导叶出口安放角对双向轴流泵水力性能影响研究

随着湿地生态保护治理过程中对双向轴流泵的需求日益增加,开发设计双向轴流泵已然成为重要课题,为了探究导叶出口安放角对轴流泵双向运行性能的影响,以一台比转速为903的轴流泵为研究对象,利用ANSYS CFX软件的标准k-ε湍流模型对5种不同导叶出口安放角的双向轴流泵进行定常和非定常数值模拟,研究分析了导叶出口安放角对轴流泵双向运行的外特性、水力损失、内部流场、压力脉动的影响。结果表明：正向运行设计工况下,减小导叶出口安放角,可减小导叶部分水力损失,并且减小导叶吸力面低压区面积,因脱流产生的能量损失也随之减小,轴流泵效率明显增大;设计工况反向运行时,随着导叶出口安放角的减小,导叶回收能量的能力也随之减小,导叶部分水力损失增加,并且轴流泵效率降低。改变导叶出口安放角度,可对正向运行时轴流泵内压力脉动产生一定影响。适当增加正向运行时导叶出口安放角均能在一定程度上减小轴流泵内压力脉动幅值,改善能量损失;导叶出口安放角对双向轴流泵反向运行时的压力脉动幅值大小无明显影响。因本次研究的轴流泵为双向运行,结合正反两向效率变化相反的情况,考虑该轴流泵在双向运行时均有较高效率的运行范围,所以取导叶出口安放角为...     

叶顶间隙对轴流泵轮缘压力脉动影响的数值预测

为分析不同叶顶间隙下轴流泵轮缘区非定常流动特征,采用大涡模拟方法和滑移网格技术,对5种轮缘间隙下轴流泵设计工况的非定常湍流进行了数值计算,分析了间隙尺寸对泵外特性、轮缘泄漏涡形态及叶片近轮缘区压力脉动特性的影响。结果显示:叶顶间隙从0.001D2增加到0.003D2,泵扬程和效率分别下降6.2%和5.6%;间隙值大于0.001D2时,轮缘间隙主泄漏涡发展至相邻叶片正面,间隙区产生大量次泄漏涡;受泄漏涡影响,叶片正面中部近轮缘侧压力脉动幅值随轮缘间隙增加而增大;不同间隙尺寸下,叶片背面近轮缘处压力脉动主频均为叶轮转频fr,叶片正面对应点的压力脉动主频则随间隙变化存在明显差异。     

壁面粗糙度对轴流泵水力性能影响的研究

采用全三维雷诺时均Navier-Stokes方程和标准κ-ε湍流模型,数值模拟了包括叶轮、导叶、泵壳和轮毂等过流部件壁面粗糙度对轴流泵水力性能的影响。计算结果表明,壁面粗糙度对轴流泵的水力特性影响显著。通过机械抛光或表面处理等方法,降低过流表面的粗糙度,可有效地提高轴流泵的扬程和效率。水泵的效率对叶片表面的粗糙度更加敏感,应给予更多的关注。研究还发现,水泵出口断面轴向流速分布均匀度和速度加权平均偏流角也随壁面粗糙度改变而改变。     

不同载荷分布型式下轴流泵叶顶间隙流特性研究

轴流泵叶顶泄漏流对水泵内外特性有重要影响,从控制叶片载荷角度建立了轮缘载荷分布型式与叶顶泄漏流的关系。基于三维反问题设计方法设计得到了具有前载、中载和后载3种典型轮缘载荷分布型式的轴流泵叶轮模型,采用三维湍流模拟技术研究了上述3种轮缘载荷分布型式对轴流泵叶顶泄漏流及其诱导的泄漏涡流动的影响。结果表明,相对于轮缘前载型叶轮和轮缘中载型叶轮,轮缘后载型叶轮可有效消除叶片进口附近低压区,有利于叶轮空化性能;小流量工况性能有所提高,有效抑制流量扬程曲线的驼峰现象;同时轮缘后载型叶轮具有更好的小流量工况压力脉动性能。     

不同载荷分布型式下轴流泵叶顶间隙流特性研究

轴流泵叶顶泄漏流对水泵内外特性有重要影响,从控制叶片载荷角度建立了轮缘载荷分布型式与叶顶泄漏流的关系。基于三维反问题设计方法设计得到了具有前载、中载和后载3种典型轮缘载荷分布型式的轴流泵叶轮模型,采用三维湍流模拟技术研究了上述3种轮缘载荷分布型式对轴流泵叶顶泄漏流及其诱导的泄漏涡流动的影响。结果表明,相对于轮缘前载型叶轮和轮缘中载型叶轮,轮缘后载型叶轮可有效消除叶片进口附近低压区,有利于叶轮空化性能;小流量工况性能有所提高,有效抑制流量扬程曲线的驼峰现象;同时轮缘后载型叶轮具有更好的小流量工况压力脉动性能。     

轮缘间隙对轴流泵内部非定常流场的影响

为研究轴流泵轮缘间隙泄漏流的非定常特征及其对泵外特性的影响,采用基于S-A模型的DES方法和滑移网格技术,对轴流泵在设计流量下的内部湍流进行了数值计算,重点分析了4组轮缘间隙下泵内非定常流场特性及压力脉动特性.在设计轮缘间隙下,计算所得泵扬程和效率与试验数据吻合良好,最大相对误差分别为2.0%和3.0%.计算结果表明:随轮缘间隙增大,水泵扬程和效率均呈下降趋势;轮缘泄漏涡强度和影响范围随轮缘间隙增大而增大,当轮缘间隙为3.3‰D₂时,轮缘泄漏涡扩散至相邻叶片出口边;不同轮缘间隙下,叶轮区压力脉动频率均以叶频为主;靠近叶片进口的叶轮室内壁压力脉动幅值随轮缘间隙的增大呈减小趋势,叶轮室中部压力脉动随轮缘间隙增大而增大;叶轮出口断面的压力脉动频域特性在不同轮缘间隙下均以1倍叶频为主,脉动幅值随轮缘间隙增大而减小.     

轴流泵叶顶泄漏涡流体动力学特性数值模拟

基于SST k-ω湍流模型和局部优化的高质量结构化网格,对南水北调工程天津同台测试的TJ04-ZL-02型轴流泵水力模型进行了数值计算,并探究了叶顶泄漏涡的流场结构和流体动力学特性。数值计算和试验结果表明,基于SST k-ω湍流模型可准确地对间隙泄漏流和边界层流动进行数值模拟;叶顶泄漏涡形成的动力为叶片工作面和背面的压差,由于叶片进口边压差最大,叶顶间隙泄漏流的流速较高,随着叶片弦长系数λ的逐渐增大,叶片工作面和背面之间的压差逐渐减小,间隙泄漏流的速度和泄漏涡强度均逐渐降低;叶顶区的局部低压区主要集中在靠近压力面间隙内分离涡的旋涡区以及叶片背面下部叶顶泄漏涡区域,叶片背面局部低压区域随着叶片弦长系数λ的逐渐增大,距离叶片背面的间距增大;叶片轮缘靠近叶片工作面附近的局部低压区主要是由叶顶拐角诱导的分离涡引起,而叶片下部的局部低压区主要是由叶顶泄漏涡引起,上述过程揭示了轴流泵叶顶间隙泄漏涡的流动特性。     

双向流道轴流泵装置的飞逸特性

为研究双向流道轴流泵装置的飞逸特性,以引江济淮枞阳站泵装置模型为研究对象,基于RANS方程和RNG k-ε模型,应用CFX软件对双向轴流泵装置全流道进行了非定常数值模拟,获得了不同扬程下的流量值及飞逸转速值,计算得到了单位飞逸转速.通过数值计算结果与试验结果相比较,验证了数值计算方法的正确性.结果表明:单位飞逸转速随着叶片安放角的增大而逐渐减小;水流通过泵段后流动变得不稳定,在出水流道中产生大量旋涡;叶轮进口处压力脉动主频为叶轮转频的叶片倍数,压力脉动幅值从轮毂到轮缘逐渐增大;叶片吸力面中部压力分布较不规律,叶片压力面头部及吸力面尾部存在高压区,且面积随飞逸扬程增加而变大;叶片尾部流速较大,边缘存在流动分离现象,而头部存在低速区域,扬程增大后低速区面积增大,流场更加不稳定.研究结果可为泵装置的设计优化及安全管理提供一定参考.     

ZWX系列轴流泵水力模型的研究

我国轴流泵效率普遍偏低。对传统的升力法公式进行了改进，应用改进升力法设计的叶轮叶片能有效地控制轮毂和轮缘处边界层及间隙内流动，提高了泵的效率。利用Fluent软件进行流动模拟，叶轮叶片表面及轮毂、轮缘处的速度-压力分布也较理想，改进效果良好。     

轴流泵运行工况和叶顶间隙对叶顶泄漏涡轨迹的影响

采用SST k-ω湍流模型模拟和旋涡强度方法,对某一轴流泵模型泵叶轮叶顶区流场和叶顶泄漏涡轨迹进行了数值计算,分析了运行工况和叶顶间隙两个因素对轴流泵叶顶泄漏涡运动轨迹的影响.数值模拟结果表明,随着流量增大,轴流泵叶顶泄漏涡的涡核轨迹起点由叶尖向叶片翼型中部逐渐移动.随着流量的增大,叶片流道内的流动方向发生偏移,叶顶泄漏涡在主流的卷吸下,运动轨迹随之变化,涡轨迹线的斜率受叶轮内主流的影响而变大.随着叶顶间隙增大,泄漏涡的卷吸程度逐渐增强,影响范围增大,涡核的起点由叶片前缘逐渐向后缘移动,且涡核的压力逐渐降低,因此在大间隙时涡带更易出现空化现象.当叶顶间隙达到1.5 mm时,轴流泵在0.9Qd工况附近出现驼峰现象,说明叶顶泄漏涡对驼峰区不稳定流场具有重要的影响.     

翼型最大拱度位置对轴流泵水力性能影响的模拟与试验

为了研究翼型拱度对轴流泵水力性能的影响,采用数值模拟和模型试验的方法在参数化翼型的基础上,保持升力系数大体一致,改变翼型最大拱度的位置及高度设计得出对应轴流泵叶轮,分析翼型拱度对轴流泵水力特性的影响。在二维翼型最大拱度位置为0.3L~0.65L时采用翼型优化方法,保证翼型的升力系数基本一致,得到了不同最大翼型拱度位置下的翼型设计方案;针对0.4L、0.5L和0.6L共3种最大翼型拱度位置下的翼型设计方案,采用二维叶栅理论进行轴流泵叶轮设计。其余设计参数均保持不变,得到3副不同的轴流泵叶轮,将配套导叶、弯管、叶轮组合成泵段进行数值模拟计算。最后通过泵段模型试验验证了数值计算结果的可靠性。研究结果表明：为保证轴流泵具有较好的能量性能和汽蚀性能,最大翼型拱度最好选择在0.4L~0.6L的位置。当最大翼型拱度位置为0.5L时,水泵具有较宽的高效区运行范围,流量扬程曲线较为平顺。在小流量区域,最大翼型拱度位置靠近翼型前缘或尾缘时,效率均会下降;在大流量区域,最大翼型拱度位置越靠近翼型尾缘效率越高。随着最大拱度位置向翼型尾缘的偏移,水泵的汽蚀性能有一定的提高。在泵站工程应用时,可通过改变最大翼型拱度位置来满足泵站实际运行的能量性能和汽蚀性能要求。     

大型轴流泵装置性能预测的研究

以樊口泵站的工程实际为背景,运用CFD数值模拟技术和方法,以肘型进水流道,屈膝式出水流道及40CJ-95型轴流泵为具体对象,对泵装置整体进行全面系统的研究.在额定转速下,改变叶片安装角,分别模拟各种不同叶片安装角下的工况,预测水泵性能,并和实际特性曲线进行比较;分别改变转速和叶片安装角,针对模拟结果分析预测装置性能,与模型试验值进行对比.结果表明:用基于有限体积法的双方程紊流模型对泵装置整体进行数值仿真研究,是可行、有效的;并且通过与已有实验成果比较,得出模拟计算结果与试验值吻合较好,表明计算结果可信.     

钟型进水流道轴流泵装置数值优化与试验分析

基于RNG k-ε紊流模型和雷诺时均N-S方程,运用流体计算CFD软件对钟型进水流道的轴流泵装置进行三维流动数值模拟以及水力性能的优化设计。通过先局部后整体的方法先单独对钟型进水流道进行优化,然后在整体泵装置内对弯管式出水流道进行优化,对进、出水流道进行三维参数化建模,进水流道以出口断面速度均匀度和水力损失为目标函数,出水流道以泵装置效率为目标函数,针对设计流量工况点,分别对进水流道和出水流道各控制参数方案进行数值模拟计算,分析不同控制尺寸对进、出水流道水力性能的影响。最后通过模型试验对优化方案数值计算结果进行可靠性验证。数值模拟和模型试验结果表明,优化后钟型进水流道的水力损失由0.348 m降低到0.148 m,钟型进水流道出口流速均匀度由54.59%提高到93.35%;弯管式出水流道的水力损失由0.464 m降低到0.415 m,通过优化流态得到了改善。模型泵装置试验在叶片安放角0°时,设计工况下泵装置效率达到74%,泵装置最高效率为76.47%,高效区运行范围较宽;进出水流道无漩涡产生,流态均匀,数值模拟和模型试验外特性曲线误差在5%以内,进水流道水力损失曲线趋势相同。运用数值模拟优化计算钟型进水流道的轴流泵装置,缩短了试验周期,节约了成本,可为同类泵站的设计和安全运行提供参考。     

液环泵轴向叶顶间隙泄漏流动的等离子体控制数值研究

针对液环泵叶轮轴向叶顶间隙泄漏问题,提出采用介质阻挡放电等离子体激励对液环泵轴向间隙气相泄漏流动进行控制,耦合唯象学模型、RNG k-ε湍流模型及VOF气液两相流模型模拟不同激励电压下等离子体对泄漏流场的干扰作用,探究等离子体激励对间隙泄漏流场的调控机理。结果表明,等离子体激励诱导的壁面射流方向与间隙泄漏流动方向相反,诱导的反向壁面射流能够有效地抑制泄漏流强度,并在一定程度上改善间隙泄漏流引起的二次流动,降低间隙泄漏流动损失;同时在等离子体激励的非间隙区域,等离子体激励诱导产生旋涡结构,使得近壁区域产生额外的水力损失。激励电压及位置对泄漏流控制效果有重要的影响,15kV激励电压的等离子体流动控制效果明显优于10kV激励电压,当激励位置位于叶顶间隙出口附近时等离子体激励对泄漏流具有较好的抑制效果。研究结果能够为液环泵的性能优化提供理论参考。     

配合间隙对直线共轭内啮合齿轮泵流场特性的影响

直线共轭内啮合齿轮泵是液压系统中的关键组件,因其高效的压力输送特性而广泛应用于工程领域。本文采用计算流体动力学模拟方法对直线共轭内啮合齿轮泵进行研究,分析轴向间隙和径向间隙对齿轮泵泄漏和流场的影响。研究结果表明：配合间隙的变化对齿轮泵的流场特性产生广泛影响,轴向间隙是引发泄漏的主要因素,约占总泄漏量的80%;当轴向间隙由0.03 mm增加到0.07 mm后,输出流量减少20.81%,平均压力下降33.15%,空化产生的气体体积分数增加0.021;而设置相同径向间隙后,输出流量仅下降0.69%,平均压力下降2.76%,空化产生的气体体积分数增加0.005。此外,导致泵内流速变化的主要配合间隙是轴向间隙,适当减小轴向间隙可提升泵内的流体速度,从而提升泵的整体效率。     

全贯流泵回流间隙对泵水力性能的影响

为了研究全贯流泵回流间隙对泵水力性能的影响,利用CFD软件对全贯流泵装置进行了数值模拟计算,分析了全贯流泵装置的流动特性和水力性能,并通过模型试验验证了计算数据的可靠性。研究结果显示：回流间隙对全贯流泵的水力性能有较大的影响,且随着电机转子间隙的增大,泵装置在设计工况下的效率和扬程均逐渐降低。当回流间隙为0.65mm时,全贯流泵在设计工况下的扬程为3.05m,效率为82.46%,最高效率为82.66%。当回流间隙为2mm时,全贯流泵在设计工况下的扬程为2.92m,效率为80.85%,最高效率为81.27%,两种回流间隙的泵装置在设计工况下的扬程差值为0.13m,效率差值为1.61个百分点。随着流量的增大,全贯流泵叶轮进出口的压差逐渐减小,间隙回流流量也逐渐减小,间隙回流对叶轮进出口的流态影响也减小。距离轮缘越近,回流对流态的影响越大。随着回流间隙的增大,全贯流泵的间隙流量变大,间隙回流对叶轮进出口的流态影响增大,叶轮的做功能力逐渐变差,全贯流泵的扬程和效率均逐渐下降。