双向立式轴流泵站飞逸过渡过程数值计算

采用CFX滑移网格的非定常数值计算方法,计算并分析了双向立式轴流泵装置飞逸过渡过程中泵装置内、外特性的变化。结果表明:转动惯量的变化会影响泵装置进入飞逸的时间,对最终的飞逸转速的值几乎没有影响;随着转速的不断升高,由于相对入流角的变化,叶轮内部发生流动分离现象,在叶轮叶片上形成一定范围的局部低压区,载荷分布曲线上表现为载荷突变,当达到飞逸工况时,叶轮叶片工作面与背面载荷基本一致,压差很小,叶轮几乎不对外做功;叶轮出口不同位置监测点的水压脉动的主频基本相同,均为叶轮叶片通过频率,并没有出现由尾水管涡带引起的低频脉动。     

离心泵瞬态空化流动压力脉动及空泡形态

基于RNG k-ε湍流模型和改进的质量输运空化模型,数值模拟了离心泵内瞬态空化流动。数值计算得到的离心泵扬程随有效空化余量的变化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。在离心泵叶轮内叶片吸力面、流道中间及叶片压力面布置监测点,分析叶轮内压力脉动特性及瞬态空泡形态。结果表明:叶轮内压力脉动主频为叶轮转频及其谐频;在叶片吸力面,叶轮内压力脉动最大幅值在距进口4/5处最大,流道中间及叶片压力面,压力脉动最大幅值由进口至出口渐渐增大,在出口处最大。叶轮流道内空泡随时间经历发展、断裂、溃灭的周期性变化过程;空泡连续的大尺度再生和溃灭造成压力脉动幅值增大,附着型空泡导致压力脉动幅值减小。     

流固耦合作用对双向流道泵装置流场影响

双向流道轴流泵装置由叶轮,导叶,双向进出水流道组成。双向进水流道由于其形状特征容易在叶轮进口端产生不稳定态,导致叶轮振动,而叶轮振动反过来又会影响泵装置的内部流动。为了研究流固耦合作用对双向流道轴流泵装置内部流场的影响,以双向流道轴流泵装置为研究对象,采用双向同步求解的方法对轴流泵内流场和叶轮结构响应进行联合求解。结构计算基于弹性体结构动力学方程;流场模拟基于Reynolds时均化N-S方程和SST湍流模型。在考虑双向进出水流道的情况下,将流固耦合计算前后所得轴流泵内部流场分布与叶轮表面压力分布进行对比分析。研究结果表明,考虑流固耦合作用后,进水流道出口处压力波动强度增大,涡量强度增大;叶轮工作面速度增大,导叶附近的漩涡位置发生变化;叶轮工作面与背面压力差减小,叶轮做功效率下降,轴流泵装置扬程下降。     

灌排双向立式泵装置内部水流压力脉动特性

通过物理模型试验方法研究灌排双向立式轴流泵装置内部压力脉动特性.在进水流道前端、导叶体出口和出水流道后端壁面上布置3个压力脉动测点.在额定转速为1 450 r/min时,对5个不同叶片安放角度下能量试验的压力脉动、叶片安放角为-4°时不同特征工况点空化试验的压力脉动,以及3种不同转速的压力脉动等进行了测试和分析.测试结果表明：进水流道前端、出水流道后端和导叶体出口处的最大压力脉动相对幅值分别为0.22,1.10和1.20.在不同叶片安放角度时,进水流道前端和出水流道后端的压力脉动相对幅值随流量的增大而增大;而导叶体出口处的压力脉动相对幅值随流量的增大,先减小后增大,其最小值出现在最优工况点对应的区域.在空化试验情况下,当泵装置进口压力降低至某一值后,导叶体出口处的压力脉动相对幅值开始增大.不同转速时,各测点的压力脉动相对幅值随扬程的变化趋势相同.在相同扬程时,进水流道前端和出水流道后端的压力脉动相对幅值随转速的增大而增大,然而未发现导叶体出口处的压力脉动相对幅值与转速的变化有明显的规律.     

大套一站轴流泵装置事故飞逸特性研究

针对事故飞逸的研究对泵装置安全运行十分重要。结合轴流泵装置事故飞逸状态的特点,采用CFD计算软件FLUENT,利用基于有限体积法的动网格技术对大套一站轴流泵装置的飞逸状态进行了三维瞬态流动的数值模拟。获得了轴流泵装置飞逸状态下的内特性状态及外特性参数,同时在不同净扬程下对装置进行飞逸数值计算,发现飞逸转速随净扬程的升高而逐渐增大,叶片轴向力及进出水边的撞击与脱流亦随净扬程升高而增加。飞逸转速数值模拟与模型试验结果对比显示:飞逸转速随净扬程的变化规律与模型实验结果吻合较好,误差在5%以内,本次数值模拟具有较好的准确性。动网格技术能够较好地应用于轴流泵装置飞逸状态下内部流场的动态变化的数值模拟,其结果可为飞逸状态的研究提供了理论参考。     

魏村枢纽扩容改建工程双向立式泵装置模型试验及流场分析

为明确魏村枢纽扩容改建工程泵站的双向立式轴流泵装置的水力特性,对该泵站的泵装置物理模型开展了能量性能、空化性能及飞逸性能的试验和泵装置内流场的数值分析。结果表明：在叶片安放角-8°～+4°时,泵装置最高效率为74.26%,此时叶片安放角为-6°、泵装置扬程为3.981 m;在泵装置扬程2.72～5.25 m范围内模型泵装置运行平稳,无明显不良噪音和振动。在最大泵装置扬程5.25 m、叶片安放角+2°时,水泵的淹没深度满足最大必需汽蚀余量9.35 m的要求。在叶片安放角-8°时,原型泵的飞逸转速是其额定转速的1.705倍。箱涵式双向出水流道的水力损失是影响此类泵装置水力效率的主要因素。     

潜水轴流泵内部流场压力脉动的数值模拟

流场压力脉动对轴流泵的运行稳定性具有重要影响,为了准确分析潜水轴流泵的压力脉动特性,采用RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对ZQA系列潜水轴流泵进行了全流道三维流动数值模拟和压力脉动分析.计算结果表明：轴流泵的扬程、功率、效率等外特性计算结果与试验结果基本吻合;轴流泵内部叶轮进口截面压力脉动幅值最大,泵内的压力脉动的主要频率与叶片通过频率相同,导叶后的脉动以低频为主,叶片表面从轮毂到轮缘压力脉动低频成分逐渐减少;在叶片工作面,压力脉动的幅值从轮缘到轮毂逐渐减小,从叶轮进口到出口逐渐增大.叶片进水边轮缘处压力脉动的幅值是轮毂处的1.22倍.在叶片背面,叶片进水边轮缘处压力脉动的幅值是轮毂处的1.77倍,出水边轮缘处压力脉动的幅值是轮毂处的0.92倍,叶片背面的压力脉动幅值明显小于工作面;叶轮进口截面,在0.8Q工况流量下压力脉动最大,为设计工况的2倍.计算结果为进一步分析轴流泵压力脉动提供了参考.     

轴流泵内部压力脉动数值预测及分析

基于RANS方程和RNG k-ε模型,采用Ansys-CFX软件对轴流泵泵段进行了多工况三维非定常数值模拟,得到了不同工况下轴流泵内部不同监测点的水流压力脉动值,分析了轴流泵内部不同监测点水流压力脉动的变化趋势,并预测了叶轮进口前由于叶轮转动引起的压力脉动影响范围.通过与实测扬程和效率比较,表明了数值模拟方法的可行性及可靠性.研究结果表明:轴流泵内部压力脉动频率主要受叶轮转动频率控制,较大压力脉动发生在叶轮进口前;叶轮进口处压力脉动从轮毂到轮缘逐渐增大,叶轮出口处压力脉动从轮毂到轮缘先减小后增大,导叶后压力脉动从轮毂到轮缘先增大后减小;小流量工况及大流量工况下压力脉动幅值较最优工况大;受叶轮转动影响,叶轮进口前压力脉动影响至叶轮中心前0.7D左右.     

轴流泵马鞍区内流特性分析

为了分析轴流泵在马鞍区工况的内部流动特性,对比转速为822轴流泵的内流场进行数值模拟和分析,并对外特性进行试验测试。研究结果表明:扬程模拟值与实验值误差均在1%以内,效率模拟值与实验值误差均在2%以内;0.6Q_(BEP)工况叶片压力面静压力分布不均匀,较最优工况从叶片进口到出口静压力的压力梯度明显增大,在吸力面出现了较大面积的低压区,0.55Q_(BEP)工况叶片压力面靠近轮缘的高压区较0.6Q_(BEP)工况时明显增大,吸力面从叶片进口到出口静压力逐渐增大;最优工况下叶片压力面和吸力面涡量螺旋度Hn分布较均匀,马鞍区内叶片吸力面和压力面存在明显的旋涡集中区;马鞍区内叶轮进口靠近前缘侧出现回流,叶轮出口靠近轮毂处产生明显旋涡。     

睢宁县凌城泵站轴流泵装置模型试验

根据睢宁县凌城泵站更新改造要求,为检验该泵装置的水力性能,对凌城泵站立式轴流泵装置进行了模型试验研究。在高精度水力机械试验台上对该立式轴流泵装置进行了能量特性、汽蚀特性和飞逸特性的物理模型试验,以获取该泵装置的综合特性。试验结果表明,该立式轴流泵装置水力性能十分优异,在叶片安放角+2°时立式轴流泵装置最高效率达80.2%,此时泵装置的流量为383.29 L/s,扬程为5.303 m。在净扬程为2.80~7.40 m时,该轴流泵的汽蚀性能均可满足实际运行的要求。该泵装置的单位飞逸转速随叶片角度增大而减小,在叶片角度为-4°,最高净扬程为7.40m时,最大飞逸转速为额定转速1.91倍。     

超大流量轴流潜水泵叶轮设计与优化

基于升力法对超大流量轴流潜水电泵叶轮进行水力设计,采用计算流体动力学方法对超大流量轴流潜水电泵装置进行全流道数值模拟和性能预测,并对该水力模型进行优化,同时通过试验对计算结果进行验证.分析结果表明：原设计模型在叶轮压力面进口处存在较明显的局部高压区,吸力面进口附近存在明显低压带和局部高涡量区域,消耗较大的能量,是导致叶轮效率低的主要原因之一;通过调整叶片进口角度和叶轮转速2个参数进行模型优化设计,优化后模型叶片压力面的静压分布较均匀,吸力面低压区域相对较小且涡量分布均匀;优化设计明显改善了叶片表面的压力分布和空化性能,同时提高了机组的水力效率;优化后的水力模型性能预测结果与实验结果吻合较好,数值预测结果能够较为准确地反映轴流泵系统的水力性能.研究结果为该类泵水力模型优化和性能改进提供了参考.     

双吸式离心泵叶片头部形状对泥沙磨损的影响

为了提高离心泵的抗磨蚀能力,采用欧拉-拉格朗日多相流模型模拟了水泵内水沙两相流运动,并利用离散相冲击磨损模型,对4种不同叶片头部形状下的叶片泥沙磨损情况进行了分析.结果表明:叶片上发生严重磨损的区域主要分布在叶片的头部和尾部,其中吸力面的平均磨损强度高于压力面;叶片磨损强度受相对流速分布和冲击角的影响,改变叶片的头部形式可改变叶片的泥沙磨损强度;缩短叶片头部外缘一侧的长度,可以使叶片头部的相对流速分布更均匀,改善叶片头部和尾部的集中磨损,但会降低水泵扬程;缩短叶片头部外缘一侧的长度,同时增大内缘一侧的相对液流角,可以有效改善叶片表面的泥沙磨损,并使水泵扬程略有提高.     

潜水轴流泵内部固液两相流动的数值模拟

为分析潜水轴流泵流道内部固液两相流动特征,采用Mixture多相流模型,RNG k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,应用Fluent软件对一污水处理厂用潜水轴流泵中固液两相流动进行了数值计算.并与清水单相流数值计算结果进行了对比,揭示了不同颗粒固相体积分布和颗粒直径条件下潜水轴流泵流道内的固液两相流动规律.结果表明：在叶轮流道内,固体颗粒主要分布于叶轮压力面上,而在叶轮吸力面的分布较少;在叶片压力面上,固体颗粒主要集中于叶片进口处和靠近轮毂处;当颗粒固相体积分布不变时,随着粒径的增大,会出现颗粒由压力面向背面迁移的趋势,而在背面会向出口处迁移;当粒径不变时,随着颗粒固相体积分布的增大,在叶片压力面上颗粒逐渐向进口和轮毂处靠拢,而在叶片吸力面上颗粒不断向着出口及靠近轮毂处迁移.     

基于流固耦合的灯泡贯流泵叶轮强度分析

采用RNG k-ε湍流模型及SIMPLEC算法,对灯泡贯流泵装置内部三维流场进行全流道湍流数值模拟.采用顺序耦合方法,应用ANSYS Workbench软件,对叶轮进行结构静应力数值分析,并通过试验进行对比验证.结果表明：通过数值模拟与原型泵试验得到两者外特性曲线的变化趋势大致相同;工作面静压整体上较背面高,叶片背面进水边靠近轮缘位置出现局部低压,易发生空化;叶轮强度主要受离心力和流体压力的影响,且两者共同作用下的最大等效应力和最大总位移远小于两者单独作用的值;叶轮最大等效应力随流量的增大而增大,最大总位移随流量增大呈先减小后增大的趋势,最大等效应力出现在叶片出水边与轮毂交接处,叶轮变形的总位移随叶轮半径的增大而增大,最大变形量出现在叶片出水边靠近轮缘位置;强度校核结果表明,叶轮强度符合要求.计算结果可为灯泡贯流泵的应力特性分析提供参考.     

卧式轴流泵空化特性的数值分析

轴流泵内部的空化现象是影响叶轮能量转换,导致轴流泵扬程、效率等性能下降的重要原因.为了研究轴流泵内部的空化现象,以轴流泵TZX-700为研究对象,该型号轴流泵相较于一般的轴流泵无后置导叶.为了验证数值计算结果的准确性,对该卧式轴流泵分别进行了试验研究和数值模拟,试验曲线和数值计算曲线基本吻合.在设计工况和小流量工况下进行全流道数值模拟,对其空化特性曲线、叶片吸力面和压力面的静压分布以及空化体积分数分布进行分析.结果表明:当进口压力为101.325 kPa时,在叶片的吸力面就已经发生空化;在叶片压力面,当有效空化余量NPSH_a下降到临界空化余量NPSH_cr=7.79 m时,靠近进口边的叶顶处开始产生少量的空泡;随着NPSH_a的下降,叶片表面的空化区域进一步增加,对叶轮内的流场产生明显的影响,导致扬程急剧下降;在同一轴流泵进口压力下,小流量工况下叶片表面的空化区域相较于设计流量工况进一步扩大,由靠近轮缘的进口边向出口边和叶根处发展,空化现象更为严重.     

混输泵小流量工况的空化特性

为改善混输泵在小流量工况下的水力性能,采用基于均相流假设的多相流模型和Rayleigh-Plesset方程,应用标准k-ε湍流模型,对混输泵小流量工况全流道空化流场进行数值模拟,分析几种典型空化工况下混输泵的输运性能以及在不同工况下叶轮内部空泡的分布规律,最后根据模拟结果预测混输泵的能量特性并与试验结果作对比分析,从而在一定程度上验证了数值模拟的可靠性.研究结果表明:在小流量工况下,叶片进口绕流和动静干涉对叶轮内的流动分离产生较大的影响,同时旋涡形成的低压区会加剧进口空化、降低泵的混输性能;从初生到深度空化发展过程中,空化首先发生在叶片进口和靠近中间位置,在叶片背面进口的空化程度较严重,越靠近轮毂空化程度越严重,甚至阻塞流动,加剧叶轮内相态分离.该研究结果为混输泵的进一步优化设计、性能改善及实验研究提供理论依据.     

基于流固耦合的轴流泵叶片应力特性

为计算轴流泵叶片的应力及变形情况,在Workbench平台上,采用Ansys和CFX软件对轴流泵内部流场和叶轮结构响应进行双向顺序流固耦合联合求解,其中流场计算基于RANS方程,采用RNG k-ε双方程湍流模型,结构计算采用弹性体结构动力学方程.对叶轮叶片在流固耦合作用下的变形和应力分布进行了计算,分析了流固耦合作用对轴流泵扬程和效率的影响.计算结果表明:在流固耦合作用下轴流泵叶片的最大位移发生在叶片进水边轮缘处,叶片出水边及根部位移较小;叶片根部与轮毂接触处靠近进水边一侧存在明显的应力集中现象;叶片的应力和变形均随轴流泵流量的增大而逐渐减小;与不考虑流固耦合作用相比,考虑流固耦合作用的数值计算得到的轴流泵扬程和效率均有所下降,但下降幅度较小.     

基于CFD的混流泵空化特性研究

应用剪切应力输运(SST)湍流模型和基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型,求解雷诺时均Navier-Stokes方程,对某混流泵在设计工况时的流场进行数值模拟.根据计算结果获取了泵的扬程衰减曲线,捕捉到泵内空化的发生、发展过程,对轻微空化、临界空化和严重空化3种工况下叶轮内空泡体积分布特性做对比分析.模拟结果表明:该泵空化性能满足设计要求;叶轮内空泡最初发生在叶片吸力面进水边靠近轮缘处,该空泡区随汽蚀余量降低逐渐向轮毂方向和叶轮出口方向延伸;轮缘空泡初生于叶片进水边,沿着叶缘翼型逐渐发展成一条长带;轮毂空泡集中于叶根翼型尾部,轮毂空泡体积分数明显大于轮缘;叶片各通道间空泡分布相似,严重空化时空泡造成叶片通道严重阻塞致使泵扬程急剧下降.     

双蜗壳离心泵空化流动对隔舌处压力脉动特性的影响

应用数值计算方法分析了双蜗壳离心泵内空化流动影响隔舌部位压力脉动特性情况,以进一步明晰空化流动诱导泵振动噪声机理.采用SST k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对设计工况下的泵内空化流动和无空化流动进行了非定常数值模拟,数值模拟结果表明:SST k-ω湍流模型能准确预测双蜗壳离心泵的能量特性指标;泵内空化的空泡初始产生于叶轮叶片进口吸力面根部,随着装置空化余量的降低,空泡云沿着叶轮叶片吸力面向叶片出口和前盖板方向发展,叶轮内部空泡的发展并不均匀,加剧了叶轮内部流动的不稳定性.对比叶轮旋转一周在空化和无空化流动状态下发现,2个隔舌处各个监测点的压力脉动具有明显周期性,在无空化状态下,隔板进口处监测点的压力脉动主频为2倍叶频,其他监测点压力脉动主频均为叶频;空化状态下2个隔舌处各个监测点的压力脉动主频均为叶频,压力脉动幅值明显增大.     

大型潜水贯流泵装置叶片区压力脉动试验

为研究潜水贯流泵装置叶片区压力脉动特性,采用动态压力传感器在模型泵装置叶片前缘、中部和尾缘附近设置3个压力监测点,对多个工况的压力脉动进行测量。试验结果表明,不同流量工况下,叶频及叶频倍数是叶片区压力脉动的主要频率,在大流量工况下,叶片前缘和尾缘处主频为两倍叶频,叶片中部为叶频,其余工况下各监测点主频均为叶频。空化对叶片前缘压力脉动影响较为复杂,大流量工况下临界空化时主频由两倍叶频变为一倍叶频,达到深度空化时主频幅值明显减小,设计流量工况下空化使得谐波频率上升,频域分布更广,小流量工况下主频幅值随空化的发展呈上升趋势。叶片中部和尾缘主频幅值表现出随空化发展增大趋势。相同流量工况下,压力脉动强度从叶片中部、尾缘到前缘总体上呈减小趋势,且叶片区各监测点压力脉动强度随流量增加总体呈下降趋势。