轴流泵运行工况和叶顶间隙对叶顶泄漏涡轨迹的影响

采用SST k-ω湍流模型模拟和旋涡强度方法,对某一轴流泵模型泵叶轮叶顶区流场和叶顶泄漏涡轨迹进行了数值计算,分析了运行工况和叶顶间隙两个因素对轴流泵叶顶泄漏涡运动轨迹的影响.数值模拟结果表明,随着流量增大,轴流泵叶顶泄漏涡的涡核轨迹起点由叶尖向叶片翼型中部逐渐移动.随着流量的增大,叶片流道内的流动方向发生偏移,叶顶泄漏涡在主流的卷吸下,运动轨迹随之变化,涡轨迹线的斜率受叶轮内主流的影响而变大.随着叶顶间隙增大,泄漏涡的卷吸程度逐渐增强,影响范围增大,涡核的起点由叶片前缘逐渐向后缘移动,且涡核的压力逐渐降低,因此在大间隙时涡带更易出现空化现象.当叶顶间隙达到1.5 mm时,轴流泵在0.9Qd工况附近出现驼峰现象,说明叶顶泄漏涡对驼峰区不稳定流场具有重要的影响.     

三维ALE15翼型空化流动数值模拟

在均相流假设下,考虑流体压力和速度湍流脉动、不可凝结性气体的影响,采用完全空化模型计算空化流场的相变,引入密度函数对RNG k-ε湍流模型的湍流粘性系数进行修正,提出了一种空化流动的数值模型和计算方法。根据试验条件给定的参数,采用提出的数值模型和计算方法,数值模拟了空化数为2.3时ALE15翼型定常空化流动。计算得到的不同剖面速度分布与试验数据吻合较好,验证了该数值模型和计算方法的一致性。不同剖面上,远离翼型表面的速度与主流区速度接近,沿着流动方向,远离翼型表面的速度逐渐减小,这与空泡形成的阻碍有关。空泡尾部出现较大的漩涡区,靠近翼型表面的速度为负值,这与反向射流的作用有关。     

不同空化数下轴流泵叶顶间隙区空化特性

基于修正的SST k-ω湍流模型和空化模型,对叶顶间隙为0.5 mm轴流泵模型进行了数值计算,分析了不同空化数下叶顶区不同圆柱截面的空化面积、叶轮出口轴向速度以及叶顶区空泡体积分数等特性。数值计算与高速摄影试验结果表明,数值模拟方法准确预测了轴流泵NPSH曲线和叶顶区空化流场;轴流泵初生空化出现在叶顶区,其空化类型主要包括刮起涡空化、泄漏流空化、卷吸区空化及叶顶泄漏涡空化;在空化数为0.451时,叶顶泄漏涡具有明显的涡带空化特性,随着空化数的逐渐降低,叶顶泄漏涡卷吸区的空化范围逐渐扩展,并与泄漏流空化区连成一片,且空泡云扩展到整个叶片吸力面;在间隙泄漏流作用下,叶轮出口轴向速度在靠近间隙区域逐渐降低,并随着空化数减小,轴面速度进一步下降;在不同空化数下,叶片吸力面圆周截面空化面积系数从轮毂到轮缘先增大,在叶片中部达到最大值,然后迅速减小,在叶顶区由于受到间隙效应的影响,叶顶区空化面积迅速增大。     

轴流泵叶顶泄漏涡形成演化机理与涡空化分析

为了掌握轴流泵叶顶泄漏涡(TLV)的形成演化机理,评估涡形成空化条件和间隙宽度的影响,进行了轴流泵间隙泄漏流动实验和数值计算分析。通过流线涡量云图三维可视化分析,得到间隙流动特征及其涡结构,并比较分析涡初生时吸力面的速度流线、涡量和湍动能。对比了不同截面的物理量分布,并对不同空化条件下空化发展与TLV涡强度之间的关系进行了分析。研究表明:泄漏剪切带是形成TLV的主要区域,该区域的湍动能和涡量均较大,轴向主流与间隙射流形成对流,促进了涡的生成和发展,大间隙下的泄漏流速、涡强度与涡尺度更大;TLV核心区涡旋来自剪切带形成的剪切涡和周向的来流涡。在大空化数下,涡与空化分布基本一致,涡强度与空化正相关,叶顶涡空化在大间隙时延伸更远。在小空化数下,涡与空化位置不完全重合,空化形成所需要的涡强度较低,易扩展形成片状空化,间隙宽度对空化的影响较小。     

考虑不可凝结气体的空化流模型及数值模拟

以均相流假设为基础建立了一种基于输运方程的空化流模型,该模型在质量传输方程中不仅考虑了蒸发和凝结的机理,而且考虑了不可凝结气体的影响.采用RNG k-ε湍流模型,并引入与混合密度相关的修正函数对湍流涡黏性系数进行修正.应用文中的空化流模型,对NA-CA66翼型进行了定常空化流动数值模拟,翼型吸力面的压力系数分布曲线与试验结果吻合很好.在此基础上,进一步研究了模型中不可凝结气体质量分数以及不同进口湍动能和湍流耗散率对空泡形成和发展的影响,确定了模型中不可凝结气体质量分数、进口湍动能和湍流耗散率的合理取值.应用空化流模型对非定常空化流动进行了数值模拟,数值模拟结果清晰地反映了翼型表面空化云的初生、成长、脱落和溃灭的全过程,并指出反向射流是引起空化云脱落的重要原因.非定常计算得到的斯特劳哈数与试验相吻合,进一步验证了该模型在空化流数值计算中的可靠性.     

不同叶顶间隙下的轴流泵内部流场数值计算

基于标准k-ε双方程湍流模型和SIMPLEC算法,采用结构化网格技术,对轴流泵分别为0.15,0.50,1.00,2.00 mm的叶顶间隙进行了多工况数值模拟,讨论了不同叶顶间隙大小对泵性能的影响,并分析了叶轮出口轴面速度、出口环量的分布以及叶顶泄漏流和泄漏涡随叶顶间隙的变化情况.数值计算结果表明,当叶顶间隙超过0.50 mm时,泵性能下降的幅度明显增大;叶轮出口轴面速度在轮毂壁面和叶顶间隙处减小,而环量增加;叶顶间隙越大,轴面速度和环量受泄漏流的影响越大;通过数值模拟捕捉到不同间隙下叶顶泄漏流和泄漏涡,分析得出泄漏涡是由于泄漏流与主流发生卷吸作用而形成的,且泄漏涡在流道内的运动轨迹与叶顶间隙大小关系密切.     

水翼间隙非定常涡空化流动的试验和数值研究

采用高速全流场显示技术对水翼叶顶间隙区域非定常旋涡空化流动进行观测,并提出一种旋涡空化模型来对空化流动进行计算.研究结果表明,提出的空化模型可以较好地捕捉非定常泄漏涡空化.此外,基于计算结果对水翼前缘云状附着空化与间隙涡空化的相互作用进行重点分析.结果表明,附着空化的发展和脱落会引起水翼叶顶附近迎背流面压力差值的变化,从而导致叶顶区域射流剪切层空化具有显著的非定常特性;附着空化末端闭合处的压力波动会造成泄漏空化涡强度的波动;附着空化的断裂所引起的吸力面局部高压会导致泄漏空化涡强度的显著降低.     

不同叶顶间隙下斜流泵内部 流动特性的数值模拟

为研究轮缘叶顶间隙对斜流泵性能和流动不稳定特性的影响,基于SST k-ω湍流模型对某斜流泵选取了0, 0.25, 1.00, 2.00 mm 4种尺寸的叶顶间隙进行数值计算,分析间隙区域内压差分布、泄漏量、叶顶泄漏涡旋强度以及进口轴面速度分布.结果表明:不同运行工况下,斜流泵泄漏量从叶轮进口到叶轮出口先增大后减小,其与间隙区内压差变化趋势相吻合.叶顶泄漏量随着间隙尺寸的增大而增大,导致泵的能量损失增大.经对比发现,间隙尺寸是影响叶顶泄漏量的主要因素.小流量工况下,随着叶顶间隙尺寸的增大,叶顶泄漏流与主流卷吸作用形成的泄漏涡强度逐渐增强.部分泄漏流进入相邻叶片通道,导致其流动失稳.随着叶顶间隙的增大,斜流泵能量损失明显增多,且内流不稳定性明显加剧.增大流量后,不同间隙下叶顶泄漏涡旋转强度均逐渐降低.     

叶顶间隙对斜流泵叶轮内部空化流动的影响

为了研究不同叶顶间隙值对斜流泵叶轮内部空泡稳定性的影响,获得叶顶间隙的最佳范围,基于标准SST k-ω湍流模型和均相流模型对斜流泵内部空化流动进行了数值模拟.结果表明:叶顶间隙对斜流泵叶轮内部空化性能有显著影响,小流量工况下随着叶顶间隙的增大,叶顶泄漏涡的湍流尺度和强度逐渐增加,临界空化数随着叶顶间隙的增大而逐渐减小;当临界空化数为0.357时,较大的叶顶间隙可以抑制叶片表面的初生空化;当叶片发生严重空化时(σ=0.123),较小的叶顶间隙抑制叶片表面产生大尺度空泡;当叶顶间隙较小时,空泡团稳定附着在吸力面;随着叶顶间隙的增大,空泡脱落区向主流移动并聚集在叶片吸力面中部,空化体积分数逐渐增大.     

非定常空化流动研究现状与进展

针对非定常空化流动数值计算模型,总结了不同汽液相间传输模型对模拟空穴发展和空泡脱落过程的影响,发现不同空化模型对于非定常空化流场的不同区域的预测有着明显的差异.建立了一种基于混合密度分域的空化流动计算模型,合理预测了空泡脱落时刻翼型尾部的不稳定脉动区.通过考虑空化流动的湍流多尺度与多相局部可压缩特性,提出了一种基于混合密度分域的混合湍流模型,预测结果与试验结果吻合更好.综合回顾试验与数值计算方面的研究工作,围绕空化流动特性与动力学问题,主要从非定常流场空穴形态、流动结构、空化流体动力等几个方面对非定常空化流动机理及相应研究成果进行了较为详细地评述和讨论.最后,基于非定常空化研究的发展趋势和进一步研究可能面临的突出问题,对非定常空化流动研究的发展方向进行了探讨与展望.     

轴流泵叶轮端壁区流动特性数值模拟

轴流泵端壁区流动对流场结构、能量传输、水力效率等有着重要的影响。基于CFD技术和高质量结构化网格,对不同叶顶间隙的轴流泵方案进行了全流场数值模拟,探讨了叶顶间隙对端壁区轴面速度、环量等流动参数的影响规律,分析了叶顶泄漏涡的产生机理及其结构,并与高速摄影试验进行了对比。研究结果表明,端壁区叶顶间隙导致进口轴面速度非均匀分布和轮缘侧二次回流;叶轮出口的端壁间隙区轴面流动减弱,且叶顶间隙越大,轴面速度下降幅度越大;叶顶间隙附近的二次回流区使叶轮进口产生环量,当叶顶间隙增大至2 mm时,约50%的流动区域受到间隙的影响而产生预旋;端壁区叶顶泄漏涡的数值模拟运动轨迹及结构与试验一致,在小流量工况下,泄漏涡强度增强,且干扰流场范围扩大。     

轮缘间隙对贯流式水轮机转轮内部流动特性研究

以柴家峡电站原型机为研究对象,采用数值计算对水轮机转轮区域空化现象进行了系统的研究。通过改变轮缘间隙的距离,对灯泡贯流式水轮机不同轮缘间隙时的空化现象进行模拟,比较了不同间隙值转轮空化的发生状态,分析了轮缘间隙值变化对水轮机转轮空化性能及流场压力脉动的影响。结果表明:转轮内空化区域主要发生在叶片背面轮缘靠近出水边处和叶片背面轮毂间隙处,间隙值增大使轮缘处间隙空化发生剧烈。这是由于叶片与转轮室之间的位置存在间隙泄漏流动所引起的,此位置流体受到转轮主流的排挤作用并且在二次流和回流的共同作用下,间隙泄漏流动容易形成漩涡,从而致使此处的压力降低;叶片压力脉动呈现出周期性的变化,轮缘处对压力脉动所引起的振动敏感性大于叶片中部和轮毂处,当间隙值远离设计值时,压力幅值变化剧烈。     

平衡鼓间隙对多级泵后腔压力及轴向力的影响

为研究多级离心泵平衡鼓径向间隙尺寸变化对末级叶轮后泵腔压力及轴向力的影响,基于SST k-ω湍流模型,应用Fluent软件分别对节段式多级离心泵进行数值计算,分别模拟平衡鼓径向间隙为0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 mm的6种设计工况下,平衡鼓径向间隙尺寸对多级泵效率及平衡鼓轴向平衡能力的影响.计算结果表明,随着平衡鼓间隙增大,末级叶轮后泵腔内流体压力沿径向逐渐增大,后盖板外壁面压力分布不均匀;末级叶轮后泵腔中心截面压力呈平衡鼓间隙越大,后泵腔压力取值整体减小趋势,其压力幅值呈先减小后增大的趋势;末级叶轮所受轴向力在间隙为0.3 mm时最小;多级泵的效率随着平衡鼓间隙泄漏量的增大而降低,当泄漏量q>0.887 kg/s,效率降低明显.     

诱导轮空化流动特性实验研究

为了深入研究诱导轮内部的空化流动特性,基于诱导轮空化流动可视化实验台进行了一系列实验,获取了诱导轮的外特性、空化区发展过程以及相应的压力脉动特性。结果表明：流量越大,空化性能曲线越早发生断裂,但存在某个流量使诱导轮具备最佳空化性能;随着空化数的降低,空化首先发生于泄漏涡中,泄漏涡空化逐渐与泄漏流中的剪切层空化连成一片,形成稳定的泄漏空化区,流量越小,空化区面积越大,叶尖的压力脉动幅值也随着空化区面积增大而升高,由于空化区对称分布,压力脉动由叶片通过频率主导;进一步降低空化数时,开始出现各类空化不稳定现象,小流量下出现明显的回流涡空化,大流量下出现同步旋转空化,后者会引起大幅的压力振荡,同时会导致扬程部分下降。空化区进一步发展,导致大流量下发生低频轴向流动不稳定现象,空化喘振。空化区发展至叶轮出口时,影响出口液流角,诱导轮完全失去作功能力,发生空化性能断裂。     

液环泵叶片轴向叶顶凹槽间隙流场及其性能

为改善液环泵轴向叶顶间隙泄漏流场结构,提升液环泵水力性能,提出液环泵叶片轴向叶顶凹槽结构设计,以2BEA-203型液环泵为研究对象,采用数值模拟方法分析液环泵叶轮轴向间隙泄漏流动及其与主流的相互干扰作用,对比分析凹槽叶顶与平顶间隙泄漏流动及其性能.分析结果表明,液环泵内流动呈现复杂的三维结构,凹槽型叶顶间隙能够在一定范围内提升液环泵的效率及真空度,在大流量点0.07 kg/s时的吸入真空度相对平顶型叶片提升5.26%,其他各流量点真空度及效率也略有提升;凹槽型间隙除在凹槽内产生凹槽涡及凹槽角涡外,在叶片压力面叶顶处角涡及叶片吸力面后方的泄漏涡结构与叶片平顶型间隙基本相似.轴向叶顶压力面附近角涡及吸力面后方的泄漏涡强度由轮缘到轮毂逐渐增强,凹槽型轴向叶顶能够在一定程度上减弱角涡及泄漏涡量的分布;在气相分布区域,叶顶间隙泄漏涡强度明显高于液相分布区域.由于凹槽的缓冲作用,使得间隙内及叶片吸力面后方的泄漏流速、湍流强度及总压损失均有一定程度的减小,达到提升泵的吸入真空度和效率的目的.