离心泵启动过程瞬态特性的试验

为进一步研究离心泵启动过程的瞬态特性,建立了离心泵瞬态性能测试系统.在球阀全开、半开和全闭3种条件下,对离心泵的启动过程进行试验.在采集瞬态性能曲线的同时,应用粒子成像测速技术对离心泵测试截面的二维瞬态流速进行了拍摄,并分析了瞬时外特性与内部流动演化关系和产生试验误差的原因.结果表明,离心泵启动过程中内部流动演化呈现强烈的瞬态特性.开阀启动过程扬程和功率随转速快速上升,瞬时流量表现出三次曲线的增长特性;阀门全关启动的瞬时功率冲击达到稳态条件下的1.5倍,内部瞬态流动显示该冲击是由流体间相互掺混和涡能量的传递所引起的.产生气泡和低的拍摄频率是引起PIV测试误差的主要原因.     

浮潜式消防泵启动过程瞬态特性的数值模拟

为了研究浮潜式消防泵在启动过程中的瞬态特性,建立包含泵、水箱及循环管路在内的三维封闭模型,运用Fluent 145商用软件,采用RNG k-ε湍流模型,并结合UDF程序加载转速变化规律对模型进行非稳态数值模拟．分析泵在启动过程中其流量、扬程、叶轮加速转矩、总效率、叶轮轴向力及径向力随启动时间的变化规律．研究结果表明:泵在启动过程中其流量、扬程及总效率的变化主要取决于动力源的启动特性,并呈指数上升趋势,叶轮的加速转矩随启动时间的增加而逐渐减小;当泵转速达到额定转速时其加速转矩为0,在泵启动初期因流量严重偏离额定流量而导致其产生较大的轴向力及径向力,随着启动时间的增加,泵的轴向力及径向力逐渐减小,最后趋于稳定．研究为离心泵的优化设计、振动及噪声诊断提供理论参考．     

启动加速度对核主泵叶轮内部流动的影响

针对研究不同启动加速度对核主泵启动过渡过程中叶轮内部流动的影响,以3组不同启动加速度瞬态外特性试验性能参数为依据,获得流量与时间和转速与时间的外特性曲线,将获得外特性曲线作为边界条件,代入CFX中进行数值模拟,分析启动过程中外特性曲线及叶轮流道内流线图和压力梯度云图.结果表明:启动加速度与核主泵启动时间有直接关系,但是与流量和转速到达稳定值之间的时间差无关;启动加速度对叶轮内部流动稳定性和压力变化幅度有较大的影响,在启动过渡过程中,较大启动加速度对应叶轮内部流动极不稳定,产生一定强度和面积的旋涡区且压力变化幅度有较大波动,而较小启动加速度对应叶轮内部流动稳定,压力变化幅度均匀.该结果在启动过渡过程中对控制核主泵的不稳定性有重要的价值.     

余热排出泵不同启动过程的内部流动特性

为研究余热排出泵不同启动过程的内部流动演化过程,采用基于Flowmaster与CFD的联合仿真方法对余热排出泵3种启动过程内部瞬态流场进行了数值模拟,分析了不同启动过程泵内压力、速度分布规律以及叶轮和导叶流道内的旋涡演变过程.基于Matlab-Simulink建立电动机启动模型,通过仿真后得到电动机启动过程转速随时间变化规律,结果表明:电动机经过5.5 s后,达到额定转速;在Flowmaster中建立余热排出泵启动过程仿真模型,得到不同启动过程中的流量变化规律;分析不同启动过程余热排出泵内部流场,由于交替启动过程是在高温高压的工况下运行,泵内压力梯度要明显大于最小流量管线启动过程,而双泵运行状态时蜗壳内的压力分布基本保持不变;分析不同启动过程余热排出泵内部速度分布及旋涡演化规律,3种启动方式都经历了旋涡的产生、分离、消失3个不同阶段,双泵运行状态下旋涡消失要早于最小流量管线启动和交替启动过程,在t=5.5 s时流道内流动已相对均匀,直至稳定运行状态,由此反映了启动过程中流体的惯性作用明显影响着流场的发展;对比3种启动过程下扬程曲线,双泵运行状态时扬程最小,扬程随叶轮旋转达到最大值,并出现一个瞬时冲击扬程,双泵运行状态时冲击现象最为明显.     

大流量自吸离心泵机组轴与曲轴的模态分析

为研究大流量自吸离心泵机组轴与曲轴的振动特性,基于ANSYS有限元分析软件对大流量自吸离心泵机组轴与曲轴的模态特性进行研究,分析了大流量自吸离心泵机组轴与曲轴前5阶振型图及固有频率,并对其各阶固有频率对应的临界转速进行研究.研究表明,大流量自吸离心泵机组轴在支撑间距以及形式的影响下,主要体现出扭曲振动,且第4阶发生了2次扭转变形,呈现对称变化分布.与此同时,大流量自吸离心泵机组轴的设计转速为2 200.00 r/min,而大流量自吸离心泵机组轴的最低临界转速达到2 848.07 r/min,高于实际转速2 200.00 r/min,从而避免了发生共振的可能.采用合理的结构设计可以有效地避免大流量自吸离心泵机组轴与曲轴发生共振,通过模态分析得到振型图和动画显示,清晰地展现出大流量自吸离心泵机组轴与曲轴的动态特性,为系统的安全运行、振动分析以及结构的优化设计提供重要的理论依据.     

V/F控制模式下恒压泵动力源特性研究

为使液压动力源在负载多变条件下降低能耗提高效率,实现灵活多变的输出流量、压力和功率控制,提出采用变频V/F控制模式下,控制三相异步电机,驱动恒压泵作为液压动力源,实现压力、流量和功率复合控制的高能效电液动力源。针对变频启动慢的问题,在主回路上并联可控蓄能器,采用蓄能器辅助启动。确立了恒压泵、变频器、电机各部分的计算模型以及AMESim软件下的仿真模型和试验原理。进行了动力源压力恒压特性仿真与试验,结果表明恒压仿真模型较准确。P-Q试验表明,利用先导压力阀控制压力动态响应时间不超0.2s,超调不高于15%;流量动态特性差,利用蓄能器辅助启动,带载80MPa转速达到1500r/min,启动时间不超0.2s。功率试验结果表明,高压小流量和非工作周期压力卸荷工况,电机转速由1500r/min降至450r/min,电机功率分别降低70.3%和64.8%;恒压模式下大排量、低转速可以使该试验系统能耗降低约3.8kW。     

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.     

矿用高速抢险泵推力盘作辅助叶轮的试验

为了获得矿用高速抢险泵中推力盘作辅助叶轮的水力特性,搭建了多功能推力盘实验台,通过试验方法研究了推力盘作辅助叶轮不同转速、温度、出口情况下的水力性能和抗汽蚀性能.试验结果表明:区别于传统离心泵,转速变化定律对推力盘作辅助叶轮产生的扬程不适用,转速越高,扬程系数取值越小.推力盘作辅助叶轮的流量范围与自身结构特性相关,与转速没有明显关系.6种转速下,随着流量增大,扬程不断降低,最大和最小扬程分别为19.64 m和2.62 m;机组效率曲线先增大再降低,最高机组效率为6.5%;功率曲线则缓慢降低.随着转速提高,推力盘作辅助叶轮流量覆盖范围有轻微增大;相同流量点下,扬程和功率数值都有提高.抗汽蚀性能方面,不同转速下,温度对推力盘作辅助叶轮汽蚀性能影响不同;不同流量下,小流量工况下推力盘作辅助叶轮抗汽蚀性能优于大流量工况.     

基于量纲一化的离心泵内部气液两相流动特性

为研究气液混输状态下离心泵内部流动及外特性的基本规律,以某一比转数n_s=132.2的直联式单级单吸离心泵为研究对象,基于量纲一化方法,在不同含气率及转速下进行外特性试验和数值模拟研究.结果表明:量纲一化参数的压力系数和速度系数能够较为直观地反映离心泵气液两相流内部流动的基本规律;随着转速的增大,低压区在叶轮进口附近的半径逐渐增大,低速区占据流道的面积也逐渐增大,此时由于气体主要聚集在叶轮流道及蜗壳附近,容易堵塞流道,液相与叶轮能量得不到有效地交换与传递,这是导致气液混输状态下含气率大于3%时离心泵外特性曲线不再遵循相似定律的主要原因;结合试验和数值模拟结果验证了所采用的Eulerian-Eulerian非均相流模型的合理性,为泵的优化设计提供了一定理论基础.     

油茶果园施肥一体机挖穴过程仿真与试验

为开发出适合山地油茶果园挖穴施肥覆土的机具,且具有结构简洁、质量小、功耗小的特点,针对挖穴施肥的方式,采用离散元法建立了螺旋钻头挖穴过程的仿真模型;并结合三因素三水平正交试验和响应曲面分析方法,仿真分析了进给速度、钻头转速和钻头螺旋升角对挖穴作业功率消耗的影响规律。结果表明：试验因素对消耗功率的影响从小到大依次为钻头螺旋升角、进给速度、钻头速度,进给速度和钻头转速组合、钻头转速和钻头螺旋升角组合交互作用对消耗功率的影响显著。进行了参数优化,确定最优组合为：在进给速度0.03m/s条件下,钻头转速180r/min、钻头螺旋升角15°时最小功率消耗为1.134kW。田间试验表明：优化组效率效果明显优于对照组,优化后单个坑作业时间12.1s、百坑油耗1.08L。     

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.     

压水室结构对离心泵径向力影响的数值分析

采用SST k-ω湍流模型对不同压水室结构: 单蜗壳、双蜗壳、导叶和蜗壳匹配同一叶轮的离心泵进行定常和非定常数值模拟．根据数值计算结果比较并分析3种不同结构压水室离心泵外特性、定常和非定常径向力特性．结果表明,在全流量下,单蜗壳和双蜗壳离心泵流量-扬程曲线变化平缓,效率高效区较宽;单蜗壳离心泵径向力远大于其他2种形式离心泵;导叶式离心泵径向力方向随着流量增加基本不变,其他2种形式离心泵径向力方向随着流量的增加变化较大且从隔舌向蜗壳出口移动;单蜗壳离心泵和双蜗壳离心泵径向力整体变化趋势呈椭圆分布,导叶式离心泵径向力变化无规律性;单蜗壳离心泵径向力平衡较差,瞬态径向力幅度波动远大于其他2种形式离心泵．分析结果可对离心泵径向力的认识和设计提供依据．     

多工况高抗汽蚀性能的诱导轮设计

针对某流量调节范围（最大流量/最小流量）为30的低比转数高速离心泵,基于能量匹配法,设计了等螺距和变螺距2种结构形式的诱导轮.采用SST湍流模型和Rayleigh-Plesset空泡动力学模型,对离心泵多工况下的全流场进行汽蚀数值模拟,分析了离心泵多工况下的汽蚀断裂特性和气泡分布等流场特征,揭示了不同工况下带诱导轮离心泵的汽蚀断裂机理.在高速试验台上进行了离心泵外特性水力试验,试验结果与计算结果吻合较好.研究结果表明：能量匹配法是指导高抗汽蚀诱导轮设计的基本方法;随着进口压力的降低,带诱导轮离心泵在各工况下的汽蚀断裂特性不尽相同,大流量工况下的扬程断裂曲线呈大斜率形状快速下降,中流量工况下扬程断裂曲线呈直角形,小流量下扬程断裂曲线呈小斜率形状缓慢下降;相对于等螺距诱导轮,变螺距诱导轮具有更小的冲角和更高的扬程,使高速离心泵具有更宽的稳定工作区间.     

开缝叶片低比转数离心泵空化性能的数值模拟

为了进一步提高低比转数离心泵的空化性能,对离心泵叶轮叶片进口附近的开缝进行研究.考虑开缝的3个参数,设计6组水力模型探究开缝对低比转数离心泵性能的影响.针对离心泵运行过程中产生空化的流动特点,基于Rayleigh-Plesset方程来描述空泡成长和溃灭过程的空泡动力学模型,采用RNG k-ε模型对在相同工况下的离心泵中两相流动进行数值模拟与分析.模拟结果表明:在叶片进口处开缝可以提高泵空化性能,其中第二组模型的空化性能提升比较明显,空化余量由4.447 m下降到3.910 m,降低了12.1%,水力效率由71.56%上升至76.46%;在相同工况下,开缝叶轮流道内的能量分布更加均匀,而扬程在额定流量下只有很小的变化.该模拟结果对研究低比转数离心泵内部流动特性及性能的提升具有一定的参考价值.     

混流泵瞬态启动性能及空化流场可视化试验

为解决泵喷系统以及潜艇武器大型化和稳定化发展中的混流泵瞬态启动特性和诱导空化问题,结合混流泵外特性试验和高速摄影可视化技术,研究泵瞬态启动性能和空化流场特性.结果表明:在无空化启动时,启动时间和启动流量不影响混流泵的稳态性能,泵流量、转速和扬程同时刻达到稳态峰值,具有较好的同步性,泵扬程在启动初期具有明显的滞后性,设计流量下,启动扬程滞后时间约为启动时间的50%;在空化启动条件下,混流泵叶顶间隙最先出现空化,随着启动时间的增加,空泡云发展出“长条状”形状,随着进口压力的降低或进口流量的增大,空泡云逐渐呈现出“三角状”,最终发展到堵塞流道.通过高速摄影试验捕捉不同启动条件下混流泵流道内的空化形态演变,发现缩短启动时间、减小启动流量、增加泵进口启动压力是抑制启动空化发生的有效途径.     

低比转数双吸离心泵回流问题的CFD研究

针对某低比转数双吸离心泵在小流量工况下出现回流的问题,利用CFD技术对双吸泵及吸水室内部流场进行数值模拟研究,并提出定点速度值分析法,模拟流场测试试验中采用的动态探针采样测试系统,对回流问题进行研究.通过对叶轮进口相应测试点在不同流量下的速度变化进行统计分析,发现其变化规律和理论分析结果与以往文献中试验总结的规律变化一致.并根据曲线变化及理论分析结果,提出回流诱发流量点、回流稳定流量点、回流变化区间的概念.并在理论分析基础上,提出叶轮进口回流区有效厚度值的定义及预估方法.     

离心泵水力诱导激振试验研究

离心泵的水力诱导激振影响泵的安全稳定运行。为了揭示离心泵水力诱导激振特性,以一台单叶片离心泵为试验对象,采用两个垂直布置的涡电流位移传感器测量离心泵空转及抽水时叶轮口环的瞬态位移,获得了叶轮口环瞬态位移的时域图、频域图以及口环位移轨迹图。基于霍尔感应器的键相信息,采用华科水力机械综合测试仪获得了离心泵在不同流量工况的水力诱导激振特性。试验结果表明,离心泵空转及抽水时时域图、频域图相似,波形均为周期性重复的畸变正弦曲线,主频均为叶轮转频,口环位移轨迹图均为畸变的椭圆形,但抽水时口环位移幅值有所减小。离心泵的水力诱导口环位移轨迹图在不同流量工况下均为畸变的椭圆形,在210°~300°之间出现一个突变区域,水力诱导激振在小流量工况显著增强,在额定工况及大流量工况水力诱导激振基本不变。     

基于Ansys的矿用潜水电泵转子系统的优化设计

应用三维造型软件Pro／E对矿用潜水电泵过流部件内部水体和部件进行实体造型,导入ICEM软件对水体部分进行非结构化网格划分．基于雷诺时均Navier—Stokes方程、标准k—ε湍流模型和SIMPLEC算法,采用计算流体动力学软件CFX对矿用多级潜水泵不同工况下的外特性进行数值模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比,验证模拟结果的可靠性．将流场模拟结果导入AnsysWorkbench,对两支点支撑方式的转子系统进行基于流固耦舍的模态分析,计算得到了原有转子系统的一阶临界转速低于运行转速．根据对转子振型特点的分析,对转子系统进行三支点优化设计,并再次进行模拟计算．结果表明：原有两轴承支撑转子系统临界转速过低,是轴承7217AC／DB提前损坏、密封环磨损严重的主要原因;三支点转子临界转速远大于泵的实际运行转速,可大幅度提高轴承可靠性,减缓密封环的磨损．