旋流自吸泵突台结构数值模拟及对性能的影响

基于大涡模拟方法,设定适当的边界条件,利用三维非结构四面体网格进行网格划分,采用有限体积法对控制方程进行离散,应用CFD软件Fluent对旋流自吸泵的内部三维湍流流场进行数值计算,得到泵内部流场的分布情况以及突台附近区域的流动情况.为了研究突台结构对性能的影响,对应不同突台结构,分别计算了不同工况下的流动情况,预测旋流自吸泵的宏观性能并绘制了性能曲线.通过对数值模拟结果的分析和对比,在获得旋流自吸泵宏观性能曲线的基础上,分析突台附近区域的内部微观流场与宏观外部特性之间的关系.结果表明,突台结构对扬程、效率影响较大,而对于功率影响较小.基于CFD辅助设计,通过对突台尺寸参数不同方案的性能的对比分析,获得突台尺寸参数的最佳值,从而为泵的改进设计提供参考.     

立式导叶自吸泵内部湍流的大涡模拟

采用大涡模拟方法,运用CFD软件CFX对设计工况下的立式导叶自吸泵内部三维不可压缩湍流流场进行数值模拟。得到了其内部流场的压力分布和速度分布情况,对立式导叶自吸泵内部流场的相对速度分布和压力分布进行分析,对模型泵进行性能预测,得到了性能预测曲线,并进行了性能试验,结合预测结果与试验结果进行对比,说明大涡模拟法能够较准确地预测立式导叶自吸泵性能和内部流动特性,为立式导叶自吸泵的设计研究提供参考。     

自吸泵自吸过程瞬态流动的数值模拟

为研究自吸泵的瞬态气液两相流动过程,应用VOF多相流模型并结合滑移网格技术,采用标准k-ε湍流模型,以泵的进口速度实测值为边界条件,对型号为65ZB-40C的外混式自吸泵自吸瞬态过程内部流场进行了数值模拟.将叶轮分为8个区域,将蜗壳划分为10个断面并设定监测点,分析自吸过程中自吸泵叶轮各区域、蜗壳各断面监测点及其他关键监测面的压力、体积含气率及速度的变化过程.结果表明:在自吸初期和末期,泵内部多数区域压力和体积含气率存在着一个迅速变化过程,叶轮进口、蜗壳各断面、回流孔及气液分离室进口处的速度在自吸初期存在振荡,表现出明显的瞬态效应.所采用的模拟方法能够对自吸泵自吸过程各参数进行初步预测,研究结果对于自吸泵的自吸过程内部流动特性进一步研究具有一定的参考价值.     

叶轮外径对离心泵内流影响的CFD分析

采用FLUENT,在双参考坐标系下,利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行数值离散,选用标准k-ε湍流模型,SIMPLEC方法求解,对6台离心泵在不同叶轮外径下的内部流场进行了叶轮和蜗壳的耦合数值模拟.根据数值模拟结果对6台离心泵的能量性能进行了预测,并分析了叶轮外径变化对泵内部流场的影响.性能预测结果与切割定律计算结果的对比表明,随着叶轮外径的变化,泵扬程和轴功率的变化基本符合切割定律,但效率存在一定的波动.内部流场分析表明,叶轮外径变化对叶轮进口静压和总压分布的影响较小,对叶轮出口和蜗壳内静压及总压分布有着明显的影响;叶轮外径变化还对泵内尤其是蜗壳割舌附近的绝对速度分布有较大影响;当叶轮切割量大于4%后,蜗壳扩散段的流动分离现象就会逐渐消失.     

基于DEM-CFD的旋流泵大颗粒内流特性模拟与试验

鉴于抗堵塞性能较优的旋流泵在输送污水时,其过流部件仍存在磨损、半堵塞等问题,将DEM-CFD方法引入旋流泵数值模拟中,研究旋流泵在输送不同粒径、体积分数颗粒时的颗粒运动物理特性,以及颗粒与液相、固壁多向耦合的运动特征,并进行了试验验证。结果表明,由旋流泵输送油菜籽试验可知,外特性计算结果与试验结果基本一致;在该旋流泵模型特征下,进口管与无叶腔区域由循环流引起的颗粒旋转流动现象较为严重,从无叶腔沿着进口壁面螺旋式逆向回流,与进口顺向来流相混达到平衡,试验拍摄结果与数值模拟结果较为相符,说明DEM-CFD耦合方法具有一定可靠性;旋流泵内部存在3种不同的颗粒运输方式,第1种为颗粒随贯通流经由叶轮进入蜗壳,第2种为受循环流影响经由无叶腔直接甩入蜗壳,第3种为颗粒从叶轮前端面区域进入叶轮,再经叶轮进入蜗壳;对蜗壳内流特性进行分析,发现颗粒主要分布在蜗壳后侧,在扩散段到蜗壳出口区域,颗粒随液体以螺旋的方式流出,蜗壳断面叶轮侧形成大小不等的螺旋涡。     

旋流自吸泵导壁结构对性能的影响

运用商用CFD软件FLUENT,对旋流自吸泵内部三维流场进行了数值模拟.计算采用标准k-ε模型,选择多重参考系模型将叶轮流场与蜗壳流场进行动静耦合,得到导壁附近的压力场及湍动能流场的分布规律.分析了导壁包角结构对流场的影响,建立了性能预测模型,通过对导壁包角分别为55,°65,°70°这3种结构尺寸模型的性能预测对比,探讨了导壁结构对于旋流自吸泵性能的影响.分析可知导壁结构对性能有一定影响,65°包角为最佳导壁结构.通过预测与试验结果的对比,二者结果较为一致.     

蜗壳形状对离心泵流动诱导噪声的影响

由于蜗壳对离心泵流动诱导噪声的产生及传播具有重要影响,在原马蹄形断面蜗壳的基础上重新设计了一种矩形断面蜗壳,并将两种断面的蜗壳与同一叶轮组合进行流场数值模拟和声学求解.流动诱导噪声的求解基于Lighthill声类比理论,采用大涡模拟和声学有限元法相结合的混合算法.在原型泵的基础上还分析了采用矩形隔舌和圆角隔舌的扬程、效率和声学性能差异,并对模拟结果进行了试验验证.计算结果表明:矩形断面蜗壳模型泵和马蹄形断面蜗壳模型泵的水力性能近似;2种断面模型泵内流动诱导噪声的主频均为叶片通过频率290 Hz;从内部流场的压力云图、速度矢量分布及方向分析可发现矩形断面蜗壳内的流动状态更佳;相对于马蹄形断面蜗壳,采用矩形断面蜗壳模型泵的声压级平均小5 dB,声学性能更优;相对于矩形隔舌模型,采用圆角隔舌模型泵的水力性能更优,声学性能也较好,声压级平均小4 dB.     

单级与多级侧流道泵内部流动特性

为了研究前置离心叶轮对侧流道泵性能以及内部流动特性的影响,基于SST-SAS湍流模型,对不同工况下单级以及多级侧流道泵内部流动进行三维非定常数值模拟,研究了单级与多级侧流道泵扬程、侧流道泵叶轮进出口压力、侧流道间的质量交换以及旋涡结构分布特性.结果表明:添加前置离心叶轮后的多级侧流道泵扬程整体有所提升,侧流道叶轮的进口压力提升了20%,叶轮与侧流道之间的质量流量也提升了约20%,多级侧流道泵叶轮内涡团分布与单级泵分布规律基本相同,添加前置离心叶轮对侧流道泵内部流动影响较小.研究结果为后续多级侧流道泵的空化研究以及结构优化提供了参考.     

低比转数离心泵内部流动特性和外特性试验

为研究分流叶片对低比转数离心泵内部流动和性能的影响,在原型泵叶轮(具有4长4短叶片)基础上,设计了8长叶片的叶轮模型.基于雷诺时均Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型对各模型泵内的流场进行三维定常数值模拟计算,得到了泵内部流动特性.同时对原型泵进行外特性试验,并将计算结果与试验结果进行对比验证.数值计算结果表明:离心泵蜗壳内的周向速度大于径向速度,流体呈周向流动;径向速度随着周向角度的增大缓缓变大;8长叶片的叶轮相对于4长4短叶片叶轮在设计流量工况下具有更高的扬程和效率,8长叶片的叶轮比4长4短叶轮具有更好的水力性能;8长叶轮的叶片进口处具有更大的相对低压区;叶轮内部都存在旋涡,相对于4长4短叶片的叶轮,8长叶片的叶轮具有更大的涡.试验结果验证了数值计算的正确性.     

旋流自吸泵内部流场数值模拟及PIV试验

为了获得旋流自吸泵的特殊蜗壳结构对于其自吸性能的作用,通过二维PIV测量和三维软件CFX,获得了3个测试工况下旋流自吸泵的内部流场和蜗壳内部的速度场.结果表明,导流壁与叶轮出口在蜗壳内形成的“喷嘴”和“扩压器”形状,分别促进了气-水混合液和气泡流的形成.通过“喷嘴”的液体,其流向涡量、旋转速度和流动均匀性得到提高.液体和叶轮流道1内的气体发生动量交换,气体被压缩并且分散成不同大小的气泡,而液体分散成液滴,形成气-水混合液.通过“扩压器”的气体被进一步压缩,大气泡破裂后形成无数微小气泡,而液滴积聚成液体,形成气泡流.气液分离室内形成2个大小和旋向不同的旋涡,由于离心力作用,气泡流中的气体和液体分离,气体从泵出口管逸出.液体分离回落被凸台阻挡,与凸台的碰撞使液体中夹带的气泡再次分离,而液体流回蜗壳,再次参与上述过程,直到空气从吸入管中排净.     

自吸泵自吸过程气液两相流动特性

为了研究自吸泵自吸过程内部流动规律,以一台外混式自吸式离心泵为研究对象进行气液两相流动定常数值模拟,分析在不同进口含气率下叶轮和蜗壳气液两相分布以及平均静压分布规律,为自吸泵的优化设计提供依据.研究结果表明:气相最先聚集在靠近叶轮进口的叶片背面和隔舌区域,并随着进口含气率的增大,气相逐渐向叶轮和蜗壳流道内扩散,这不利于...     

泵自吸过程气液两相流的可视化试验

自吸泵的自吸过程属于复杂的气液两相流动过程。通过建立泵自吸性能外特性及自吸过程气液两相流动特性协同测试系统,采用NI虚拟仪器Lab VIEW编程平台,实现了对泵自吸过程中的进出口压力、流量、转速的瞬态测试;同时采用高速摄影观测系统对自吸泵叶轮、蜗壳及气液分离室内部的气液两相流动过程进行了可视化观测。结果表明:在流量未上升之前,自吸离心泵的自吸过程一直处于动态的稳定过程。气液分离室进口出现的稳定气液分离面有利于气液分离,有助于气泡的排出。而扩散段出口出现的停滞回旋气泡不利于气泡的及时排出,对自吸性能有不良的影响。在自吸末期,流量、压力均有突变的过程,且气液分离室内小水珠、扩散管处气泡数目急剧增多,随后又急剧下降,体现了明显的瞬态效应。     

旋流自吸泵气液两相流数值模拟

采用雷诺时均N-S方程和RNGk-ε湍流模型,使用多相流模型中的混合物模型,通过商用软件FLUENT,对自吸时旋流自吸泵内气液两相流场作了数值模拟.在对蜗壳流道和叶轮流道进行网格划分时,尺寸扭曲率为0.78.根据模拟结果,将泵内两相流场的静压分布,与单液相时的静压分布作了对比,并比较了叶轮内气相与液相相对速度的分布情况.另外,对含气率的分布情况作了分析.结果表明,自吸时气液两相状态下的静压稍小于单液相状态下的静压;泵内的主要流动是液相通过相间作用夹带气相的流动,液相速度略大于气相速度;靠近泵出口的两个叶道内,有气相的积聚,含气率较高.     

泵自吸过程的数值计算与可视化试验研究

采用欧拉多相流模型、标准k-ε湍流模型及结合滑移网格技术并加载试验所得的叶轮转速变化曲线和出口压力变化曲线对65ZB-40C型外混式自吸泵自吸过程的气液两相流进行数值模拟,在叶轮进口、蜗壳各断面、气液分离室进口、回流孔上设置监测面,分析各监测面气体体积分数、气液相速度、混合相压力等参数的变化.采用高速摄影技术对自吸泵的叶轮、蜗壳、气液分离室及蜗壳出口段进行自吸过程的拍摄,把得到的图像与模拟结果进行对比.结果表明:自吸泵自吸过程中气液两相流态的微观变化与试验仪器监测到的压力、流量、转速等宏观变化具有一致性;自吸稳定过程占自吸时间的比例最大,对自吸性能的影响最大;气液分离室中心区域的气相空穴有利于蜗壳出口段的移动气泡的形成,有助于泵体内气体稳定地排出;自吸中期是一个动态稳定过程,进出口压力周期性地波动.     

自吸泵气液两相流数值模拟分

采用Mixture多相流模型、Realizable湍流模型与SIMPLEC算法,应用CFD软件Fluent对内混式自吸泵自吸过程的气液两相流进行了数值模拟.通过分析不同含气率条件下流场的压力分布、速度分布、气相分布,探讨了气液两相介质在泵内的运动情况,一定程度上揭示了内混式自吸泵自吸过程的内部流场变化规律,为自吸泵的设计提供更多的参考依据.     

外混式自吸离心泵瞬态高速摄影试验

为了研究自吸泵在自吸过程中的内部流动变化,设计了可视化自吸离心泵样机,利用LABVIEW虚拟仪器记录了自吸泵在自吸过程中压力、流量、转速等参数随时间的变化,研究了转速对自吸泵出口压力及自吸时间的影响.同时通过高速摄影试验,拍摄了各阶段自吸泵关键部位的气液两相流动状况,分析了自吸泵在自吸过程中气液两相的变化规律.研究结果表明:根据压力和流量随时间的变化规律,自吸泵的自吸过程可以分3个阶段,分别为自吸启动阶段、自吸稳定阶段和自吸突变阶段,且不同转速下的出口压力变化规律也符合这一特征; 叶轮转速越大,自吸泵出口压力在自吸稳定阶段的波动幅度越大,最终稳定的压力值越大,且自吸时间越短; 在自吸过程中,蜗壳和叶轮流道内均存在气泡分裂现象,单个大气泡逐渐拉长呈哑铃状,后随着气泡中间连接通道的消失,分裂成2个小气泡,以促进气体的排出和自吸的完成.     

切线泵流动特征的整流场数值模拟

对单级切线泵在设计工况进行了定常流动数值模拟，分析了叶轮流道及蜗壳内的液体流动情况。结果表明，切线泵内流场非常复杂，叶轮进口有明显冲击，叶轮各流道的速度、压力差异很大，环形蜗壳内流动呈现旋涡推进特征，上、下游流动有强烈的相互作用，整机流场不具有对称性；环形蜗壳的几何结构以及流场上、下游的相互作用是导致整机流场非对称特性的主要原因。计算结果为进一步改进结构、提高性能、减小水力损失提供了理论依据。     

立式自吸泵环形喷射孔比面积对其性能的影响

为了研究环形引流喷射对立式自吸泵性能的影响,以350WFB-1200-50型立式自吸泵为研究对象,采用RNG k-ε湍流模型和Zwart空化模型对不同环形喷射孔比面积下的立式自吸泵进行全流场数值计算.结果表明:环形引流喷射可明显提升叶轮进口压力,能有效改善泵的空化性能;引流流量会使叶轮进口处速度增大,导致泵的必需空化余量NPSHR增大,使泵的空化性能有所恶化;两者的共同作用下,泵的空化性能呈先变好后变差的趋势;随着环形喷射孔比面积k的增大,压水室出口处的泄漏量增大,导致泵的容积损失增大;泄漏流使压水室出口处产生较多旋涡,且射流对叶轮进口流线产生排挤,对主流造成较大影响,使泵的扬程和效率呈下降趋势;当环形喷射孔比面积k=0.25时,泵的汽蚀余量最小,相比于原模型,泵汽蚀余量减小了23%,扬程下降了2.1%,效率下降了2.5%.研究结果可为立式自吸泵优化设计提供一定参考.     

自吸泵内部流场的数值模拟及性能预测

基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,应用三维无结构四面体网格及SIMPLEC算法建立自吸泵内部流场的数值模型,利用计算流体力学软件Fluent对设计工况及多个非设计工况下自吸喷灌泵叶轮和蜗壳的三维不可压缩湍流流场进行了数值模拟,得到其内部流场的速度分布和压力分布情况,揭示了泵自吸过程中流体的运动规律,最后预估该泵的扬程及效率并与试验值进行对比分析.结果表明,在相同半径处,叶片工作面压力比背面压力大;在回流孔处存在较大的压力梯度和速度梯度,并且由于分离室边壁的影响形成了大小不同的旋涡;数值模拟性能曲线与试验曲线基本一致.