导叶式混流泵内部非定常流动特性数值模拟

为了研究不同流量工况对导叶式混流泵内部非定常流动特性的影响,基于ANSYS CFX软件并采用标准k-ε两方程模型对混流泵的外特性进行了数值预测,分析了流量工况对混流泵内压力分布、流线分布和湍动能的影响,探讨了不同流量工况下不同监测点的压力脉动时域和频域响应。研究结果表明,数值计算的外特性结果与试验测量结果趋势基本一致,最优工况点数值预测与试验测量的扬程和效率误差分别为3.29%和0.27%,数值计算的准确度较高。小流量工况下,叶片工作面与背面之间存在着较大的压力梯度,形成的轮缘泄漏流对主流产生较大干扰,同时受到动静干涉的影响,在叶轮出口和导叶流道内造成较大的能量损失和湍动能耗散;随着流量增加,轮缘泄漏流逐渐减少,动静干涉效应相对减弱,流场流动趋于平稳。不同流量工况下,各监测点压力脉动呈明显的周期性变化,一个旋转周期内压力脉动曲线有4个波峰和4个波谷,叶片通过频率始终占主导作用;流量对叶轮进口处和导叶中间处的压力脉动影响最明显,小流量工况下压力脉动系数的幅值变化最大;随着流量的增大,压力脉动频域幅值随之减小。本研究可为扩大混流泵的运行范围以及混流泵叶轮和导叶的优化设计提供参考依据。     

载荷分布对导叶式混流泵水力性能影响

基于三维反问题原理,分别针对导叶式混流泵叶片及导叶特征载荷分布,结合CFD数值模拟,以水力效率为目标参数,找出相对最优载荷匹配形式,将定常湍流计算结果作为非定常湍流计算的初始流场进行非定常数值计算.结果表明,当特征载荷位于叶道中间略偏向进口处时,水力效率最高,优化后的模型整体水力效率较原始模型提高了3.56%,导叶内部流动均匀性有所提高,叶轮出口处的射流-尾迹现象得到改善.非定常结果表明,叶轮进口处压力脉动幅值最大,对机组整体运行稳定性影响最大,通过反问题设计的模型在叶轮进口压力脉动幅值及导叶出口等处压力脉动幅值均有一定改善,有助于提高机组运行稳定性.     

旋转失速条件下离心泵叶轮压力脉动特性研究

离心泵发生旋转失速时,失速团周期性地生成和脱落往往会诱发低频压力脉动,严重影响水泵的安全稳定运行。为研究离心泵旋转失速对压力脉动的影响,采用动态混合非线性SGS模型对一离心泵叶轮进行了大涡模拟,得到了叶轮内部流场和叶片上的压力脉动特性。对不同旋转时刻的内部流动进行分析,可以看到旋转失速团产生于叶片吸力面头部附近,沿圆周方向向叶片压力面运动,并逐渐衰减。对叶片上的压力脉动进行分析,发现当旋转失速发生以后,叶片上的压力脉动幅值远大于非失速工况。失速团对叶轮中的压力脉动有很大影响,叶片上的压力脉动频率以失速频率为主;叶片吸力面头部压力脉动幅值最大,并沿着水流方向,叶片上的压力脉动幅值依次减小。随着流量进一步减小,叶轮进入深失速工况,压力脉动主频幅值有所降低,而失速频率逐渐增大。     

可调导叶式混流泵主要设计要素的确定

对叶片可调导叶式混流泵主要设计要素的确定方法进行了理论研究,应用该理论设计了比转数为 600混流泵的水力模型,试验结果表明,泵的性能达到了设计要求。     

带导叶离心泵内部旋转失速研究进展

带导叶离心泵的旋转失速现象严重制约了产品的安全性和稳定性.旋转失速随其传播方向不同主要分为正向旋转失速和反向旋转失速.研究表明,带导叶离心泵在小流量工况下易在叶轮进口处发生正向旋转失速,在近设计流量工况时则易在导叶流道内发生反向旋转失速,这2种失速都对泵的性能曲线产生较为明显的影响.目前国内外对带导叶离心泵的旋转失速的主要研究方法是CFD分析、PIV技术及压力脉动试验相结合,通过对泵内部流动结构变化和压力波动的频域及时频域分析以获得旋转失速的主要特征,包括失速频率、失速核的个数及传播速度等.但是失速团是怎样发生、发展的等问题都没有得到很好地解答,针对这些问题,还需要进一步试验和理论研究.     

导叶式混流泵汽蚀振动噪声试验研究

混流泵汽蚀的产生将导致性能的下降,同时伴随着较大的振动和噪声.为分析导叶式混流泵的振动噪声特性并对汽蚀进行诊断预测,通过安装在导叶式混流泵机体不同监测点的加速度传感器以及泵入口段的水听器测试了混流泵的振动和噪声信号,利用1/3倍频谱信号分析手段对试验结果进行了进一步的分析,研究了混流泵内汽蚀时的振动噪声的特征和规律.试验结果表明,导叶式混流泵入口法兰位置及靠近入口的泵体位置处的振动信号对混流泵汽蚀较为敏感,可以用于监测混流泵汽蚀的发生;随着流量的增大,混流泵机体的振动信号可以用于监测其汽蚀特性的频段越来越宽;混流泵发生汽蚀时入口辐射噪声呈现出先增大,达到极值后又逐渐减小的趋势;泵入口处的低频段辐射噪声可以用于监测混流泵汽蚀的发生.     

混流泵内部流动不稳定特性的数值模拟

为了研究小流量工况下混流泵内存在的不稳定流动特性,基于大涡模拟亚格子尺度模型与滑移网格技术, 对包括进口管和出口弯管的混流泵全流场进行三维非定常湍流计算．外特性试验结果表明,在60％～85％最优工况范围内,扬程-流量特性曲线呈正斜率特性．数值模拟结果与试验结果误差控制在4％内,表明大涡模拟可以准确预估混流泵存在的扬程-流量正斜率不稳定特性．在此基础上,分析了混流泵产生正斜率不稳定特性的内流机理．分析结果表明,在小流量工况下叶轮入口切向速度呈明显的非对称性,叶轮与导叶流道内液流的失速效应使叶轮叶片表面和导叶叶片入口轮毂侧存在大尺度的旋涡结构．导叶流道内旋涡尺度较大,压力脉动沿导叶轴向呈明显的周期性波动,使旋涡区域从吸力面侧逐渐扩展到导叶流道,旋涡结构的涡核附着在压力脉动最小值的导叶吸力面中间叶高区,且涡核旋向与叶轮旋向相同．     

低比转数混流泵导叶内部压力脉动特性研究

对一比转数为148.8的设计混流泵进行试验和数值模拟研究,比较不同流量工况下混流泵性能的试验与数值计算结果,两者吻合较好。在流场内部设置监测点,捕捉压力脉动由动静干涉无叶区向导叶出口的发展过程。分析不同工况下的混流泵各测点的压力脉动,发现导叶内部各测点压力脉动主要受叶轮转动影响,主频为叶频;由动静干涉的无叶区到导叶出口,平均压力逐渐增大,而压力脉动的幅值强度越来越弱;非设计工况下的压力脉动变化更复杂。上述结果可为混流泵进一步的优化设计提供参考。     

大型导叶式混流泵叶片的数控加工工艺

根据大型导叶式混流泵叶片的结构特点，应用数控加工技术，确定了三轴和五轴混合加工的工艺方案，讨论了UG软件在进行叶片五轴加工时自动编程、计算机切削仿真及后置处理等的关键技术应用，解决了加工过程中的碰撞问题，实现了国产数控加工设备与国际先进软件的成功对接，提高了加工效率，降低了生产成本．提高了我国大型导叶式混流泵产品的国际竞争力，也提高了产品制造企业的经济效益．     

若干因素对导叶式混流泵水力性能的影响

为提高导叶式混流泵的水力性能,开展了叶顶间隙、叶轮叶片数、叶轮叶片安放角和叶轮叶片厚度对导叶式混流泵水力性能影响的研究.运用CFD软件Ansys CFX 12.0,基于剪切应力输运(SST)湍流模型和SIMPLEC算法,采用分块结构化网格技术,对导叶式混流泵内流场进行了数值模拟.计算结果表明:导叶式混流泵的扬程、功率和效率都随叶顶间隙的增大而降低;扬程和功率随叶轮叶片数的增加而增大的幅值渐小,叶轮叶片数过多或过少对导叶式混流泵效率都不利;不同叶片安放角时扬程、功率的差别随流量增大而逐渐增大,通过叶片安放角的调整可实现泵最高效率点的偏移并改变高效区的范围;泵最高效率点随叶片厚度减薄而向大流量偏移,且最高效率有所提高.在满足制造工艺与安装要求的前提下,对影响导叶式混流泵水力性能的各因素进行优化选择可提高导叶式混流泵的水力性能.     

斜流泵叶轮和导叶叶片数对压力脉动的影响

为了研究斜流泵叶轮和导叶由于动静相干作用(RSI)而引起的压力脉动规律,基于标准k-ε湍流模型、SIMPLEC算法和滑移网格技术,根据叶轮和导叶叶片数及其叶片厚度设计了多种计算方案,并对不同方案的斜流泵模型进行了非定常数值模拟．采用叶轮进口、叶轮出口和导叶内部布点监测压力的方法获得了压力脉动曲线,并基于时域图分析了叶轮叶片数、导叶叶片数及其厚度对斜流泵内部压力脉动特性的影响．数值计算结果表明:斜流泵叶轮叶片动静干涉对整个流场的压力脉动影响较大,叶轮叶片数越少,叶轮进、出口压力脉动幅值越大;在设计工况下,导叶内部的压力脉动波形主要受叶轮叶片数影响,而导叶厚度对导叶内部压力脉动影响较小．研究结论将为斜流泵的设计和稳定运行提供参考．     

混流泵导叶对其性能的影响

采用两类相对流面迭代计算轴面流网,给定不同的导叶进口安放角、安放角沿流线分布规律及进出口边位置,通过逐点积分绘制空间骨面,在保角变换平面内完成加厚与修圆,设计了一系列混流泵导叶．应用SIMPLE算法,求解雷诺时均N-S方程与标准k-ε方程,模拟了同一叶轮匹配不同导叶时混流泵内部的全流道三维湍流流场,并预测其水力效率,得到导叶包角与水力效率随不同设计参数变化的曲线,结合导叶前后截面内相对速度、静压和总压分布,分析不同设计参数对于混流泵性能的影响．结果表明:导叶进口安放角对于混流泵性能的影响最为显著,选取适当可以减小进口冲击损失;安放角沿流线变化规律的选取需要考虑控制包角大小,以减小导叶区的水力摩擦损失;进出口边位置选取过程需要考虑导叶的能量转换能力与水力摩擦损失的影响．     

前置导叶调节混流泵性能的数值模拟

利用有限元分析软件数值求解不同工况下混流泵的内部流场,了解前置导叶调节工况的基本规律,以改善混流泵在非设计工况运行时的水力性能。在叶轮叶片进口部位读取液流流入叶轮时绝对液流角、相对液流角、和绝对速度圆周分量的值,分析其随前置导叶安放角改变而变化的规律。结果表明,叶轮进口绝对液流角小于前置导叶安放角,流量越小相差的幅度越大;大流量工况下进口预旋调节的效果比小流量工况更为明显;在一定流量范围内,通过进口导叶调节使得叶轮进口液流满足无冲击进口或者较小冲角进口条件,可有效地改善混流泵在非设计工况的水力性能。     

螺旋混流式喷水推进泵的噪声特性

为了研究螺旋混流泵不同运行工况下的噪声特性,基于DES湍流模型,对螺旋混流泵进行非定常数值计算,提取各过流部件表面非定常压力脉动作为声源,采用声学有限元结合声振耦合的方法对由各过流部件偶极子源所引起的噪声进行数值计算,分析了其外场噪声规律及各过流部件的噪声分布特征.结果表明:壳体偶极子源是外场噪声的主要贡献,叶轮偶极子源噪声在其叶片进口端的前段声压级最高,叶轮工作时叶片表面的非定常载荷及动静干涉的作用是影响叶轮噪声的主要原因;导叶偶极子源声压级最高区域集中在曲率最大处及进口端,流道内不稳定流动及动静干涉的作用是导叶噪声发生的主要原因.     

带分流叶片水泵水轮机小开度下非定常分析

为了研究带分流叶片水泵水轮机在小开度运行下各工况的内流特点及受力特点,以国内某带分流叶片水泵水轮机抽水蓄能电站的水力模型为分析对象,运用CFD数值模拟方法,采用SST k-ω计算模型,对其7.5°开度下的水轮机工况、制动工况和反水泵工况的内流特性进行了非定常数值模拟计算,分析了各工况下机组内部典型监测点的压力脉动特性及轴向力分布规律.结果表明:CFD数值计算能较好地模拟分析带分流叶片水泵水轮机的内流特性;在制动工况和反水泵工况下,转轮流道内出现明显的不稳定流动,二次流和涡结构充满整个转轮,进而引起水流拥堵,分流叶片可以使转轮的出水速度更加均匀;机组甩负荷运行进入制动工况后,转轮所受轴向力明显变大,并伴有负值出现,波动幅度也较大;分流叶片的存在可以预防转轮区出现负压,有助于降低涡结构的强度.     

导叶叶片数对多级离心泵压力脉动的影响

为了研究叶轮叶片数与导叶叶片数有无最大公约数对多级离心泵内部压力脉动的影响,在保证设计点外特性基本不变的前提下设计了4种不同叶片数的导叶,基于标准k-ε方程,应用CFX软件对M120多级离心泵的设计点工况进行定常和非定常计算,得到次级泵体叶轮和导叶内各监测点的压力脉动时域图和频域图.结果表明:数值模拟结果与外特性试验结果相吻合,证实了数值模拟的可行性.叶轮与导叶叶片数存在最大公约数的匹配方式对多级离心泵内部静压分布有影响,主要表现为正导叶进口边周向压力分布呈现周期性分布规律.导叶内部压力脉动主要受叶轮叶片数的影响,叶频在流动诱导振动中起主导作用.导叶叶片数对多级离心泵内部压力脉动影响较大,导叶内部压力脉动幅值随导叶叶片数的增加而增大.     

熔盐泵分流式空间导叶内部流动及其非定常特性

为了抑制熔盐泵空间导叶内存在的二次流以及轴向旋涡,提高熔盐泵的效率和稳定性,提出一种分流式空间导叶体.采用k-ε模型、SIMPLE对2种不同形式空间导叶的熔盐泵模型进行了数值模拟,以获得2种不同形式熔盐泵的外特性参数及其内部的速度、压力分布等特性.结果显示:在0.8Q和1.0Q下,分流式空间导叶内部速度分布更为均匀,导叶吸力面二次流、旋涡明显减少,提高了模型泵的效率.在1.2Q下,分流式导叶导致模型泵效率降低.但在空间导叶出口速度分布均匀,低速区域明显减少.分流式空间导叶内部压力脉动幅值叶频占主导地位,其出口压力脉动得到明显改善,在设计工况下,压力脉动幅值比常规空间导叶低近40%,空间导叶轮缘面压力脉动普遍高于轮毂面,在导叶轮缘面上,其压力面的压力脉动幅值低于吸力面;在导叶轮毂面上压力脉动幅值则基本相同.