混流泵叶轮内部流动的PIV实验

为探讨混流式叶轮内部的流动机理,设计了一半开式叶轮混流泵实验装置,利用PIV技术对设计流量及变流量工况下叶轮内部的流动进行了测量.时均速度场的相对速度分布表明,设计流量下从进口到出口压力面附近相对流速先降低后升高,吸力面先升高后降低.在叶轮出口沿叶高方向压力面附近变化不大,吸力面从叶根到叶顶逐渐降低,最小相对流速位于吸力面叶顶附近.小流量工况下在叶顶和中间叶高截面内会出现回流现象,叶轮内不同流道内相对流速分布趋势基本一致.     

长短叶片离心泵叶轮内部流动的PIV测量

设计了一副长短叶片各5个间隔布置的离心泵叶轮，应用二维粒子图像速度仪（2D—PIV）成功测试了大流量、设计流量和小流量3种工况下长短叶片同一叶槽内的瞬时流场。测试结果充分揭示了长短叶片叶轮内速度矢量场特征及长叶片吸力面、压力面和短叶片压力面、吸力面相对速度随叶轮半径的变化规律。分析了3种工况下相对速度沿圆周方向的变化规律。     

超低比转速高速离心泵复合式叶轮的正交设计

针对影响超低比转速高速离心泵复合式叶轮短叶片设计的叶片数、叶片径向进口的相对位置、叶片周向偏置度及偏转角等4个主要因素,设计了16种不同短叶片型式的复合式叶轮.通过对正交设计方案结果的极差分析,得出各因素水平对扬程和效率影响的主次顺序分别为短叶片数、偏转角、周向偏置度、径向进口的相对位置和短叶片数、径向进口的相对位置、周向偏置度、偏转角,从而得到超低比转速高速离心泵复合式叶轮短叶片的最佳设计方案.利用CFD软件,分别对采用常规叶轮和正交设计的复合式叶轮两种方案进行了数值模拟和性能预测.结果表明,采用正交设计的复合式叶轮内部压力场和速度场分布合理,Q-H曲线更加平坦,Q-η曲线最高效率点向大流量偏移,在相同设计方案下,复合式叶轮离心泵在大流量工况条件下工作性能良好.     

混流泵内部流动的试验研究

混流泵叶轮内流动性能直接影响整台泵的外部性能.为了探讨混流泵叶轮内部的流动机理,设计了透明蜗壳,加工了1套半开式混流叶轮,建立了混流泵试验系统并利用PIV对其在不同流量工况下叶轮内部的流动性能进行了试验测试.通过对叶轮流道内的时均相对速度分析后发现,在设计流量工况下压力面附近相对速度从进口到出口先减小后增大,吸力面附近的相对速度先增大后逐渐减小.在叶轮出口处沿叶片高度方向的相对速度靠近压力面附近变化不大,靠近吸力面附近从叶根到叶顶逐渐降低,相对流速最小值出现在吸力面叶顶附近.在小流量工况下,流道中部叶高截面至叶顶的区域内会出现回流现象.同时还研究了不对称形状的蜗壳对叶轮内部流动的影响,对叶轮相对蜗壳不同位置流道内的流动进行了测试,发现相对蜗壳不同位置流道内的相对流速的分布趋势基本相同.     

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。     

CAP1400反应堆冷却剂模型泵空化性能数值模拟与试验

为研究CAP1400核主泵事故工况下的空化性能,采用标准k-ε模型和Mixture模型,开展了CAP1400核主泵1∶2.5模型泵的整机空化数值模拟.分析了模型泵空化初生时的空化特性和不同空化余量下叶轮内空化发展规律,以及叶片中间流线上的载荷特性,并采用砂铸叶轮、精铸铝制叶轮与砂铸导叶结合开展了模型泵性能的试验研究,结果表明:蜗壳与叶轮的相对位置对叶轮内空泡体积分布具有一定的影响,靠近蜗壳出口的叶片吸力面空化更加严重,空化的排挤效应改变了叶片进口附近的液流角并导致压力面前缘出现空化;空化对叶片载荷影响较大,发生空化后叶片载荷在沿流线吸力面空泡结束的位置附近会出现极大值,且叶轮内空化区域的不均匀分布加大了不同叶片之间的载荷差异,靠近蜗壳出口的叶片沿流线压力载荷的极大值最大;叶轮的制造精度对泵的空化性能有较大影响.     

反应堆冷却剂模型泵空化性能数值模拟与试验

为研究CAP1400核主泵事故工况下的空化性能,采用标准k-ε模型和 Mixture模型,开展了CAP1400核主泵1∶2.5模型泵的整机空化数值模拟.分析了模型泵空化初生时的空化特性和不同空化余量下叶轮内空化发展规律,以及叶片中间流线上的载荷特性,并采用砂铸叶轮、精铸铝制叶轮与砂铸导叶结合开展了模型泵性能的试验研究,结果表明：蜗壳与叶轮的相对位置对叶轮内空泡体积分布具有一定的影响,靠近蜗壳出口的叶片吸力面空化更加严重,空化的排挤效应改变了叶片进口附近的液流角并导致压力面前缘出现空化;空化对叶片载荷影响较大,发生空化后叶片载荷在沿流线吸力面空泡结束的位置附近会出现极大值,且叶轮内空化区域的不均匀分布加大了不同叶片之间的载荷差异,靠近蜗壳出口的叶片沿流线压力载荷的极大值最大;叶轮的制造精度对泵的空化性能有较大影响.     

双叶片离心泵内动静干涉的三维PIV测量

为研究叶轮与蜗壳的动静干涉作用,采用三维PIV对一双叶片离心泵最优工况下叶轮流道内3个截面内的流动进行了测量,每个截面内测量9个叶片位置.结果表明：随着叶片与隔舌距离的不同,叶轮流道内的相对速度场和轴向速度场发生了明显的变化;当叶片在隔舌与蜗壳1断面间时,流道内的流量最小,相对速度场分布最为均匀;在前盖板附近吸力面的流道出口出现了低速区,形成了射流-尾迹结构,并在流道进口发现较强的轴向速度;当叶片随着旋转方向远离隔舌时,流道内的流量逐渐增大,在叶片压力面进口出现了流动分离并产生了旋涡,而流道出口的相对速度变得平稳,同时流道进口的轴向速度减弱;当叶片随着旋转方向靠近隔舌时,叶轮流道内的流量逐渐减小,流道进口的旋涡减弱并消失,流道出口的压力面附近相对速度降低,吸力面附近的相对速度增大,同时流道进口的轴向速度继续减弱.     

基于非均相流模型的离心泵气液两相流动数值研究

为研究离心泵气液混输状态下的内部流动特性,基于Eulerian-Eulerian非均相流模型以空气和水作为工作介质,在不同进口含气率工况下对离心泵内流场进行定常和非定常数值计算,相间阻力作用采用Schiller Nauman模型,得到叶轮内气相分布情况以及气液两相的速度流线图,探求气液两相在泵内的流动规律。计算结果表明:在叶片进口边压力面气相浓度较高处,会产生漩涡,说明叶轮流道内漩涡的产生与气体的聚集有很大的关系;增大进口含气率到10%时,叶轮流道内靠近吸力面处已经出现比较明显的相态分离现象,气相有沿着叶片吸力面向叶轮出口运动的趋势;气相在叶轮流道内会沿流道中部向前后盖板运动,随着含气率增大,靠近前后盖板侧的气相浓度逐渐增大,靠近叶轮出口边前盖板侧的气相浓度增加较后盖板更明显,最终气体可能会堵塞流道;在一个旋转周期内,叶轮出口压力呈周期性变化,进口含气率从1%增至10%,叶轮出口压力逐渐降低,监测点在不同含气率下压力脉动主频在叶片通过频率附近,进口含气率不超过10%时对监测点压力脉动的主频及次主频影响不大;通过对比试验结果和数值计算结果,证明所采用的计算模型和方法基本可靠。     

基于先进控制流理论的偏置叶片优化方法

针对过去过多地依赖经验确定复合叶轮短叶片偏置位置和角度的弊端,提出了采用先进控制流理论来控制短叶片偏置的优化设计方法.首先根据离心式后向叶轮流道内流体微团的受力情况,建立沿流线法线方向的受力平衡微分方程,再根据相对运动Bernoulli方程,推导出沿流线法线方向压强梯度与速度梯度的关系,进而得出沿流线法向速度梯度与几何结构之间的关系.通过对几个相关式子的分析,可确定周向最佳偏置位置.同时考虑将短叶片进口边适度向吸力面偏斜,以期实现后加载特性.试验结果表明,分析所得结论比较符合试验数据,证明了理论分析的可靠性.     

叶轮几何参数对离心泵断裂空化性能的影响

为了改善离心泵的空化性能,研究离心泵断裂空化发生机理,对1个比转数为134的单级离心泵进行空化性能的模拟计算,通过改变叶轮的进口直径、叶片进口安放角和叶轮出口宽度进行数值模拟,根据模拟结果预测了模型泵的空化性能,并分析不同空化余量下叶轮流道内的气泡分布.研究结果表明:在额定工况下,随着进口压力的降低,空泡首先在叶片背面进口边附近产生,然后随着叶轮旋转沿流道向叶轮出口扩散,并随着流道过流面积的增加向叶片工作面扩展;叶轮流道内气泡呈不对称分布的主要原因是由于叶轮与蜗壳的动静耦合作用,使叶轮叶片表面的压力分布不对称造成的;与叶轮进口参数相比,叶轮出口宽度的变化对离心泵空化性能的影响不大;当增大叶片进口安放角后,减小了叶片的弯曲程度,叶片进口的过流面积增大,空化性能得到改善,相同进口压力下的空化余量值减小;在进口直径和进口安放角的变化过程中,均存在一个最佳值,最佳值对离心泵效率和空化性能的提高具有重要意义.     

粘度对离心泵内部尾流的影响

利用试验测得输送粘性油时离心泵叶轮内部流动特征,在不同工况下观察到叶片吸力面附近流动发生分离形成尾流的变化差异,随着流体粘度的升高,叶片压力面附近的流体向叶轮出口流去而不断加速,直到叶轮出口为止.在叶片的吸力面附近促使尾流的形成,两叶片之间截面相对速度与中心区存在差异,加速尾流并分离形成了旋涡.由叶轮内部流动属于分离流动模型,叶轮是对流体粘度反应最灵敏的过流部件,并且其水力损失具有突变性.在试验过程中改变叶轮的一些性能参数会影响试验性能,为了提高叶轮输送粘性介质时的水力性能,必须采取适当方法削弱或消除分离的尾流.为进一步研究输送粘油泵时的水力性能和优化设计方法提供借鉴.     

出口角对离心泵内固液两相流动影响

采用欧拉多相流模型、标准k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,应用计算流体力学软件Fluent,对3台不同叶片出口安放角的离心泵内的固液两相湍流进行了数值模拟,分析了叶片出口安放角对泵内部固液两相流场的影响.计算结果表明：在叶轮流道内,固体颗粒的相对运动方向比液相更偏向叶片压力面,大叶片出口角叶轮内两相速度的夹角较大.通过对比不同叶轮内压力分布及固体颗粒体积浓度分布,得出以下结论：大出口安放角的叶轮压力面附近聚集了更多的颗粒,导致大量颗粒与叶片尾部的压力面相撞;叶片出口安放角增大使得叶轮出口压力增大.     

短叶片包角对离心泵水力性能影响的数值研究

为了研究短叶片包角对离心泵内部流动和性能的影响。在原型泵叶轮(具有8长叶片)的基础上设计了4长4短的叶轮,通过多次改变短叶片包角。采用全黏性三维湍流数学模型数值模拟计算了4组长短叶片离心泵内流场,对比分析了不同短叶片包角设置方案对泵的包角-扬程、包角-效率等外特性曲线及叶轮内流场在不同情况下的流动分布。结果表明:短叶片包角在一定范围内,随着包角的增大,泵的最高效率略有提高;同时随着短叶片包角的增加,泵在设计工况下运行时叶轮进口处负压有所增大,湍动能损失不断减小。     

OC150-30型离心泵内部湍流场的数值模拟研究

基于标准k-ε双方程紊流模型,采用SIMPLE算法,通过求解时均化的Navier-Stokes方程,利用FLUENT软件对OC150-30型离心泵叶轮和压水室内部流场,按叶轮旋转位置的不同进行二维数值模拟和分析.研究表明:叶轮流道内流体的流速和压力呈明显非轴对称,最大动压强出现在叶片出口附近,并在叶片吸力面出现较大涡流区,当叶片旋转至蜗壳隔舌附近时叶轮出口出现回流;弯锥形扩散管内存在较大回流,将其改成直锥形扩散管后流场得到明显改善.     

斜流泵小流量工况压力脉动数值模拟与实验

基于标准的Smagorinsky亚格子尺度模型,对斜流泵全流场进行大涡模拟并结合压力脉动实验对小流量工况下的压力脉动和内部流场进行研究。实验结果表明,叶轮进口处的脉动幅值最高,随着流量的降低压力脉动幅值逐渐增加,不同工况下叶轮进口、叶轮出口、导叶进口的压力脉动主频为叶频,但导叶出口脉动主频随着流量的变化而变化。大涡模拟表明,0.8Qopt工况下叶轮进口流动状态较好,叶轮进口轴面速度变化较小,而在0.4Qopt工况下叶轮进口流动状态较复杂,轴面速度变化较大,0.4Qopt工况时叶轮进口冲角增加以及受到相邻叶片叶顶泄漏流的影响,在t*=0.041 6时叶片进口吸力面已发生流动分离,当叶轮从t*=0.041 6旋转到t*=0.124 9时,叶片吸力面流动分离加剧,轮缘处的轴面速度明显升高,同时分离涡的旋转强度也逐渐增强,导致该区域的静压下降,逆压梯度上升,促使回流的产生,当回流到达叶片进口时进口处的静压逐渐恢复,因此叶轮进口流动分离是引起叶轮进口压力脉动幅值增加的重要因素。     

气液两相条件下离心泵内部流态及受力分析

为研究离心泵在气液两相条件下叶轮内部流态及受力情况,选取一比转数n_s=129的离心泵为研究对象,基于CFX软件提供的Eulerian-Eulerian非均相流模型对泵内部流场进行三维瞬态数值模拟,得到不同初始气相体积分数下叶轮流道内气相体积分数分布及叶片载荷等物理量变化规律,并将数值模拟结果与试验结果进行对比验证.结果表明:叶轮内气体主要集中分布在叶片吸力面区域,出口处则集中分布在流道中间区域,叶轮前盖板区域气相体积分数大于后盖板区域;当初始气相体积分数逐渐增大时,叶轮流道内流动紊乱,气液两相流动的不均匀性加剧,旋涡区域增大;随着初始气相体积分数的增大,叶片进口到靠近出口位置,叶片压力面所受压力载荷相对于吸力面减小的更快,而在出口位置附近叶片吸力面压力载荷减小的更快,叶轮径向力的不平衡性加剧,叶轮所受转矩减小.数值计算结果与试验结果在趋势上趋于一致.     

双吸式离心泵叶片吸力面泥沙磨损破坏规律与形成机制研究

离心泵叶片泥沙磨损是引黄泵站面临的工程难题,采用模型试验及数值模拟相结合的方法,分析了双吸式离心泵叶片出口的磨损破坏规律及其形成机制。采用多层涂层法、丝线法和内窥式成像技术对叶片的磨损特征和近壁面流态进行了分析,并结合数值模拟分析了叶轮流道内的旋涡结构及颗粒轨迹。研究发现：叶片吸力面出口存在左右近似对称的“三角形”磨损破坏区域,该区域存在明显的流动分离;叶轮内的叶道涡和出口回流涡是导致叶片吸力面出口磨损的主要原因。源于叶片压力面进口的叶道涡诱导泥沙颗粒向叶片吸力面出口聚集,造成吸力面出口的集中磨损;叶片吸力面出口附近存在的回流涡诱导颗粒进行轴向旋转运动,加剧叶片吸力面出口的磨损破坏。本研究为双吸式离心泵的抗磨损设计提供了理论支撑。     

分流叶片对离心泵内部非定常流动特性的影响

采用Ansys-CFX软件对5个具有不同分流叶片进口直径、不同分流叶片周向偏置度的叶轮方案进行全流场非定常数值模拟,分析了有、无分流叶片以及不同分流叶片设计对叶轮进口、蜗壳出口及叶轮-蜗壳交界面处压力脉动特性的影响规律.结果表明：分流叶片有利于降低叶轮进口压力且提高蜗壳出口压力,从而提高泵的扬程,带分流叶片设计方案的扬程比没有分流叶片设计方案提高2%～12%,但不同分流叶片设计方案的扬程绝对值差异不大;分流叶片有利于减小叶轮进、出口处的压力脉动;有利于减小叶轮-蜗壳交界面处的压力脉动,从而改善叶轮出口的＂射流-尾流＂结构;不同分流叶片设计对扬程的影响趋势接近,但对非定常流动特性的影响不同,当分流叶片进口直径为106 mm且向长叶片背面偏置5°时,扬程最高,压力脉动最小;带偏置分流叶片设计方案的扬程略高于带不偏置分流叶片设计方案.     

大型轴流泵反向发电压力脉动及流固耦合

为研究南水北调东线某泵站机组反向发电的稳定性,对流道进行了全数值模拟,以研究反向发电工况的压力脉动及应力分布规律.在导叶进口、转轮进口和出口3个截面设置监测点.计算结果表明,轴流泵在反向发电工况下,转轮进口及出口处监测点的压力脉动时域图呈现周期性变化规律.压力脉动频率受转轮转频影响,集中在低频.转轮进口处中部及边缘处水流压力脉动明显,最大压力脉动发生在转轮出口处的中部水流,压力脉动幅值是转轮出口边缘处的近3倍,是转轮进口处中间及边缘的近2倍.叶轮出口处,压力脉动从轮毂到轮缘逐渐增大.研究结果表明,叶片总形变主要分布在叶片进水侧,其形变沿轮毂到轮缘方向逐渐增大;应力主要集中在叶片压力面与吸力面的根部,最大等效应力出现在叶片吸力面的叶轮根处.最大等效应力值在叶片材料安全范围内,对转轮运转机组寿命及破坏不构成影响.