,最终堵塞大部分流道.     

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.     

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。