双流道泵叶轮切割定律方程的建立与试验

为了找出适用于双流道泵叶轮的切割定律,选用比转数为77和122的两种双流道泵,分别对其叶轮进行了5次切割,并进行了泵外特性试验。通过分析双流道泵在最优工况及关死点工况下性能参数与叶轮直径的变化规律,确定了相应的切割指数取值范围,最终建立了双流道泵叶轮的切割定律指数方程。研究结果表明,双流道泵的流量、扬程、轴功率和效率随叶轮直径的减小而降低,但随叶轮切割百分比的增加,最优工况性能参数的变化规律及下降幅度并不相同,关死点扬程和轴功率随叶轮直径的减小下降明显;双流道泵关死工况点的切割指数可以近似认为与比转数的变化无关;最优工况和一般工况点的流量切割指数随比转数的变化较明显。建立的双流道泵叶轮切割定律预测值与试验值吻合性好。     

双流道泵内压力脉动的CFD计算及测试

基于计算流体动力学软件Fluent,应用滑移网格技术,对一比转速为99的双流道泵在设计工况下的内部流场进行非定常计算,得到不同时刻叶轮和蜗壳内监测点的压力脉动规律.计算结果表明叶轮流道内不同位置处点的压力波动在一个周期内呈现周期性变化规律,同时从进口到出口逐渐升高,压力出现波峰和波谷的时间间隔大致相同.蜗壳流道内,离隔舌位置越近,压力波动越大,蜗壳出口的压力波动呈周期性变化规律,关于基圆中心对称的两个点的压力波动规律非常相似.利用虚拟仪器技术和水下压力传感器测量了蜗壳出口处的压力脉动,对比结果表明数值计算结果与试验压力结果基本一致,满足压力脉动预测的要求.     

双流道泵偏工况不同叶轮外径时压力脉动

为研究偏工况下不同叶轮外径D2(101,103,105 mm)对双流道污水泵内压力脉动的影响,采用Mixture多相流模型对泵内固液两相流进行了非定常数值计算,并进行了试验验证.偏工况主要包括了小流量工况0.6Qd和大流量工况1.2Qd.结果表明,在小流量工况下,蜗壳周向压力脉动总体上均随D2增大而增大,且叶轮外径从103 mm增大到105 mm时压力脉动最大增幅达到53.2%;而在大流量工况时,除VP3,VP6和VP7点外,其余各点处蜗壳周向压力脉动均随D2增大而小幅增大.在2种流量工况下,蜗壳周向压力脉动均随角度变化剧烈震荡,同时,偏工况下较小的叶轮外径有利于减小泵内压力脉动.在固液两相流工况下,当D2为105 mm时隔舌附近各点瞬时静压值波动都很剧烈,各点压力脉动主频在0.6Qd下以低频为主,而在1.2Qd下则均是叶频,且在该工况下各点压力脉动最大幅值均随D2增大而增大.研究结果可为双流道污水泵的优化设计提供依据.     

叶轮流道结构对双流道泵性能的影响

从叶轮流道结构变化的角度研究双流道泵的内部流场及其流动特性．采用标准k-ε湍流模型和全隐式多网格耦合算法,对双流道泵叶轮的3种流道结构,即上圆弧式（方案a）、直线式（方案b）、下圆弧式（方案c）进行全流道三维不可压缩湍流流场的数值模拟,并比较其在相同工况下的水力性能,探寻最优的双流道泵叶轮流道结构．结果表明：不同叶轮流道结构的双流道泵,在设计工况下的内部压力和速度场分布呈现出规律性和差异性;方案a和方案c的有效流道体积均增大,方案a无阻塞性能最好;方案a的水力效率最低,但在流道出口处具有更加明显的压力降;方案c具有最高的水力效率,扬程最低;综合分析,方案b具有最高扬程14.46 m和较高水力效率78.24%,较另外2种方案,方案b的综合性能指标最优,认定其为最优双流道泵叶轮流道结构.     

双流道及双叶片式叶轮内流场的PIV测量与比较

为研究双流道叶轮与普通叶片式叶轮的内部流动区别,设计制作了满足粒子图像测速仪（PIV）测量要求的模型泵,模型泵的叶轮有双流道和双叶片2种形式。用PIV分别测量了双流道叶轮和双叶片叶轮的内部流动,并自编程序对测量所得绝对速度进行分解,得到相对速度。由测量结果可知：在双叶片叶轮内,流体基本沿叶片吸力面流动,叶片压力面上的相对速度较低,在压力面出口出现了速度很低的回流区,有明显“射流-尾迹”特征。双流道叶轮内流动也不均匀,但没有出现明显的回流区,流态较好。流量改变时2种叶轮内的流动变化规律一致,随着流量增大,相对速度逐渐增大、绝对速度减小,设计工况下叶轮内的流态最好,小流量工况下流动扩散严重。     

双流道污水泵叶轮内部三维湍流流动的数值模拟

基于Reynolds时均化的N-S方程和标准的k-ε两方程湍流模型,运用流场计算软件Fluent,在不同工况下对QW950-15-55型双流道污水泵叶轮蜗壳耦合流场进行了数值模拟研究,捕捉到了双流道叶轮内流的重要特征.依据计算结果,主要分析了设计工况时双流道叶轮内部的速度和压力分布情况.叶轮内压力分布与叶片式离心泵的数值模拟是类似的;在偏离设计的大流量工况,叶轮流道内的流动呈现明显的不对称性;叶轮内部流动为混合螺旋流,由轴向旋涡作用引发的相对速度旋涡的涡核位置靠近后盖板和压力侧;叶轮出口的压力和绝对速度分布呈现明显的周期性,其周期性与叶轮流道的周期性是对应的;静压周向分布的轴向不对称性较小,而速度周向分布的不对称性则较大.对比试验与数值模拟的扬程和水力效率值,数据基本吻合.     

双流道叶轮内湍流的三维数值模拟

对双流道泵叶轮内三维不可压湍流流动进行了数值模拟。计算采用了雷诺时均N-S方程和修正了的k-ε湍流模型，计算在体贴坐标系和交错网格中进行并采用了SIMPLE-C算法。计算结果揭示了双流道泵叶轮内湍流流动的压力分布和速度分布规律。研究结果可以用来对双流道泵进行性能预测并为双流道泵的优化设计创造了条件。     

双流道泵内瞬态动力学特性

为研究双流道泵输送固液两相流时瞬态动力学特性,基于Mixture多相流模型和拓展的标准k-ε湍流模型对泵内流进行了非定常数值计算,研究了隔舌附近间隙流道内压力脉动及外径对叶轮径向力的影响,并对D_2=101,103,105 mm时能量性能进行了试验验证.研究结果表明,在清水及两相流设计工况下,间隙流道内各监测点处压力脉动主频均为叶频,且颗粒加入后各监测点处压力脉动强度均有不同程度减弱且最大减弱了25.86%.输送固液两相流时,D_2=105mm和D_2=101 mm时设计工况和小流量下叶轮径向力的分布与变化具有一定的规律性,大流量工况时各D_2下的规律均比较明显;随着流量的增大,叶轮径向力矢量中心均从蜗壳断面8向断面4移动,且不受D_2的影响.     

双流道泵内非定常固液两相流的数值分析

采用Mixture多相流模型、标准的k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,应用FLUENT软件对双流道泵内固液两相湍流进行了非定常数值模拟.研究结果表明:不同时刻,泵流道内的压力分布明显不同,呈现周期性变化规律;在叶轮流道内,固相体积浓度分布极不均匀,颗粒主要集中于叶轮出口处的工作面和后盖板上,而在蜗壳流道内,固相颗粒多集中于离叶轮半径较大的蜗壳壁面上.     

轴伸贯流泵压力脉动特性及其改善方法

为研究轴伸贯流泵压力脉动特性及其改善方法,应用计算流体动力学数值方法,采用在出水流道内增设导流板的方式进行贯流泵优化设计,并结合真机试验验证了数值计算方法的正确性.研究结果表明:在小流量工况下,原模型与优化模型泵的压力脉动时域特性和频域特性较额定工况下要差,但不同流量工况下叶轮进口处压力脉动特性均受到旋转叶轮显著影响;小流量工况下压力脉动变化强烈,原模型在叶轮出口及后导出口处的压力脉动低频成分明显,增设导流板可有效降低这2处的压力脉动变化幅值及其低频成分;在额定工况下,贯流泵压力脉动周期性规律显著,导流板则能有效降低前导进口及叶轮进口处的压力脉动变化幅值及其低频成分;在不同流量工况下,出水流道内导流板消涡效果均十分显著.     

双叶片泵内非定常流动的数值模拟

为研究双叶片泵内非定常流动特性,采用RNG k—ε模型对由叶轮水体、蜗壳水体及叶轮进口延伸段水体组成的三维计算区域在设计工况下进行了非定常计算．比较了不同时刻泵内静压和相对速度的分布情况,同时分析了双叶片泵内压力脉动的时域图与频谱图以及瞬时扬程的变化．结果表明,在不同时刻同一流道的静压及相对速度分布并不相同,同一时刻不同流道的静压及相对速度分布也不相同,这主要和流道与隔舌的相对位置有关;双叶片泵内存在明显压力脉动,其中隔舌处的压力脉动最为剧烈．随着与隔舌距离增大,压力脉动强度逐渐减弱,压力脉动的主频等于叶轮转频与叶片数的乘积．该模拟对掌握双叶片泵内的流动规律、减少水力损失、提高泵效率提供了一定的理论依据．     

混流泵内流场压力脉动特性研究

基于RANS方程和SST湍流模型,应用SIMPLEC算法,对混流泵内流场进行非定常数值模拟,分析了不同流量工况和不同转速工况时混流泵内4个代表性监测面上压力脉动的时域和频域特性.取非定常计算的功率平均值与试验值对比,证明该数值模型可较准确描述泵内流场特征.结果表明:混流泵内最大压力脉动在叶轮进口,从轮毂到轮缘脉动幅值递增;在叶轮进口和叶轮出口压力脉动频率主要为叶轮叶频,而导叶中间和导叶出口压力脉动频率与流量工况相关;偏离最优工况越远脉动越大,偏小流量对叶轮进口压力脉动影响明显;不同转速时最优工况压力脉动频率成分相似,脉动幅值随转速增加而增加.     

单、双出口双蜗壳泵的压力脉动及径向力特性

为研究两种不同双蜗壳型式离心泵的水力特性,采用RNG k-ε湍流模型和滑移网格技术,对单出口双蜗壳及双出口双蜗壳离心泵进行了不同工况下三维非定常湍流数值模拟,得到不同型式双蜗壳泵内压力脉动情况,同时对两种型式泵的径向力进行定常计算对比分析.结果表明:单出口双蜗壳泵内压力脉动高于双出口双蜗壳泵内的压力脉动;在设计工况和非设计工况下,两种型式泵的隔舌及出口处压力脉动的频率均以叶片通过频率为主;在小流量工况下,单出口双蜗壳泵的出口及隔板起始端位置处频率以叶轮转频为主;两种型式双蜗壳离心泵在不同工况下都能有效地平衡径向力,由于单出口双蜗壳泵内存在较为明显的压力脉动,导致其叶轮受到的径向力较大.     

叶片式混输泵非定常流动的数值模拟

为了加深对叶片式混输泵内相态分离和气体局部聚集现象形成机制的认识,在细泡状流动假设下,基于双流体模型对叶片式混输泵在进口含气率为15％条件下的气液两相输运过程进行非定常CFD模拟．计算中,湍流模型采用SST模型,相间作用力考虑了阻力和附加质量力,初始流场根据纯水工况的稳态计算解给定．对该含气率下的5个流量工况进行了计算,并以其中的最优工况为例分析了输运过程中两相流场的分布及其随时间的演变,探讨了非定常过程中扬程的计算方法及变化特点．结果表明:由于两相所受离心力不同,输运过程中气相主要分布于轮毂面附近;受流道形状变化和叶轮旋转的影响,叶轮进口区容易促发气团的形成,是气团形成的起始位置．输运过程中含气率场和压强场将出现波动,进而导致扬程值的大幅振荡,影响混输泵运行的稳定．通过对比扬程特性的计算和试验结果,说明了所用数值模型和方法的基本可靠性．     

多级离心泵内部非定常压力脉动的数值模拟

为了研究多级离心泵内部稳态和瞬态的流动特征,以不锈钢冲压多级离心泵为研究对象,基于计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)软件ANSYS CFX,选取标准k-ε湍流模型,在设计工况下对整机进行两级全流场非定常数值模拟.计算结果与试验结果吻合较好,验证了数值模型和计算方法的准确性.在叶轮某一流道的压力面和吸力面分别设置了4个监测点,在导叶的某一流道设置了6个监测点,分别分析了叶轮和流道式导叶内不同位置的压力脉动特性,并对其进行了频域分析.结果表明:叶轮与导叶间的动静干涉是产生静压波动的原因,静压波动均值从叶轮进口到叶轮出口逐渐增大;整体式冲压叶轮的形状影响正导叶内的压力脉动,一个周期内的压力波动间隔相似;叶轮和导叶间的动静干涉影响显著,首级泵体反导叶中部及出口位置脉动频率为3倍叶频,而在其他位置处均为1倍叶频;额定工况下导叶内部脉动主频均出现在低频处,表现为叶频压力脉动.     

蜗壳式多级泵首级叶轮切割压力脉动特性

为了研究双吸叶轮切割对双蜗壳内压力脉动的影响,选取蜗壳式多级泵首级叶轮为研究对象,基于N-S方程,采用RNG k-ε湍流模型,对首级双吸叶轮在不同叶轮切割工况下进行定常和非定常数值计算.分别选择4种切割方式以及6种切割量,得到不同切割工况下隔舌与出口点的压力脉动时域和频谱图.计算结果表明:不同叶轮切割量对双蜗壳隔舌附近压力变化影响较大,压力变化幅度随切割量的增大先减小后增大,切割量为0.98时,压力波动最小;不同切割方式在一定程度可以改善蜗壳隔舌附近的压力波动,V切和正斜切时压力波动优于正切和反斜切,且反斜切较优于正切压力;对于蜗壳出口点,不同叶轮切割量下,随着切割量的增大,压力脉动依次降低,而不同切割方式影响较小.     

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。     

斜流泵叶轮和导叶叶片数对压力脉动的影响

为了研究斜流泵叶轮和导叶由于动静相干作用(RSI)而引起的压力脉动规律,基于标准k-ε湍流模型、SIMPLEC算法和滑移网格技术,根据叶轮和导叶叶片数及其叶片厚度设计了多种计算方案,并对不同方案的斜流泵模型进行了非定常数值模拟．采用叶轮进口、叶轮出口和导叶内部布点监测压力的方法获得了压力脉动曲线,并基于时域图分析了叶轮叶片数、导叶叶片数及其厚度对斜流泵内部压力脉动特性的影响．数值计算结果表明:斜流泵叶轮叶片动静干涉对整个流场的压力脉动影响较大,叶轮叶片数越少,叶轮进、出口压力脉动幅值越大;在设计工况下,导叶内部的压力脉动波形主要受叶轮叶片数影响,而导叶厚度对导叶内部压力脉动影响较小．研究结论将为斜流泵的设计和稳定运行提供参考．     

采用SIMPLEC算法数值模拟双流道叶轮内部流动

采用SIMPLEC算法对双流道泵叶轮内部三维不可压湍流流动进行了数值模拟。计算结果揭示了双流道泵叶轮内部湍流流动的速度分布规律。     

双流道泵叶轮参数化三维造型

阐述了双流道泵叶轮的结构和性能特点,指出了双流道泵参数化三维造型的意义和现状。应用PCAD2004设计了双流道泵二维水力设计图并详细分析了双流道泵叶轮的空间三维结构特点,在此基础上给出了用Pro/E进行无堵塞双流道泵叶轮三维造型的方法和过程。应用VC++6.0在Pro/TOOLKIT环境下对Pro/E进行二次开发,通过修改双流道泵三维实体模板几何特征,成功开发出了实用的双流道泵叶轮参数化三维造型程序。采用动态链接库方法实现双流道泵参数化三维造型程序与Pro/E和MFC之间的数据接口。实例应用表明该程序运行结果良好,可以满足工程应用的要求,具有推广应用价值。