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.     

低比转数离心泵叶轮内的流动机理和叶轮设计

通过分析得出影响低比转数离心泵效率的主要原因是在叶轮出口存在二次流、边界层的分离等引起的射流－尾迹结构，提出了改进的方法。提出叶轮设计方法：加大叶轮出口宽度，增大泵体喉部面积，采用较大的叶片出口安放角、较大的叶片包角，叶片的线型前部采用较小曲率半径，后部采用较大的曲率半径。实例表明此方法能够获得较高效率和较好性能的低比转数离心泵。     

低比转数离心泵优化设计专家系统的研究

低比转数离心泵在水力性能上一直存在一些问题 ,在其优化设计中具有各种参数对水力性能的影响既相互矛盾又相互统一的特点。为了调和各参数之间的矛盾而达到最佳组合 ,专家们总结形成了丰富的实用经验。本文引入并阐述了人工智能专家系统的理论 ,将这些实用经验应用在低比转数离心泵优化设计中 ,便于工程实践和企业生产。提出了低比转数离心泵优化设计专家系统的概念 ,并构建了该系统框架和数学模型。     

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。     

低比转数离心泵叶轮出口紊流流动结构分析

在叶轮内三维紊流流动数值计算的基础上，从介质能量的观点，分析了不同工况下低比转数离心泵叶轮出口处的紊流流动结构。数值计算采用SIMPLEC算法，在贴体坐标系下求解Navier—Stokes方程，紊流模型采用标准的κ—ε模型。计算结果表明，在叶轮的出口附近靠近吸力面一侧存在一个低能区，而压力面一侧能量相对较高。这与有关文献中所指出的离心风机的“射流—尾流”结构相对应。当偏离设计工况时，该低能区的范围和强度略有增加，相对应的叶轮效率也降低。计算结果与水泵在这些工况下的效率实验结果相一致，说明低能区的存在是影响低比转数离心泵效率的重要因素。     

低比转数离心泵性能预测软件的开发

低比转数离心泵由于具有小流量,高扬程的特点,所以有其特殊的应用领域.但目前低比转数离心泵设计经验还相对薄弱,导致了低比数离心泵的性能预测结果还不够准确,不能满足工程实际的需要,且国内也没有实用的低比数离心泵性能预测软件.因此研究此类离心泵性能预测方法和应用软件具有实际价值.通过采用线性回归的方法对低比转数离心泵理论扬程,功率和效率公式进行了修正,总结出低比数离心泵性能预测模型.并介绍了以此为依据,采用VC++6.0和Object ARX 2000在AutoCAD 2004平台上开发的低比转数离心泵性能预测软件.     

低比转数排污泵内部PIV试验研究

通过对传统机电一体式排污泵的结构改造,以有机玻璃材料来加工叶轮及蜗壳,利用半螺旋形吸水室改变来流方向,成功获得适合于PIV测试的试验泵段.采用轴编码器等同步装置和空心玻璃球作为示踪粒子,对3个工况下叶轮与蜗壳5个不同相对位置的叶轮中间截面流场进行拍摄,取得了较好的结果.从PIV试验结果可以看出,在大流量1.4Q_d和设计流量1.0Q_d工况下,叶轮内部流场在任意时刻均能够保持较好的轴对称性分布,而极小流量0.2Q_d情况下,叶轮内部流场较为紊乱,且表现出明显的非轴对称性.在所拍摄的5个时刻内,通道A由于穿过隔舌位置,其出口圆周的相对速度分布梯度和小流量下旋涡的强度、大小等均受到隔舌的强烈影响.在极小流量情况下,通道C随着叶轮的旋转,压力面附近的脱流不断加剧并形成旋涡,最终堵塞大部分流道.     

低比转数变曲率叶型离心泵非定常流动分析

运用Fluent流场计算软件,采用修正的RNG k-ε湍流模型、滑移网格技术和二阶隐式时间推进法,用SIMPLEC算法对压力和速度耦合求解,数值模拟了低比转数变曲率叶型离心泵定常压力场、速度场和非定常压力场,设定了不同工况下靠近隔舌区叶轮和蜗壳之间的3个监测点,得到了3点的均压脉动度,并将计算的外特性曲线与试验进行了比对。结果表明,短叶片抑制了工作面流动的分离,改善了叶片上压力分布,叶轮出口处的射流尾迹区得到了明显改善;隔舌附近监测点的压力脉动幅值与监测点到隔舌间的距离成正比;数值计算结果为该泵叶型设计提供了理论依据。     

关于低比转数多级离心泵叶轮设计的浅析

低比转数多级离心泵是应用极广泛的一种泵。如锅炉给水、油田注水、高层建筑给水,化工流程、消防用水、矿山开采等多采用这种泵。仅油田注水用泵的耗电量就高达油田总耗电量的50%。而多数低比转数多级泵的效率又比较低,因此提高低比转数多级泵的效率、改善其性能、对节约能源、提高社会效益十分重要。     

低比转数离心泵的水力设计及性能预测

运用速度系数法获得叶轮基本几何参数,根据给定的叶轮流道过流断面面积分布规律与叶片包角分布规律调整叶片轴面轮廓形状,并由所建立的短叶片偏移角与Wiesner滑移系数之间的关系确定短叶片位置.基于该方法在相同设计参数(扬程、流量、转速等)条件下设计了4种短叶片参数不同(叶片长度分别为0.75,0.65,0.55和0.45倍长叶片长度)的低比转数离心泵叶轮,并采用RANS控制方程组和RNG k-ε湍流模型对所设计的离心叶轮流道的三维湍流流场进行计算分析,研究了这4种短叶片对沿流道的速度分布、压力分布及离心叶轮整体水力性能的影响.结果表明:添加短叶片能明显提高叶轮扬程,但过长的短叶片会增加冲击损失与摩擦损失;扬程增加量会随短叶片长度的减小而增大;通过选取合适的设计参数并合理地放置短叶片可以改善流态,提高水力性能.     

自吸离心泵比转数的探讨

分析了比转数与自吸离心泵的性能参数及结构之间的关系,给出了自吸离心泵主要水力设计和结构设计公式的系数及选择方法;并取相同比转数时用4种方法对圆盘效率作了探讨,指出了提高效率的途径;此外还将低比转数离心泵叶轮的铸造工艺作了简单介绍。     

低比转数离心泵叶轮内能量转换特性

对比转数为60的离心泵内部流场进行数值模拟计算,从叶轮做功过程和能量损失过程两方面分析了叶轮内能量转换特性.将叶轮按径向尺寸分为8个区域,展示了不同工况、不同区域中压力和粘性力做功大小、功率密度分布、湍动能耗散率分布、能量损失组成及分布等能量转换相关特征.结果表明,叶轮进口区域能量转换效率相对较低且受叶片进口安放角影响,叶轮中部区域是叶轮做功和流体获得能量的关键区域,叶轮出口区域对叶轮性能有显著影响,壁面摩擦损失是叶轮内能量损失的主要组成部分.     

低比转数变工况离心泵的性能优化

为了提高低比转数变工况离心泵的全局效率,采用单独离心叶轮优化、单独蜗壳优化和叶轮与蜗壳整体优化3种设计方案,基于拉丁超立方抽样试验和模拟退火优化算法,利用数值模拟方法对流量比(最大流量/最小流量)为8的离心泵进行性能优化.研究结果表明:3种优化方案都能提高变工况离心泵的全局效率,其中蜗壳优化和整体优化获得的泵效率比较接近,而叶片优化方案的效果相对较弱,故开展低比转数变工况离心泵优化时,可以优先考虑对蜗壳结构参数进行优化设计;进行变工况离心泵水力设计时,为了提高离心泵整体效率,应使选取的设计流量稍微小于最大工作流量.     

低比转数冲压焊接离心泵粘性设计方法及其应用

提出了把“理想流体”作为参照量,以粘性边界层作为水流动边界条件的粘性水力设计方法。针对冲压焊接离心泵吸入口的流态,推导出粘性条件下的畸变方程和输运方程式,以此应用于冲压离心泵的水力设计,实践应用改善了离心泵的性能,提高了泵的运行效率。     

低比转数离心泵多相位定常全三维数值模拟

针对定常流动是否具有全局代表性的疑问,采用多参考系模型对某一低比转数离心泵在设计工况进行了多相位定常流动数值模拟.分析了由于叶轮与蜗壳相对位置的变化引起的泵扬程的变化规律,同时捕捉到了全流场的速度、压力分布以及蜗壳第Ⅷ断面漩涡的结构与演化特征等重要流动信息.结果表明,多相位定常流动数值模拟的结果实际上反映了泵内流场的非定常流动特性.     

低比转数排污泵数值计算与实验

结合数值计算与PIV实验手段,对一改造过的比转数ns =60的潜水排污泵蜗壳内部流动进行了研究。采用六面体结构化网格对其进行全流场数值计算,计算结果表明,由于口环泄漏导致该区域附近的湍动能最大,且设计工况下蜗壳内部湍动能要大于叶轮内部。另外,通过外特性实验结果、PIV测试结果与CFD数值计算的对比发现,二者能够较好地吻合,验证了数值计算的正确性,并得出以下结论：受叶轮出口绝对速度与圆周方向夹角随流量增加而变大的影响,在0.6Qopt 和Qopt 流量下第8断面内的流体一部分再次通过蜗壳进入第1断面内,导致蜗壳隔舌与蜗壳进口之间的速度较高,在该处造成较大的速度梯度;而在1.4 Qopt 工况下此现象消失,蜗壳第8断面附近的速度最高,速度梯度较大;并且在大流量1.4Qopt 下蜗壳第1断面与第5断面之间能够明显地看出3个从叶轮出口射流出来的高速尾迹区域。     

低比转数离心泵叶轮切割定律的研究

切割定律在离心泵设计中有着重要的作用,但由于目前还没有十分准确的公式用来进行泵的设计,泵设计一般采用经验公式设计,再加以理论校核计算,这样新设计的泵的性能参数很可能存在着与设计参数不吻合。为此,用统计归纳方法给出该切割定律的具体计算公式与曲线图,并举例验证了推导低比转数离心泵叶轮公式与曲线图的准确性。     

低比转数潜水排污泵的内部流场PIV试验研究

针对低比转数潜水排污泵的研究现状进行调研后发现,目前主要的研究手段以数值计算为主,缺乏对其内部流场的可视化试验研究,因此,为揭示低比转数潜水排污泵内部流场的物理结构及流场演化过程,针对一比转数n_s=60的潜水排污泵进行结构改造后,以透明的有机玻璃材料代替传统的金属材料,以空心玻璃球作为示踪粒子,进行了不同工况下的二维PIV测试.试验结果表明:在科氏力的作用下,叶片进口吸力面上的相对速度大于压力面上的,而叶片出口则相反;在大流量工况下叶片进口边的速度梯度最大,叶片出口的“射流-尾迹”现象也最为明显;在不同流量工况下,叶片压力面一侧均存在一定脱流现象,该脱流区域随流量的减小向叶片出口方向移动,并逐渐形成一个与叶片旋转方向相反的旋涡;当流量为0.2Q_d时,该旋涡位于叶片流道出口中心,并堵塞了大部分流道.     

多工况高效无过载低比转数离心泵设计优化

为满足低比转数离心泵对多工况点效率和无过载特性要求,针对模型泵TS65-40-160,基于无过载理论进行设计优化,通过CFD分析内部流动分布规律,并采用快速成型模型试验进行对比分析。经过多方案改进得到较优方案2,该方案扬程在关死点、设计点以及最大流量点均高于设计要求;最高机组效率提高了14%,功率特性曲线出现了无过载趋势,在最大要求流量点48 m3/h处输入功率却未增大,且泵效率达到国家标准要求。经多方案CFD模拟和试验数据对比,证明模拟精度可满足模型优选要求。     

基于PIV的低比转数离心泵网格无关性

针对小流量工况采用计算流体动力学(CFD)对离心泵的性能进行数值模拟的精度问题,以一低比转数离心泵为例对其进行整体结构化网格划分,采用ANSYS CFX 14.5软件对模型离心泵的进口管路流道、叶轮流道以及蜗壳流道组成的流场进行定常数值计算.从改变整体网络数量与叶轮网格数量的角度分别进行网格无关性验证对0.6及1.0倍设计流量下的模拟精度进行比较研究.准确性评价指标采用外部特性扬程值及PIV得到的叶轮和蜗壳内部分区域的绝对速度,具有较强的说服性.分析表明:对总体网格数增加的方法进行的无关性分析即可满足要求;网格数量的增加对叶轮内绝对速度影响较大,而对蜗壳内绝对速度影响很小;在设计工况下蜗壳和叶轮内部绝对速度的预测精度都比0.6Q_d工况下的高些,因而在进一步小流量流动特性分析时,需要更精密的网格.通过对外特性和内流场速度的对比,最终选择网格模型为网格IGD.