五级离心泵叶轮径向不平衡力

为探讨多级离心泵在侧向来流及高速旋转下叶轮之间的影响,针对某5级离心泵展开研究.基于标准k-ε紊流模型、雷诺时均N-S方程和Frozen交界面模型,运用大型商用CFD软件对1台5级离心泵装置进行了三维流动数值模拟研究.计算结果表明:同流量工况下除首级叶轮外随着叶轮级数的增加,叶轮室进口断面的涡量、径向不平衡力也随之增大,增幅变小;不同工况下随着流量的增大,各级叶轮进口涡量相应增大,叶轮径向不平衡力减小;侧向进水的吸入段影响了首级叶轮及后面各级叶轮的速度分布,进而影响到叶轮通道内部的压力分布,最终引起多级离心泵各通道内流场不对称,进一步引起各叶轮的受力不均;后面叶轮各叶片表面的压力分布之间差别大于前面叶轮叶片,这是径向不平衡力分布差异的主要原因.对比数值计算和试验结果,计算结果整体偏大,在设计工况下比小流量工况吻合要好,扬程误差最小值1.78%出现在设计工况下,最大值7.17%出现在小流量工况下.计算结果能为多级离心泵的设计与装配提供较好的指导意义.     

深井离心泵数值模拟与试验

以150QJ20型深井泵为例,利用CFD软件Fluent快速准确地预测深井离心泵的性能,分别用不同网格数、不同残差收敛精度、不同湍流模型、不同流场计算方法进行了数值模拟,分析了不同设置方法对数值模拟结果的影响;对不同级数深井离心泵模型的数值模拟结果进行了讨论。在此基础上,选择出适合深井离心泵的数值模拟设置方法。将数值模拟结果与试验结果对比,分析了两者的差异,表明了利用Fluent软件预测深井离心泵性能的可行性。     

障碍物布置位置对离心泵空化性能影响

为了研究离心泵叶片上的障碍物布置位置对离心泵空化性能的影响,将半球形障碍物布置在离心泵叶片工作面和背面的不同位置.选用Zwart空化模型和SST k-ω湍流模型,对不同位置布置障碍物的离心泵模型进行数值模拟,探究障碍物不同的布置位置对离心泵空化的抑制效果.结果表明,在叶片工作面进口1/3位置处布置障碍物对离心泵的空化性能提高最为明显.在叶片工作面进口1/3位置处布置半球形障碍物时,离心泵扬程升高1.14%,扬程下降3%的点迟于原始泵的程度最大;较其他位置,在该位置布置障碍物可显著降低叶轮内部的空泡体积分数,空化严重的时候效果更加明显,在空化数为0.166时,空泡体积分数较原始泵下降69.7%.所选方案能够减小叶轮进口处低压区域,使叶轮进口处较不易发生空化.     

叶片进口边位置对离心泵性能的影响

为了研究叶片进口边位置对离心泵外特性能、内流场的影响规律,在原型泵的基础上,设计了叶片进口边位置不同的5种叶轮,基于SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,分别对5种叶轮的离心泵在清水和含沙水介质下进行三维全流道定常数值计算.结果表明:针对低比转数离心泵,叶片进口排挤严重,使叶片进口边向出口方向延伸可以使叶片进口处的流动更加均匀,液流的流动速度减小,叶片表面的压力变大,从而改善空化性能;在一定范围内变动叶片的进口边位置对离心泵的扬程、效率影响不大,但是当叶片的进口边位置向出口方向延伸过多会导致叶片对液流的做功能力下降,从而使离心泵的扬程明显下降;当离心泵在相同工况下运行时,离心泵进口沙粒含量的增大会使离心泵的扬程、效率降低,且会使流道内空化核的数量增大,从而导致空化性能变差.     

离心泵小流量工况下的内部流动特性

为研究离心泵在小流量工况运行下性能及其内部流动特性,以型号为IS160-50-65的离心泵为研究对象,采用商用化软件Ansys CFX 12.0对模型离心泵的叶轮进口、叶轮流道以及蜗壳流道组成的全流场进行定常数值计算.同时,为了提高数值计算的准确性,考虑采用3种不同的网格数对模型离心泵的扬程进行网格无关性分析.且从离心泵的外特性及其内部流场分析了不同小流量工况下离心泵性能的变化规律.研究结果表明:与试验结果相比,设计工况下,扬程预测偏差为1.47%,效率预测偏差为3.61%;且随着流量降低,计算扬程的偏差值呈一定的下降趋势,计算效率的偏差值逐渐增大.另外,在设计工况下,离心泵的内部流动比较均匀;而在小流量工况下,离心泵进口管道及叶轮流道均出现回流现象,而回流引起的旋涡流有时甚至会堵塞叶轮流道;在极小流量Q/Q_d=0.2时,回流区域已延伸至全部的进水管路中.     

多级离心泵叶轮与导叶的匹配特性

基于CFX软件,采用k-ε模型对某一立式三级离心泵全流场进行数值模拟,并进行试验验证,表明在设计工况下数值计算结果与试验结果吻合较好,但泵内流场分析发现,叶轮-导叶间隙及导叶内的流动损失较大.为了减少流动损失,提高多级离心泵叶轮与导叶之间的匹配特性,分别重新设计4种采用不同进口结构形式的导叶.在设计工况下对4种不同进口的导叶模型进行定常数值计算,并对水力性能、内部流动规律及叶片表面压力分布规律进行分析.结果表明:导叶进口采用扩散结构,与叶轮出口边相平行的模型水力性能最好;导叶进口采取扭曲结构时,能够提高叶轮扬程,但也会增大导叶与叶轮间隙的流动损失,并导致导叶进口压力不稳定;当导叶进口与叶轮出口平行时,可以减小导叶内的流动损失,提高导叶的水力性能;当导叶进口与轴线平行时,可以弱化叶轮与导叶之间的干涉作用,提高叶轮的水力性能,但会增大叶轮与导叶间隙处产生的流动损失.     

多级离心泵水力性能数值预测涡量分析法

为了研究利用CFD技术预测多级离心泵水力性能的方法,选取某一多级离心泵为研究对象.采用数值模拟方法获得了多级离心泵内部全流场信息.分别选取多级离心泵单级、二级、三级的三维模型进行全流场数值模拟,获得了3种三维模型各水力部件内部的的水力损失,通过对计算结果分析发现,多级离心泵内部各级水力损失大小基本类似,不随级数的不同而改变,这为通过对少级数的数值模拟以预测更多级数的泵性能提供了依据.通过对多级离心泵内部流场各级能量损失进行分析,分析各级能量损失特征及其流动特点,发现各级涡量分布基本一致,损失特性相同,只在最后一级导叶内部的涡结构有一定的区别.采用能量分析结合多级泵内部流场涡动力学分析方法建立了多级离心泵性能数值预测的计算方法,并建立了多级离心泵性能预测基于少级数模型数值分析的计算公式.     

叶片出口角对离心泵性能的影响及滑移系数修正

为研究不同叶片出口角对两级离心泵性能的影响,以25-150/2-30/N型两级矿用潜水离心泵为研究对象,采用计算流体动力学软件CFX,基于N-S方程和SIMPLE算法,选用标准k-ε湍流模型,对4组不同叶片出口角下两级离心泵进行定常数值模拟.模拟得到不同叶片出口角下两级离心泵性能曲线,并对扬程、效率及功率进行对比分析,同时分析泵内部流场的压力和速度分布规律.结果表明:叶片出口角对离心泵性能有明显影响,随着叶片出口角增大,扬程逐渐上升,轴功率则在大流量区趋于平稳;内部流场中,叶轮进口低压区面积扩大,出口高压区面积缩小;叶片压力面低速区增大,叶轮流道靠近叶片压力面处出现旋涡.同时,应用数理统计和回归分析,以不同叶片出口角下离心泵的理论扬程为依据,对斯托达拉滑移公式进行修正.     

平衡孔直径对离心泵叶轮进口流态的影响

为研究平衡孔直径对离心泵叶轮进口流态的影响,在降速后的IS80-50-315型离心泵上,用平衡孔直径d分别为0,4,6,8,10 mm的同一个叶轮,对离心泵的扬程、效率和轴功率进行预测,研究泵在设计工况、不同平衡孔直径时叶轮进口处速度矢量和压力的分布情况,并监测叶轮进口处的压力脉动特性.结果表明:加大叶轮平衡孔直径,泵的扬程与效率下降、轴功率提高,且在小流量工况下泵扬程变化更为明显;随着平衡孔直径的增大,平衡孔内液体流速减小,对叶轮进口流体的冲击作用逐渐减弱,叶轮进口处压力变得均匀,在一定程度上改善了泵的抗汽蚀性能;随着平衡孔直径的增大,叶轮进口主流区的压力脉动幅值减小,在一定程度上稳定了压力脉动幅值的变化,改善了其不稳定特性;平衡孔直径增大时,叶轮进口区平均静压变化逐渐稳定.研究成果为离心泵叶轮平衡孔直径的选择提供了参考.     

对旋轴流式喷水推进泵压力脉动的数值计算

为了解喷水推进泵内部压力脉动特性,以对旋轴流式喷水推进泵为研究对象,应用计算流体动力学(CFD)方法,采用雷诺时均法并引入SST k-ω湍流模型使方程封闭,对对旋轴流式喷水推进泵进行设计工况下非定常数值模拟.经网格无关性检验后,计算得到的推进泵功率与扬程与设计值基本一致.在首级叶轮进口处,首、次级叶轮轮缘间隙处,轴向间隙及导叶进口处设置监测点,监测不同位置的压力脉动数据.得到各监测点的时域图和频域图并对各监测点压力脉动特性进行了对比分析.结果表明:对旋轴流式喷水推进泵内压力脉动主要受叶频的影响,首级叶轮和次级叶轮轮缘间隙处的压力脉动不仅与首、次级叶轮的叶片数有关,还与喷水推进泵叶轮数量有关;受两级叶轮反向旋转的影响,轴线方向上首级叶轮与次级叶轮之间轴向间隙处的压力脉动幅值最大, 轴向间隙的压力受到首级叶轮和次级叶轮的共同影响;次级叶轮出口与导叶进口处压力脉动主要受到导叶回流的影响.     

粗糙度对离心泵空化过程的影响

为研究壁面粗糙度对离心泵空化过程的影响,利用雷诺时均N-S方程和RNG k-ε两方程,采用Zwart空化模型且不考虑水中溶解性气体对空化的影响,应用ANSYS CFX软件对设计流量工况下离心泵全流道气液两相湍流进行定常数值模拟,分析离心泵内部发生空化时,叶片壁面粗糙度对泵的外特性参数和内部流态的影响.计算结果表明:增大粗糙度将导致离心泵扬程、效率降低以及轴功率增大;泵处在临界空化及局部空化状态时,粗糙度对泵性能参数的影响程度大于泵处在空化初生及重空化状态下的影响程度;壁面粗糙度对湍流发展的影响规律与其对空化进程的影响作用具有相似性;当进口压力为81.06 kPa和101.33 kPa时,减小壁面粗糙度对改善离心泵性能有更显著的效果.     

低比转数离心泵驼峰工况附近内部流动特性分析

为了揭示驼峰的产生机理,采用CFD数值预报对低比转数离心泵驼峰工况附近内部流动特性进行了深入分析,建立了扬程与内部流动特性之间的关系.在0.1~1.6倍设计流量下扬程的模拟值与试验值的相对误差在3.62%以内,且预报驼峰所在工况与实测结果基本一致.对驼峰附近工况0.2,0.3,0.4倍设计流量下的内部流动进行了分析,预报结果表明:泵进口管道存在大量回流,造成叶轮进口预旋,诱发驼峰;各叶轮流道内均存在不同程度大小的旋涡,在0.2和0.3倍工况甚至堵塞了整个流道;存在旋涡的叶轮流道出口相对速度值较大,而绝对速度值较小.结合泵基本方程进一步分析,发现出口相对流速的增大使得扬程降低,引发驼峰.对比叶轮出口R/R₂=0.9处绝对速度,小流量下波动更加严重,且其圆周分量下降非常明显,直接降低了这些工况下的扬程值;叶轮进口的预旋及出口回流是诱发驼峰的原因,消除或者减小这些非稳态现象可作为抑制驼峰的出发点.     

折边对旋流泵性能影响的数值计算与试验

为提高旋流泵的扬程和效率,进行了折边对旋流泵性能影响的数值模拟与试验研究.通过对3种具有不同折边大小的叶片的水力性能进行对比,分析折边对旋流泵性能的影响.采用Pro/E造型和非结构化网格,把旋流泵无叶腔和叶轮作为一个整体来模拟旋流泵内部三维不可压湍流场.数值模拟计算选取工作介质为清水.计算结果表明,旋流泵内部存在较强的纵向旋涡和轴向旋涡,折边可以改善旋流泵内部流动情况,限制径向转为轴向的循环流动;通过对比试验讨论了折边对旋流泵性能的影响,试验结果表明,扬程提高3.64 m,效率提高近7.0%,折边能够减小水力损失,提高旋流泵的扬程和效率.     

基于正交试验的多级井用潜水泵叶轮出口与导叶进口参数匹配研究

为提高多级井用潜水泵的效率,同时保证泵的扬程,以200QJ50-65型5级井用潜水泵为例,按照L9(34)正交表,选取了叶轮出口边斜度、叶轮出口边与导叶进口边间隙、导叶进口边宽度3个因素,每个因素取3个水平,组合出9组方案.采用CFD数值模拟对多级井用潜水泵的前两级进行了全流场数值模拟,获得了9组方案在额定工况下的效率...     

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.     

轴流泵内部流动数值模拟及PIV试验

为了研究轴流泵内部流动数值模拟中不同湍流模型的适用性,分别采用standard k-ε模型、RNG k-ε模型、SST k-ω模型以及大涡模拟(LES)方法,基于结构化网格与网格滑移技术,对叶轮直径为200 mm、名义比转数n_s为700的模型轴流泵进行了性能预测和全流场数值模拟;计算了水泵的扬程和效率,并与在水泵试验台上测试得到的外特性结果进行了对比和分析.结果表明,在最优工况附近,standard k-ε模型、RNG k-ε模型和SST k-ε模型都能较精确地预测轴流泵的外特性,基于RNG k-ε湍流模型的扬程和效率误差相对较小;在非设计工况下,不同湍流模型具有不同的特性.在0.8Q_opt,1.0Q_opt和1.2Q_opt工况下,针对叶轮与导叶间的轴向间隙处进行了PIV内部流场测试;将各个湍流模型下的数值模拟结果与PIV的测量结果进行比较,发现基于雷诺时均方程的3种湍流模型的内流场流线与PIV的测量结果进行比较,发现基于雷诺时均方程的3种湍流模型的内流场流线与PIV的试验结果具有基本相同的趋势性,从而证明了数值模拟计算的可靠性和有效性;而采用LES计算得到的流场与PIV测量结果产生一定的偏差.同时,对轴流泵在不同流量工况下内流场的流动结构进行了分析.     

导叶参数对混流泵水阻系数及效率的影响

以某混流泵为研究对象,基于Fluent软件,建立相对坐标系下的时均连续方程及N-S方程,并采用RNG k-ε湍流模型、非结构四面体网格和SIMPLEC算法对该混流泵内部三维流动进行数值模拟,在分析网格无关性的基础上,研究叶轮叶片和导叶叶片的静压及绝对速度分布规律,并对在不同的导叶数和不同导叶进口安放角下分别模拟了其在静态时的水阻系数和动态时的性能参数,发现在其他参数不变只改变导叶数时,导叶数为3时该混流泵水阻系数最低,导叶数为9时扬程和效率最高;在设计工况下其他参数保持不变只改变导叶进口安放角,冲角为0°时该混流泵的水阻系数最低,扬程和效率最高,但总体变化不明显.结果表明：在特殊应用环境下、为保证设计所要求效率的情况下,导叶数应尽量少;在设计混流泵的空间导叶时,导叶进口安放角在5°左右的范围内改变,混流泵的性能无明显变化.     

叶轮口环间隙对井用潜水泵性能的影响

井用潜水泵的口环间隙大小对泵性能及流场具有较大影响,基于200QJ80-22井用潜水泵,通过CFD软件对泵全流场进行了数值计算,并与试验结果进行对比分析,研究了不同口环间隙大小对泵外特性和内部流场的影响.数值模拟结果表明,整泵的扬程和效率都随着间隙值的增大而减小,特别是口环间隙值增大到0.70 mm,减小更为明显,但功率变化较小.当间隙值达到1.00 mm时,效率从最高点的77.2%减小为68.7%,同时扬程也随之减小了约3.5 m.口环间隙为0.20 mm时,第一,二级叶轮前盖板腔体内以及叶轮出口与前盖板区域间产生回流,泄漏量较小,对叶轮进口流动和流场影响也较小,当口环间隙值增大至0.50 mm时,第一,二级叶轮前盖板腔体内以及叶轮出口与前盖板区域间回流逐渐消失,但更大的泄漏量冲击叶轮进口处,使叶轮进口过流面积减小,严重影响了泵的水力性能.