离心泵泵腔内流动特征的数值分

为了分析离心泵在设计工况运行时叶轮盖板两侧泵腔内流场结构的特点,采用RNG kε湍流模型和多重参考系下的雷诺时均NS方程,对由叶轮通道、蜗室、泵腔和密封环间隙组成的计算域进行定常数值模拟.计算结果与试验结果吻合良好,证明了数值计算方法具有较高的可靠性.流场分析结果表明,泵腔内的流场分布具有非轴对称性,其流场结构比由转子定子组成的封闭壳体内的流场结构复杂得多,但二者的速度场沿轴向的变化规律相似.     

离心泵泵腔内液体流动数学模型研究

在建立泵腔内流体流动的4层流动模型基础上，计算了不同雷诺数、泄漏量条件下泵腔内液体的圆周速度、径向速度及压力沿径向的分布规律。结果表明：泵腔内液体大部分以叶轮旋转角速度的48％作刚体旋转运动，而不是普遍认为的50％；泵腔内压力系数仅是腔体内液体雷诺数的函数，和泄漏量关系不大；雷诺数越小，泵腔内压力梯度沿径向越大；在泵腔内存在雷诺数和泄漏量的最优搭配。     

离心泵空化流动数值计算

为了研究离心泵内部复杂的三维空化特性,采用改进的空化模型和湍流模型中的Standard k-ε模型和修正的RNG k-ε模型,对离心泵内部有、无空化流动进行了计算和分析,得到了设计工况下初生空化、发展空化和严重空化时叶片吸力面和压力面上的压力,并与无空化做了对比,提出了空化初生判定准则,系统划定了离心泵的空化区域。结果表明,随着进口压力的降低,空泡首先出现在叶片进口的吸力面,然后沿着叶片型线运动,形成附着空泡,进而空泡尾迹脱离主流,偏向压力面,堵塞部分流道,最终占据全部流道,使液流断裂;设计工况下初生空化数(σ=0.306 7)和严重空化数(σ=0.028 1)相差一个数量级;从叶轮子午面上看,空泡首先在靠近后盖板处出现,逐步向前盖板运动,并附着在前盖板圆弧附近;离心泵空化细分为初生空化、临界空化、发展空化、完全空化、断裂空化5个空化过程。     

诱导轮离心泵空化条件下扬程下降分析

以空化条件下离心泵的扬程下降为切入点,基于RNGk -ε湍流方程和Rayleigh-Plesset空化模型研究带诱导轮的离心泵空化流动,获得了空化条件下离心泵流道的空泡分布及扬程下降规律,分析结果表明,空泡发展至诱导轮的喉部时,扬程开始下降;随着压力的降低,空泡首先出现在叶轮进口,并逐步发展至整个流道,进而影响离心泵的内部流动及能量转换;空化同时会引起局部流道的压增现象,压增的位置随空化强度的增大向下游流道移动.验证了诱导轮可以改善泵的空化性能,它能抑制空泡在主叶轮内的扩散,使空化仅造成主叶轮叶片进口处压力的缓慢下降,而主叶轮的扬程并未明显下降.     

离心泵内部空化流动的数值预测

为了研究离心泵内的空化流动,将完整空化模型和混合流体两相流模型相结合,对比转速为95的离心泵叶轮在设计工况下的空化流动进行数值模拟.介绍了空化流动的模拟方法,通过计算获得了叶片表面压力分布,并得出了该离心泵的有效空化余量一扬程落差特性曲线,有效地预测了流道内空蚀发生的部位和发展情况.结果证明,叶轮内空化区域的增长使离心泵的扬程下降,影响到泵的运转特性;当泵内发生少量空泡时,不会影响到外特性的变化,而当空泡大量发生时,会堵塞流道,使液流连续性破坏,性能下降,这与理论结果基本吻合,计算值与规定值的误差在5%以内.数值模拟计算方法较好地模拟了离心泵内的空化两相流的静态特征.     

大型离心泵空化性能与驼峰不稳定特性相关性分析

空化现象和驼峰不稳定特性是影响离心泵机组安全稳定运行的主要因素。基于某大型离心泵两种叶轮方案的数值计算和模型试验结果对空化性能和驼峰不稳定特性进行比较分析,以探究两者之间的相关性,同时,分析了驼峰产生机理及空化性能在其中发挥的作用。数值结果表明,由于空化特性的影响,在数值计算结果中离心泵H-Q性能曲线上出现了驼峰不稳定现象。此外,在小流量区域叶片表面压力分布均匀,最低压力分布合理的空化性能优异叶轮,其驼峰不稳定特性得到显著改善。模型试验结果表明,在泵站正常运行条件下,提升小流量区域装置空化系数与初生空化系数的比值,在叶轮空化性能提升时驼峰裕度增加。研究结果表明,离心泵空化性能与驼峰不稳定特性存在正向相关关系,小流量区域叶轮空化性能提升后可以降低空化现象的发生程度,叶轮流道内部流态改善,整体水力效率提高,相应的驼峰不稳定特性得到提升。研究成果将对大型离心泵机组安全稳定运行提供设计参考。     

离心泵叶片开槽抑制空化数值模拟

为了进一步提高低比转数离心泵的空化性能,提出在叶片压力面开槽的方法来抑制空化。针对离心泵运行过程中产生空化的流动特点,基于Kubota空化模型,采用SST k-ω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：叶片表面开槽后,离心泵各个工况下的扬程有所上升,在设计点扬程提高12.8%,同时效率提高4.2%。叶片开槽可以有效阻止低压区域向外扩张,改变压力的分布,对离心泵内各个阶段空化均有抑制作用。叶片开槽可以优化流场结构,使流道内的压力增加,减小空泡的体积分数。叶片开槽时离心泵叶轮内空泡体积在空化的各个阶段均小于无槽时叶轮内空泡体积,在空化发展阶段,开槽时空泡体积持续衰减。     

射流泵空化流动的数值模拟

基于非稳态雷诺平均N—S方程方法（Urans）,对面积比为8．16的射流泵内不同空化阶段的非定常气液两相空化流动过程进行了数值模拟,包括射流泵内空化初生、空化发展及剧烈空化等不同过程的空化流动．捕捉到了气泡从射流边界层内初生,随着主流一起向下游流动、分裂、聚合、膨胀及消失的过程,模拟结果与试验观测一致．计算所得到的初生空化数也与试验值基本一致．模拟所得到的不同出口压力下的气相体积分数分布以及汽蚀流量比的变化表明：当射流泵工作压力与吸入压力固定时,射流泵出口压力越低,汽蚀流量比越小,同时流量比越接近汽蚀流量比,空化也越严重．     

分流叶片对离心泵空化性能影响的数值分析

为了研究分流叶片对离心泵空化性能的影响规律,以模型泵IS50-32-160为研究对象,设计了1种不带分流叶片与3种带分流叶片不同短叶片进口直径的叶轮,利用CFD对此离心泵的全流道进行了数值模拟,并对分流叶片离心泵在不同空化余量时泵的空化性能和叶轮内部流场分布进行分析研究.分析结果表明:添置分流叶片后,泵的扬程和效率均显著提高,但短叶片的长短对扬程和效率的影响不大;添置分流叶片后,泵的抗空化性能均有提高,且当离心泵短叶片进口直径为0.725D₂时,离心泵的抗空化性能相对较好,必须空化余量比其他2个带分流叶片方案减小了0.5 m;空化发生以后,叶轮出口射流速度会增加损失,同时叶轮内部速度的减小又会减少叶轮产生的动能,因而扬程会发生突降;带分流叶片的方案气泡分布情况比无分流叶片方案均有一定的改善,添置分流叶片后,气泡发展较为缓慢.     

余热排出泵叶轮内空化流动特性的数值分析

为研究余热排出泵叶轮内空化流动特性,基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型和剪切应力运输SST k-ω湍流模型,对余热排出泵水力样机叶轮内空化流动进行数值计算.根据计算结果获得了余热排出泵水力样机空化性能、设计流量工况不同装置空化余量条件下叶轮内空泡分布规律及其叶片表面载荷分布.研究结果表明:设计流量工况下,叶轮内空泡随着装置空化余量的降低逐渐呈不对称性分布,当装置空化余量低至2.63 m时,个别流道发生了堵塞.叶轮不同切面上的空泡分布不一样,切面越靠近后盖板,叶片吸力面上空化区面积越大,扬程发生突降之前,泵叶轮内空化表现为准静态空穴的特征.由于主流方向在叶轮进口处发生了急剧变化,使得叶片压力面靠近叶片进口边处上叶片载荷出现了先突然增大然后又迅速降低的变化规律.     

离心泵汽蚀非稳定流动特性数值模拟

为研究离心泵发生汽蚀时流道内部变化规律,通过三维软件Pro/E对离心泵内部流道进行三维造型,利用雷诺时均N-S方程和RNG k-ε两方程及SIMPLEC算法,采用全空化模型并考虑水中未溶解气体对空化的影响,应用计算流体力学软件CFX对离心泵全流道内的气液两相湍流进行了数值模拟计算,分析了离心泵内部发生汽蚀时的非定常流动的规律。结果表明:在汽蚀初生到临界汽蚀余量这一区间范围内,气体体积分数主要集中在无量纲径向位置为0.2附近的一段区间内。随着汽蚀余量的降低,气体体积分数的密度会相应地增加,受叶轮和蜗壳的耦合作用呈现不对称分布,在汽蚀初生时叶轮流道内压力波动呈正弦周期性变化。随着汽蚀余量的降低和气体分数的增加,叶轮流道内压力呈现不规则变化,压力脉动从隔舌处开始沿着叶轮旋转方向逐渐衰落。     

离心泵螺旋形压水室内流场的大涡模拟

用大涡模拟方法计算了离心泵螺旋形压水室内部非定常湍流。用具有二阶时间和空间精度的流线迎风有限元格式对滤波后的Navier-Stokes方程进行离散,用标准Smagorinsky模型作为亚格子尺度湍流模型。计算表明,按等速度矩法设计的压水室径向断面上存在较强的二次流,流动具有明显的非定常性。     

离心泵蜗壳内部非定常流动的数值模拟

采用双重时间步方法对一离心泵内部的液体非定常流动进行了数值研究。结果表明,叶轮叶道出口的“射流/尾迹”结构沿蜗壳流动方向而变化,蜗壳中部区域的尾迹中心约位于叶片吸力面之后叶道圆周长的10%处,蜗舌分水区尾迹中心大约在吸力面之后叶道圆周长的20%处。蜗壳中静压的波动主要受叶片蜗舌夹角影响,动压主要受“射流/尾迹”结构影响;流量大于设计流量时,静压在蜗壳内沿流动方向渐降,流量小于设计流量时,静压在蜗壳内沿流动方向渐升,随着流量从小到大变化,蜗舌舌尖上的滞止点从蜗舌外侧向蜗舌内侧移动。     

离心泵关死点内部流动数值模拟

采用非定常雷诺时均方法结合SST湍流模型,对一比转数为86.44的离心泵零流量工况下的内部流动进行了三维全流场数值模拟。基于数值模拟结果,预测了离心泵关死点扬程并与试验结果进行了比较,同时分析了关死点内部流动规律。研究结果表明,CFD预测的关死点平均扬程误差为4.7%;流道1的进口和出口各有一个旋转方向相反的漩涡,2个漩涡在一个周期内会各自发生不同的状态改变,且呈现明显的周期变化;蜗壳扩散段的绝对速度接近于零,流道1内叶片工作面的高速区面积先增加后减小;蜗壳内的静压分布变化明显,流道1的工作面出口处高压区面积随着叶轮的旋转不断减小;泵进口始终存在着6个大小不同的漩涡,且这6个漩涡基本堵塞了整个流道。     

离心泵内部动静干涉作用的数值模

采用压力边界条件对一单级单吸蜗壳式离心泵进行了三维非定常数值模拟计算,模拟过程中给定离心泵入口总压和出口静压,结合滑移网格技术,成功地捕捉了叶轮-蜗壳的动静干涉作用引起的非定常流动特性.计算结果表明,离心泵内流场周期性脉动明显,蜗壳内静压及叶片载荷分别以叶片旋转频率、叶轮旋转频率发生周期性变化.蜗壳几何形状的不对称性影响了动静干涉作用在离心泵内部的传播,引起了离心泵内流动沿周向分布不均匀现象.     

预旋调节对离心泵空化影响的试验与数值模拟

为探究前置导叶不同预旋角度对离心泵空化性能的影响规律,对带有自主设计前置导叶的IS 150-125-250型离心泵进行了空化性能试验,选用Zwart-Gerber-Belamri空化模型进行3D非稳态全流道空化流动数值模拟,结果表明:在一定的角度范围内,负预旋调节可以改善离心泵的空化性能,但超过某一角度后,空化性能将快速恶化;正预旋调节会恶化离心泵的空化性能,正预旋角度越大,恶化程度越明显。对不同预旋角度下叶轮内空泡率分布规律的分析发现,一定范围内的负预旋角会减小叶轮内空化区域,正预旋会增大叶轮内空化区域。     

低比转数离心泵叶轮内汽蚀两相流三维数值模拟

阐述低比转数离心泵叶轮内汽蚀两相流基本理论,采用两相流混合模型对叶轮内定常三维湍流汽蚀流场进行数值模拟。根据计算结果的液相和空泡相主要流动特征,分析汽蚀发生过程叶片上的静压分布,揭示叶轮内汽蚀两相流场的内在特性。     

离心泵叶轮内部三维紊流数值模拟与验证

基于N—S方程和标准的k-ε紊流模型,对一比转数ns=96的离心泵叶轮内部的流动情况进行了数值模拟,模拟软件对3个典型工况进行计算,得到了叶轮内的速度和压力分布,并和PIV实验结果比较,两者在总体上是一致的。     

低比转数离心泵内部非定常流动特性数值预测

为了深入研究低比转数离心泵在运行过程中内部的非定常不稳定流动现象的内在机理,采用CFD数值模拟的方法对模型泵内部三维湍流流场进行数值计算,并根据离心泵速度三角形推导了用来直观定量衡量流动非定常强度的时均非定常强度系数。通过分析该时均非定常强度系数在低比转数模型泵中的分布可知,叶轮叶片背面附近流场非定常性较强,且流体流经叶片后缘产生的尾迹现象同样随时间波动明显。蜗壳流道出口管及靠近叶轮出口处流动非定常性较强。