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。     

离心泵蜗壳内部流动诱导噪声的数值计算

鉴于离心泵内部流动声场边界条件复杂,直接求解需要高昂的计算资源且数值模拟难度大,采用间接混合算法,基于CFD＋Lighthill声比拟理论对蜗壳内部流场进行声学求解.在分析离心泵蜗壳内部流场主要噪声源是偶极子的基础上,采用基于S-A模型的分离涡模拟（DES）方法进行三维非定常流场计算.提取作用在蜗壳内表面的脉动力作为偶极子声源导入声学求解器SYSNOISE5.6,采用直接边界元法（DBEM）进行内声场求解,得到偶极子声源和内声场的声压分布图.积分求得蜗壳及出口管道表面监测点的声压级大小.声场计算的结果表明：离心泵蜗壳内部流动诱导噪声源的分布与压力脉动直接相关,在主要产生压力脉动的隔舌附近,有较强的偶极子源分布,其频率特性与压力脉动相似.场点声压值与偶极子源的大小之间不是简单的线性关系,叶频下最强.用管道法进行离心泵出口流动噪声的测试是可行的,流量是声场辐射的主要影响因素之一.     

离心泵内部非定常水力激励特性

以单级蜗壳式离心泵作为研究对象,基于RANS法对离心泵内部流场结构进行了三维非定常数值模拟,探讨其内部的非定常流动特征所诱发的压力脉动特性及水力激励力特性,并在叶轮旋转周期过程中重点针对叶轮及其单个叶片的受力情况进行相关分析.结果表明:不同工况下各监测点压力脉动幅值的变化规律具有一致性,静压沿蜗壳周向分布不均匀;在压力脉动频谱图及叶轮径向力频谱图中叶频均占主导地位,而单个叶片激励力则体现为轴频;单个叶片所受径向力大小随流量的增加而增大,小流量工况下单个叶片的受力不均匀性明显,而接近额定工况时各叶片受力较均匀,且相差不大;通过对单个叶片非定常激励力特性的分析可知,小流量工况下由于隔舌附近叶片出口流动分离使得叶片受力变化明显,受射流尾迹影响更为突出.     

离心泵蜗壳内部流动诱导噪声的数值计算

鉴于离心泵内部流动声场边界条件复杂,直接求解需要高昂的计算资源且数值模拟难度大,采用间接混合算法,基于CFD+Lighthill 声比拟理论对蜗壳内部流场进行声学求解．在分析离心泵蜗壳内部流场主要噪声源是偶极子的基础上,采用基于S-A模型的分离涡模拟(DES)方法进行三维非定常流场计算．提取作用在蜗壳内表面的脉动力作为偶极子声源导入声学求解器SYSNOISE5.6,采用直接边界元法(DBEM)进行内声场求解,得到偶极子声源和内声场的声压分布图．积分求得蜗壳及出口管道表面监测点的声压级大小．声场计算的结果表明：离心泵蜗壳内部流动诱导噪声源的分布与压力脉动直接相关,在主要产生压力脉动的隔舌附近,有较强的偶极子源分布,其频率特性与压力脉动相似．场点声压值与偶极子源的大小之间不是简单的线性关系,叶频下最强．用管道法进行离心泵出口流动噪声的测试是可行的,流量是声场辐射的主要影响因素之一．     

立式管道泵流动噪声特性与仿生降噪研究

为了研究立式管道泵内部声场特性,减少管道泵运行时的噪声,基于CFD+Lighthill声类比理论对管道泵内部流场与声场进行仿真求解,并借鉴猫头鹰羽毛端部锯齿结构进行仿生优化,以期达到降噪目标。针对0.8Qd、Qd及1.2Qd3个运行工况,选用RNG k-ε模型分别对立式管道泵进行非定常数值模拟,获得3个工况下管道泵内部压力脉动数据。提取非定常计算所得的脉动力,导入声学软件LMS Virtual.lab中进行声场计算,得到各工况下管道泵进、出口声压级、泵体内部的声压分布及主要噪声源分布。结果表明:管道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,声压分布集中在轴频、叶频及其倍频,叶频时声压级最大。流量越大,管道泵进、出口声压级越大。基于仿生学原理,参考猫头鹰体表覆羽样本利用相似准则设计仿生锯齿叶片,展开仿生降噪研究,选择齿距、齿宽、齿高3个因素,设计了16组正交试验模型,计算得到各工况下泵内部流场和声场数据。选取最优降噪模型与原模型进行对比分析,结果表明:仿生叶片尾缘锯齿结构能够起到降低压力脉动、稳定流场、降低噪声的作用,其中设计工况下噪声降幅明显,叶频处噪声降低8 d B。     

轴流泵失速工况下非定常流动特性研究

为了研究轴流泵在失速工况下的流动特性,对某原型立式轴流泵进行非定常数值计算,对比分析了设计工况以及失速工况下泵内部典型流动结构与压力脉动特性,揭示了失速工况下低频压力脉动的产生机理,利用真机压力脉动测试验证了数值计算方法的可靠性。研究表明:失速工况下叶片背面的前缘靠近轮缘一侧以及尾缘靠近轮毂一侧存在回流区;设计工况下叶轮进口处以及导叶体中段压力脉动主频为叶片通过频率,叶轮出口部位由于受到动静干涉作用,主频为导叶通过频率,导叶体出口部位由于远离旋转叶轮,叶频主导作用减弱;深度失速工况下泵内部压力脉动系数幅值显著增加,其中导叶体出口处G6点在深度失速工况下压力脉动系数幅值为设计工况的16倍;深度失速工况下叶轮出口处监测点P6、导叶体中段监测点G2以及导叶体出口监测点G6出现频率为0.83 Hz的低频压力脉动;失速工况下导叶体内涡核心区域与导叶流线图中存在的漩涡的发展、演化规律基本一致,两者的频率均为0.86 Hz,与低频压力脉动的频率(0.83 Hz)较为接近,因此可以证明低频压力脉动由导叶内漩涡诱导所致。     

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.     

导叶式混流泵内部非定常流动特性数值模拟

为了研究不同流量工况对导叶式混流泵内部非定常流动特性的影响,基于ANSYS CFX软件并采用标准k-ε两方程模型对混流泵的外特性进行了数值预测,分析了流量工况对混流泵内压力分布、流线分布和湍动能的影响,探讨了不同流量工况下不同监测点的压力脉动时域和频域响应。研究结果表明,数值计算的外特性结果与试验测量结果趋势基本一致,最优工况点数值预测与试验测量的扬程和效率误差分别为3.29%和0.27%,数值计算的准确度较高。小流量工况下,叶片工作面与背面之间存在着较大的压力梯度,形成的轮缘泄漏流对主流产生较大干扰,同时受到动静干涉的影响,在叶轮出口和导叶流道内造成较大的能量损失和湍动能耗散;随着流量增加,轮缘泄漏流逐渐减少,动静干涉效应相对减弱,流场流动趋于平稳。不同流量工况下,各监测点压力脉动呈明显的周期性变化,一个旋转周期内压力脉动曲线有4个波峰和4个波谷,叶片通过频率始终占主导作用;流量对叶轮进口处和导叶中间处的压力脉动影响最明显,小流量工况下压力脉动系数的幅值变化最大;随着流量的增大,压力脉动频域幅值随之减小。本研究可为扩大混流泵的运行范围以及混流泵叶轮和导叶的优化设计提供参考依据。     

熔盐泵分流式空间导叶内部流动及其非定常特性

为了抑制熔盐泵空间导叶内存在的二次流以及轴向旋涡,提高熔盐泵的效率和稳定性,提出一种分流式空间导叶体.采用k-ε模型、SIMPLE对2种不同形式空间导叶的熔盐泵模型进行了数值模拟,以获得2种不同形式熔盐泵的外特性参数及其内部的速度、压力分布等特性.结果显示:在0.8Q和1.0Q下,分流式空间导叶内部速度分布更为均匀,导叶吸力面二次流、旋涡明显减少,提高了模型泵的效率.在1.2Q下,分流式导叶导致模型泵效率降低.但在空间导叶出口速度分布均匀,低速区域明显减少.分流式空间导叶内部压力脉动幅值叶频占主导地位,其出口压力脉动得到明显改善,在设计工况下,压力脉动幅值比常规空间导叶低近40%,空间导叶轮缘面压力脉动普遍高于轮毂面,在导叶轮缘面上,其压力面的压力脉动幅值低于吸力面;在导叶轮毂面上压力脉动幅值则基本相同.     

单叶片离心泵水动力噪声特性数值分析

基于LIGHTHILL声类比理论,根据FW-H方程,采用计算流体力学与计算声学相结合的方式对单叶片离心泵的内部噪声进行求解,探究其不同流量工况下内部流场的声源特性.采用混合数值模拟的方法,运用SST k-ω湍流模型对离心泵进行非定常模拟,并导出声源信息,对其进行声学计算求解,同时分析不同流量下的单叶片离心泵的内场噪声,比较其影响.研究结果表明：单叶片离心泵压力脉动的能量主要集中在叶频及其低频段谐频处,内部噪声的能量主要集中在低频段,并且在叶频及其谐频处噪声的能量较高;随着流量的增加,蜗壳与叶轮流道内流态逐渐改善,二次流、流动分离现象减少,导致低频段的谐频噪声呈现明显的下降趋势.根据不同流量下的声功率级频谱分析可以发现,压力脉动的分布特性对于单叶片离心泵的内部水动力噪声有直接的影响.     

双吸泵作液力透平内部流动诱导噪声数值分析

为进一步研究双吸离心泵在液力透平工况下振动与噪声的变化规律,采用一种间接混合计算方法即计算流体力学CFD与LMS Virtual-Lab声学仿真软件相结合的方式对双吸泵内部声场进行求解.利用k-ε湍流模型对双吸泵进行三维非定常流场计算,并在分析出偶极子声源为流动噪声的主要噪声源后,提取蜗壳表面以及叶片的压力脉动作为偶极子声源.基于LMS Vir-tual-Lab声学仿真模块,利用直接边界元法(DBEM)对内声场的数值仿真计算分析,得出了声学边界元模型表面声压级分布,以及内部主要检测点的声压级频率响应函数.结果表明:叶片通过频率及其谐频是产生流动噪声的主频,在叶频处泵蜗壳进口和叶片的声压值最大;各谐频处流动噪声也出现了峰值,但随着频率的增大,流动噪声的声压值明显衰减.研究结果为泵作液力透平工况下减振降噪提供有益参考.     

立式管道离心泵多工况压力脉动试验

为研究不同工况下立式管道离心泵内部压力脉动特性,文中采用动态压力传感器在模型泵进口弯管处、蜗壳隔舌附近、蜗壳扩散管处分别设置压力监测点,对0.6Q_d,1.0Q_d和1.4Q_d这3种流量下的压力脉动进行了测试,得到了压力脉动时域图、频域图和时频域图.试验结果表明:蜗壳隔舌附近的压力脉动信号波动最大.随着流量的增加,各监测点的压力脉动幅值先减小后增加.小流量和设计流量下,进口弯管处的压力脉动主频为2倍轴频,大流量下主频为轴频,幅值表现出强烈的波动特性.蜗壳隔舌附近的压力脉动主频均为叶频,幅值随流量增加而增大,在小流量和设计流量下高频处表现出较宽频段的波动性.蜗壳扩散管处的压力脉动在小流量和设计流量下主频为叶频,大流量下主频为轴频,轴频的幅值随流量增大而减小.     

射流式离心泵性能及内部流动特性

为研究射流式离心泵内流动机理,以JET750G1型射流式离心泵为研究对象,搭建试验测试系统,分别对不同安装高度下射流式离心泵的空化及能量特性进行试验研究;基于k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对0 mm安装高度下泵各工况点内部流动进行数值模拟.试验结果表明:当流量增大到一定程度之后,扬程-流量、功率-流量、效率-流量曲线均急剧下降;随着安装高度的增大,陡降起始点向小流量工况偏移.数值计算结果表明:扬程、功率、效率的数值模拟结果与试验值基本吻合,数值模拟性能陡降起始流量点比试验值大0.5 m³/h;射流式离心泵由于其面积比值较小,射流剪切层被迅速排挤到喉管壁面,泵内最低压力点出现在喉管内喷嘴稍后处,空化最早发生在该处;随着流量的增大,空化区域急剧向叶轮进口扩展,性能陡降起始点正好是泵内初生空化流量点,射流式离心泵的空化性能取决于其射流器的空化性能;射流器能提升离心泵扬程和自吸性能,但射流器内高速回流及强剪切流动,导致其效率及空化性能大幅下降.     

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.     

离心泵进水口形式设计及其对振动噪声的影响

为了研究离心泵进口形状对振动噪声的影响,在保证泵体和叶轮几何参数不变的情况下,改变离心泵进水口形式,从试验与数值模拟2个方面对进水口诱导离心泵振动进行研究．采用RNG k －ε模型分别对进口改进前后的离心泵进行全流道稳态及非稳态数值模拟,分别获得2种进口形式离心泵的稳态速度及非稳态压力脉动特性,对其进行对比分析,并测量了不同进水口形式下模型泵机脚的振动信号,对振动信号数据进行处理,以验证仿真结果及修改离心泵进水口所产生的振动影响．结果表明：改进离心泵进口,对其进口及叶轮蜗壳内压力速度分布有一定改善,直进式离心泵比预旋式离心泵对流场影响更小,叶轮及蜗室内各个监测点压力脉动也有所减小,经试验验证机脚振动响应减小了约5 dB．     

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.