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．     

不同叶片包角离心泵空化振动和噪声特性

为研究叶轮叶片包角对离心泵空化诱导振动噪声的影响,以1台单级单吸离心泵为研究对象,保持泵体和叶轮其他几何参数不变,将叶片包角从115°改为110°,120°和125°．在离心泵闭式试验台上测量了不同叶片包角模型泵在不同装置空化余量时的振动和噪声信号,并对信号进行处理和分析．试验结果表明:叶片包角变化对离心泵设计工况下空化性能的影响无明显规律,存在1个最优值;随着叶片包角的增大,各测点加速度传感器测得振动强度的变化规律各不相同,出口法兰测点的振动强度相对最小,振动强度均在10 m／s2以下;随着叶片包角的增大,模型泵在无空化状态下运行时,噪声信号轴频峰值减小,叶频峰值变化复杂;空化初生和发展时,轴频峰值均呈先增加后降低的趋势,1 750～2 250 Hz频段的能量峰值随空化程度的加剧先增大后减小．     

CAP1400核主泵空化特性数值研究

针对CAP1400核主泵事故下的空化问题,在对核主泵进行水力设计及三维造型的基础上,采用CFD技术对核主泵的空化问题进行定常数值模拟,并分析了正常工况、空化初生、临界空化、严重空化和断裂空化等5个阶段核主泵叶片背面气相体积分数、叶片间气相体积分数及叶片间介质温度的分布特性.计算结果表明:核主泵空化首先发生于叶片背面靠近前盖板一侧并向叶片工作面、后盖板方向发展;临界空化与严重空化阶段气相体积分数在叶轮流道相对位置S=0.35~0.45时增长趋势相同,S=0.45~0.50时相对平缓;叶片间由于相变导致的两相之间的热传导在两相界面附近的液相中形成温度梯度,空泡内气相介质的温度低于附近液相介质的温度,两者温差随空化的发展而增大.     

射流控制水翼空化流动的多工况适应性研究

空化时常会使船舶推进器、泵、水轮机等水力机械部件产生噪声、振动和腐蚀,导致设备总体性能的大幅下降,甚至破坏,因此开展空化流动控制具有重要意义。借助高速全流场测试技术,获得NACA66（MOD）原始水翼及射流水翼表面的空化形态,研究射流控制参数对空化抑制的影响规律,分析主动射流在变工况下对空化流动控制的适应性。研究发现：在不同工况下,主动射流均可以取得明显的空化抑制效果,当射流流量及射流位置不同时,空化流动控制效果不同。在云空化阶段,射流水孔与水翼前缘距离与弦长比值为0.19（H1模型）可以收到较好的空化抑制效果,且始终优于H2模型;而在片空化阶段,射流水孔与水翼前缘距离与弦长比值为0.45（H2模型）空化抑制效果更优。不同的射流流量系数可以实现对空化流场的主动控制,且存在最佳射流流量系数,使空化抑制效果最优。在给定射流位置（H1模型）和射流流量（流量系数为0.0245）时,在空化不断发展过程中（0.83≤σ≤1.46）,空化抑制效果较为稳定,与实验获得最佳空化抑制有效性参数的偏差均在0.06以内,H1模型表现出良好的工况适应性,可实现多工况下空化的流动控制。     

工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀

对工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀进行了试验,结果表明,泥沙表面缝隙中寄存有许多气核,当压力降低时气核膨胀形成气泡,进而脱离沙粒表面发生空化;当沙质、水温一定时,浑水的空化压力特性完全由站址所在地的海拔高度、泥沙质量浓度、泥沙粒径等3个要素决定;在前两个因素一定的情况下,泥沙颗粒越小,即泥沙越细时,初生空化压力与临界空化压力越高.浑水时气核数量远多于清水;浑水发生空化时,气泡溃灭引发的夹沙射流强度大于清水射流,由于这两个因素致使在含沙水流工作的水泵与水轮机,在相同的装置条件下,空蚀破坏较清水时强烈.目前,空化流场计算和空化数计算都存在着把空化压力取做海拔高度为零时清水的汽化压力的错误,使计算结果严重失实.     

射流式离心泵性能及内部流动特性

为研究射流式离心泵内流动机理,以JET750G1型射流式离心泵为研究对象,搭建试验测试系统,分别对不同安装高度下射流式离心泵的空化及能量特性进行试验研究;基于k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对0 mm安装高度下泵各工况点内部流动进行数值模拟.试验结果表明:当流量增大到一定程度之后,扬程-流量、功率-流量、效率-流量曲线均急剧下降;随着安装高度的增大,陡降起始点向小流量工况偏移.数值计算结果表明:扬程、功率、效率的数值模拟结果与试验值基本吻合,数值模拟性能陡降起始流量点比试验值大0.5 m³/h;射流式离心泵由于其面积比值较小,射流剪切层被迅速排挤到喉管壁面,泵内最低压力点出现在喉管内喷嘴稍后处,空化最早发生在该处;随着流量的增大,空化区域急剧向叶轮进口扩展,性能陡降起始点正好是泵内初生空化流量点,射流式离心泵的空化性能取决于其射流器的空化性能;射流器能提升离心泵扬程和自吸性能,但射流器内高速回流及强剪切流动,导致其效率及空化性能大幅下降.     

基于流声耦合法的超低比转数离心泵空化特性研究

为研究离心泵不同空化状态下噪声特性的变化规律,以及空化的发展对水动力噪声的影响,首先以一台超低比转数离心泵为研究对象,搭建闭式试验台,基于泵产品测试系统及数据采集系统建立了离心泵空化噪声的试验测试系统,实现了泵性能参数和内场噪声信号的同步采集。其次,分别应用不同空化模型对模型泵空化性能曲线进行预测,并与试验值进行对比,选择合适的空化模型。在此基础上将整个空化过程划分为未空化阶段、空化初生阶段、特征空化阶段及严重空化阶段,结合声学边界元法将流场信息转化为声场信息,并通过比较各空化阶段噪声预测值与试验值相对误差,发现模拟信号与实际信号吻合度较高,充分验证了预测方法的可行性。最后,基于流声耦合法研究空化对内部声场的影响。研究发现:针对超低比转数离心泵空化,Zwart模型比Kunz模型具有更好的适用性。内场噪声信号随空化的发展变化规律比较复杂。在中低频段,由于空化对动静干涉的抑制作用,使得叶频及其倍频特征值离散分量声压级随空化的发展呈现逐渐下降趋势,而轴频分量呈现增大趋势;而高频宽频噪声随空化系数的降低呈现先缓慢减小、然后急剧上升的规律,逐渐将高频特征值分量淹没在宽频带中,高频段声压级的增高造成总声压级的升高。     

离心泵空化试验研

在离心泵试验平台,对离心泵进行最好运行工况、同转速降流量、同转速同流量下空化模拟试验并采集3种状态水泵进口的水声信号和壳体振动信号.试验结果表明:在模拟100、110、120m~3/h的3种工况下,试验得到水泵NPSH3值随流量增大而升高;泵进口的水声信号和壳体振动信号在模拟空化过程中基本符合声压规律.根据试验数据点分布以及NPSH3判别和声压规律曲线,工程上使用的扬程下降3%作为空化初生点接近声能最大的位置.利用试验得到的声压曲线峰值,借助3σ原则可进行水泵空化的实时监测.     

叶顶间隙对斜流泵叶轮内部空化流动的影响

为了研究不同叶顶间隙值对斜流泵叶轮内部空泡稳定性的影响,获得叶顶间隙的最佳范围,基于标准SST k-ω湍流模型和均相流模型对斜流泵内部空化流动进行了数值模拟.结果表明:叶顶间隙对斜流泵叶轮内部空化性能有显著影响,小流量工况下随着叶顶间隙的增大,叶顶泄漏涡的湍流尺度和强度逐渐增加,临界空化数随着叶顶间隙的增大而逐渐减小;当临界空化数为0.357时,较大的叶顶间隙可以抑制叶片表面的初生空化;当叶片发生严重空化时(σ=0.123),较小的叶顶间隙抑制叶片表面产生大尺度空泡;当叶顶间隙较小时,空泡团稳定附着在吸力面;随着叶顶间隙的增大,空泡脱落区向主流移动并聚集在叶片吸力面中部,空化体积分数逐渐增大.     

绕水翼非定常空化流场数值模拟

基于Reynolds平均法,采用RNG k-ε模型及Mixture两相流模型,对绕攻角10°的ys930水翼非定常空化流动进行了数值模拟,分析了空化数分别为10,08,05时的空化流场结构、流动特性及空泡演化过程等．结果表明:云状空泡由两部分组成,前一部分为空泡主体,稳定附着于水翼吸力面上,其内部充满水蒸气,压力为汽化压力;后一部分为空泡附体,为周期性气液两相运动区域．空泡前端位置基本稳定,空泡主体长度随时间变化先增大后减小;空泡主体长度由空化数和回射流强度共同决定．空泡厚度随时间变化先增大后减小,空化数越小,空泡能达到的最大厚度越大,同时最大厚度出现位置越靠近水翼尾缘．回射流的强度与空化数成反比,空化数越小,回射流强度越大,来流与回射流的相互作用决定了空泡附体脱落的位置．     

高吸程射流泵装置的气蚀临界沉没度研究

随着河水等水位的不断下降,高吸程喷射泵得到越来越多的应用。当射流泵内压力低于流体的汽化压力时,就会发生气蚀,不仅对进入喉管的流体有节流的作用,减小流量,还会剥蚀射流泵部件壁面,产生噪声,降低泵效。为了避免气蚀的发生,就要控制高吸程喷射泵的气蚀临界沉没度。本文推导出了气蚀临界沉没度的计算公式,通过已知的高吸程喷射泵产品性能参数及下泵深度求得气蚀临界沉没度。通过试验,间接测量了两组扬程分别为44m及34m的高吸程喷射泵正常工作时的最大吸程,验证了理论计算结果。通过对计算所得气蚀临界沉没度和试验测得的最大吸程比较分析,发现高吸程喷射泵射流泵无法正常工作的原因是发生了气蚀或工作压力太小,可以采取调节下泵深度或增加工作泵扬程等措施以满足使用需要。     

基于修正PANS模型的轴流泵空化特性数值模拟

为了研究轴流泵空化问题,利用CFX软件二次开发技术对湍流模型进行了修正,通过编写CCL语言实现了PANS模型中参数f_k的动态定义,使其可以瞬时地根据当地网格条件和湍流长度尺度修改其值;利用修正后的湍流模型对轴流泵全流道进行空化数值计算,得出临界汽蚀余量为5.37 m,经试验可知,实际临界汽蚀余量为5.68 m,两者误差是由试验条件及试验系统引起的,且在合理范围内,并通过拍摄空泡图验证了该湍流模型在轴流泵空化计算中的可靠性.分析数值计算结果,得出了不同工况下轴流泵的空化特性,随着汽蚀余量的减小,轴流泵叶轮内空泡体积分数变大,涡量变大,叶片表面压力和流速在空泡产生和溃灭的位置处发生相应波动;随着流量的增大,轴流泵临界汽蚀余量减小,空泡分布的整体量变大,叶轮内部湍动能值变大,湍流耗散变严重,这与空化的发生和溃灭有直接关系.     

基于环对称掺气的液体射流泵试验研究

为改善液体射流泵性能,提出了在喉管处环对称掺气的方法.通过射流泵水力试验,研究了不同掺气条件下各流量比工况的基本性能及空化特征.试验表明：喉管适量掺气后,未达到极限流量比工况时压力比总体略有提升,效率变化率增值为0.3%～4.9%,接近极限流量比时增效最为明显;极限工况时掺气可以改善空化性能,实测喉管及扩散管的压力脉动明显减弱,且射流泵极限流量比有所增加、正常工作范围变大;较优的掺气率(空气与混合液的体积流量比)为2.0%～3.0%.研究表明：与水相比,空气的黏度系数较小,少量空气被液体携带贴着管壁流动,可降低近壁面水流阻力、减小沿程水头损失,有利于提高射流泵传能效率.在极限工况时空气自然吸入可提升喉管内压力、减免射流泵空化、改善运行性能.环对称掺气的研究成果,可为液体射流泵的性能优化提供一定的参考依据.     

轴流泵流动噪声数值模拟

为了研究轴流泵内部压力脉动和流动噪声在不同工况下的变化规律及其关系,采用数值模拟方法,应用计算流体动力学软件Fluent和声学软件LMS Virtual Lab分别模拟轴流泵流场和声场分布,并进行时域和频域分析.取叶片非定常脉动力作为声源,运用边界元法对比分析了有泵壳振动影响和无泵壳振动影响下泵壳体边界声场分布的不同.结果表明：叶轮叶片、导叶叶片和动静交界面处监测点的静压均表现出明显的离散频谱特性,叶片通过频率（BPF）是压力脉动和流动噪声的主频,这是由叶轮和导叶之间的动静干涉引起的;而流动噪声在2倍谐频（133.4 Hz）和3倍谐频（200.1 Hz）处也有明显峰值,这是由叶轮叶片和泵壳壳体振动引起的.忽略泵壳振动影响的情况下,噪声水平偏大,考虑声振耦合的噪声情况更接近于实际,所以结构振动是噪声辐射分析的重要因素.噪声指向性分布图表明了叶片噪声辐射具有明显的偶极子特性.     

液力减速器振动特性的试验研究

为研究充液率、转速及叶片倾角对液力减速器外特性的影响,通过INV3020数据采集系统建立了振动试验系统,实现了振动信号的采集.以75°及90°泵轮液力减速器为模型,调节充液率维持在50%,60%,70%,80%,90%,100%情况下,调节变频器使泵轮转速恒定在800~1 200 r/min 5种工况进行试验研究.研究结果表明:充液率及转速的增加能够加剧液力减速器的振动特性,叶片倾角的减小使空化提前发生,发生空化时会出现振动激增现象;液力减速器从泵轮流出的液流对涡轮的作用力主要为轴向冲击力,故轴向测点振动最剧烈,其他方向测点振动幅值小于轴向测点.     

套筒式蒸汽疏水阀多工况下的空化及噪声分析

针对蒸汽疏水阀内普遍存在的空化及噪声问题,设计了一种套筒式疏水阀.基于RANS方程、Mixture多相流模型及空化模型,对阀门内部的空化流动进行了数值模拟研究.并基于时均湍流流场信息与宽频噪声模型计算噪声源声功率分布特征,对比分析了阀门在空化和无空化工况时的噪声声功率.结果表明:疏水阀内空化主要发生于套筒节流孔处;阀内的空化强度随入口流速的增加而增强;空化发生的临界流速为2.5 m/s,当入口流速低于2.5 m/s时,阀内基本不发生空化;阀内的主要噪声源分布于套筒节流孔内的高流速空化区和阀腔环向壁面及阀腔底面的涡旋区内;套筒处的空化强度是决定套筒处最大声功率的主要因素,通过抑制套筒处的空化程度可有效降低套筒处声源最大声功率.     

卧式轴流泵空化特性的数值分析

轴流泵内部的空化现象是影响叶轮能量转换,导致轴流泵扬程、效率等性能下降的重要原因.为了研究轴流泵内部的空化现象,以轴流泵TZX-700为研究对象,该型号轴流泵相较于一般的轴流泵无后置导叶.为了验证数值计算结果的准确性,对该卧式轴流泵分别进行了试验研究和数值模拟,试验曲线和数值计算曲线基本吻合.在设计工况和小流量工况下进行全流道数值模拟,对其空化特性曲线、叶片吸力面和压力面的静压分布以及空化体积分数分布进行分析.结果表明:当进口压力为101.325 kPa时,在叶片的吸力面就已经发生空化;在叶片压力面,当有效空化余量NPSH_a下降到临界空化余量NPSH_cr=7.79 m时,靠近进口边的叶顶处开始产生少量的空泡;随着NPSH_a的下降,叶片表面的空化区域进一步增加,对叶轮内的流场产生明显的影响,导致扬程急剧下降;在同一轴流泵进口压力下,小流量工况下叶片表面的空化区域相较于设计流量工况进一步扩大,由靠近轮缘的进口边向出口边和叶根处发展,空化现象更为严重.