基于数值模拟的多级双吸式离心泵性能预测

以北赵引黄工程谢村站用多级双吸式离心泵为研究对象,基于雷诺时均N—S方程,采用SSTk－ω湍流模型,压力速度耦合使用SIMPLEC计算,对泵内部流动进行了三维定常全流场湍流数值模拟,得到不同工况下该泵内部流动的速度矢量图等流场信息．在对其内部流动规律进行了定性分析的基础上,预测了泵的性能,并与现场测试结果进行了对比分析．分析结果表明：首级叶轮首级压水室以及次级叶轮次级压水室内流动较均匀;由于过渡流道的结构特点以及流动惯性,流体在首级压水室进入过渡流道时,在流道突然扩大区域形成了旋涡,旋涡区域大小与流量有关;预测扬程值与现场测试扬程吻合较好,预测扬程最大误差为2．7％,而预测的流量－水力效率曲线与现场测试流量一机组效率曲线变化趋势一致．水泵内部流动的数值模拟可为工程中泵设计阶段的性能预测和结构优化提供依据．     

轴流泵马鞍区流场流固耦合数值模拟

为了分析轴流泵不稳定运行马鞍区工况内叶轮的结构,并研究该结构的稳定性,采用雷诺时均离散方法和标准k-ε湍流模型对泵装置流场进行CFD数值模拟,利用ANSYS的Workbench平台,通过单向流固耦合模型对叶轮的应力和应变进行计算,得到了不同工况下叶轮受流体压力作用所产生的等效应力及变形量,研究了叶轮结构的应力和变形量随流量的变化特征.研究结果表明：在40%～75%设计流量下不稳定运行马鞍区,数值模拟能准确地计算轴流泵内部流场,泵装置内部流态随流量的减小逐渐紊乱.轴流泵叶片表面应力分布不均,集中分布在叶片根部,随着流量的减小最大应力逐渐增大,马鞍区工况叶片结构应力有较大的安全余量,满足强度要求;叶片进水边外缘叶尖处变形较大,振动现象明显,最大总变形量随着流量的减小先增大后减小,但大变形区域由叶尖向叶缘扩散.研究结果为轴流泵马鞍区安全稳定性研究提供了一定参考.     

基于CFD的对旋轴流式喷水推进泵转速控制方法

为了研究不同转速比下对旋轴流式喷水推进泵的外特性,应用计算流体动力学的方法对不同工况下的喷水推进泵进行数值模拟,分析了推进泵外特性与转速比的关系以及不同转速比下对旋泵的内部流动结构与能量耗散的特征.计算结果表明：不同转速比下喷水推进泵的外特性变化较大;通过比较,得到了不同流量下效率最高点的最优转速比;当流量小于1.0Qd时,控制首级叶轮的转速可以获得最优转速比;流量大于1.0Qd时,控制次级叶轮的转速获得最优转速比;通过对0.9Qd时速度三角形和内部流场的分析,发现降低转速可以减小首级叶轮进口冲角,改善内部流场,减小水力损失.通过以上分析验证了转速控制方法的有效性.     

轴流泵多工况变速调节的内部流场模拟

为了研究变速调节下轴流泵的性能和内部流场特性,基于 ANSYS CFX 软件,采用ｋ－ε模型对模型泵多个工况点进行了三维湍流数值计算,计算得到了轴流泵的性能曲线和叶片表面的速度、压力分布。基于数值计算结果对轴流式模型泵性能和叶轮内部流场分析,结果表明：随着转速的增加,扬程曲线升高。效率曲线则随转速的降低而左移。在偏离设计工况的小流量区域,通过变速调节可以扩大轴流泵的高效工作区。     

基于数值模拟的多级双吸式离心泵性能预测

以北赵引黄工程谢村站用多级双吸式离心泵为研究对象,基于雷诺时均的N-S方程,采用SSTk-ε湍流模型,压力速度耦合使用SIMPLEC计算,对泵内部流动进行了三维定常全流场湍流数值模拟,得到不同工况下该泵内部流动的速度矢量图等流场信息,在对其内部流动规律进行了定性分析的基础上,预测了泵的性能,并与现场测试结果进行了对比分析。分析结果表明,首级叶轮首级压水室以及次级叶轮次级压水室内流动较均匀;由于过渡流道的结构特点以及流动惯性,流体在首级压水室进入过渡流道时,在流道突然扩大区域形成了旋涡,旋涡区域大小与流量有关;预测扬程值与现场测试扬程吻合较好,预测扬程最大误差为2.7%,而预测的流量-水力效率曲线与现场测试流量-机组效率曲线变化趋势一致;水泵内部流动的数值模拟可为工程中泵设计阶段的性能预测和结构优化提供依据。     

前置导叶可调式轴流泵低频压力脉动特性研究

基于RANS方程和SST k-ω湍流模型,对前置导叶可调式轴流泵进行三维非定常计算,研究了前置导叶调节对轴流泵外特性和压力脉动的影响,揭示了小流量工况泵内低频压力脉动随前置导叶调节变化机理。结果表明:前置导叶负角度时,轴流泵扬程升高,效率在小流量工况基本保持不变,大流量工况略有升高;前置导叶正角度时,轴流泵扬程和效率均下降,且大流量工况效率下降幅度较大;小流量工况泵后置导叶内的涡旋引起低频压力脉动,且低频压力脉动频率与涡脱落频率一致;偏离设计工况时,前置导叶调节可减小叶轮进口流动冲角,改善泵内流态,从而降低低频压力脉动幅值。     

立式轴流泵装置模型水力性能数值分析及预测

依托南水北调东线一期工程某低扬程泵站的设计参数,基于三维湍流流动雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对由肘形进水流道、轴流泵和虹吸式出水流道组成的低扬程立式轴流泵装置模型内部流动进行数值模拟,分析了小流量工况(0.180 m³/s)、设计流量工况(0.299 m³/s)和大流量工况(0.360 m³/s)等3个典型工况时的泵装置流态和叶轮叶片表面的压力分布情况,对泵装置模型的能量性能进行预测,并与泵装置模型试验结果进行对比分析.结果表明:泵装置效率的数值计算结果与模型试验结果基本一致,最优工况点附近较为接近,在计算范围内最大差值不超过2%;设计流量工况时泵装置进、出水流道内的三维湍流流动状况,与进、出水流道分别进行数值计算时的状况基本一致;3种不同典型工况时泵装置进水流道内的流场分布状况相同,而出水流道内的流场差别很大.对不同工况时立式轴流泵装置模型内部三维湍流流动的研究结果,可为低扬程泵装置多工况水力设计优化研究提供一定的参考.     

对旋轴流式喷水推进泵压力脉动的数值计算

为了解喷水推进泵内部压力脉动特性,以对旋轴流式喷水推进泵为研究对象,应用计算流体动力学(CFD)方法,采用雷诺时均法并引入SST k-ω湍流模型使方程封闭,对对旋轴流式喷水推进泵进行设计工况下非定常数值模拟.经网格无关性检验后,计算得到的推进泵功率与扬程与设计值基本一致.在首级叶轮进口处,首、次级叶轮轮缘间隙处,轴向间隙及导叶进口处设置监测点,监测不同位置的压力脉动数据.得到各监测点的时域图和频域图并对各监测点压力脉动特性进行了对比分析.结果表明:对旋轴流式喷水推进泵内压力脉动主要受叶频的影响,首级叶轮和次级叶轮轮缘间隙处的压力脉动不仅与首、次级叶轮的叶片数有关,还与喷水推进泵叶轮数量有关;受两级叶轮反向旋转的影响,轴线方向上首级叶轮与次级叶轮之间轴向间隙处的压力脉动幅值最大, 轴向间隙的压力受到首级叶轮和次级叶轮的共同影响;次级叶轮出口与导叶进口处压力脉动主要受到导叶回流的影响.     

带可调进口导叶轴流泵装置水力性能数值分析

根据轴流泵进口导叶片的设计要求,设计了可调进口导叶并开展了不同安放角进口导叶轴流泵装置的三维定常数值计算,获取了进口导叶对轴流泵装置水力性能调节的综合特性曲线,建立了带可调进口导叶轴流泵装置水力性能预测的多元非线性回归预测数学模型。依据数值计算结果和速度三角形分析了可调进口导叶对转轮及轴流泵装置水力性能的影响,结果表明:在进口导叶安放角0°时,相比不带可调进口导叶的轴流泵装置,在高效区及小流量工况时带进口导叶泵装置的能量性能变化很小,大流量工况时进口导叶的水力损失较大进而导致带进口导叶泵装置的效率下降幅度较大。随进口导叶安放角由0°逐渐向正角度增大时,泵装置的最优工况向小流量方向偏移,泵装置的流量效率曲线呈现出整体下降的趋势;随进口导叶安放角由0°逐渐向负角度减小时,泵装置的最高效率先增大后减小,但泵装置的最高效率点对应的流量未发生改变。     

轴流泵内部压力脉动数值预测及分析

基于RANS方程和RNG k-ε模型,采用Ansys-CFX软件对轴流泵泵段进行了多工况三维非定常数值模拟,得到了不同工况下轴流泵内部不同监测点的水流压力脉动值,分析了轴流泵内部不同监测点水流压力脉动的变化趋势,并预测了叶轮进口前由于叶轮转动引起的压力脉动影响范围.通过与实测扬程和效率比较,表明了数值模拟方法的可行性及可靠性.研究结果表明:轴流泵内部压力脉动频率主要受叶轮转动频率控制,较大压力脉动发生在叶轮进口前;叶轮进口处压力脉动从轮毂到轮缘逐渐增大,叶轮出口处压力脉动从轮毂到轮缘先减小后增大,导叶后压力脉动从轮毂到轮缘先增大后减小;小流量工况及大流量工况下压力脉动幅值较最优工况大;受叶轮转动影响,叶轮进口前压力脉动影响至叶轮中心前0.7D左右.     

对旋式轴流泵后置叶轮水力性能分析

为了研究对旋式轴流泵后置叶轮对其水力性能的影响,采用CFD软件对该对旋式轴流泵装置进行数值模拟计算,将前置叶轮与后置叶轮水力特性进行对比分析,研究后置叶轮的进口安放角对整个装置水力特性的影响,最后通过模型试验验证数据的可靠性.结果表明:在设计工况下,对旋式轴流泵扬程为11.32 m,效率为87.57%.在小流量工况下,流量为300 L/s左右泵提前进入马鞍区,此时泵扬程为14.06 m,效率为79.48%;在大流量工况下,流量为440 L/s时,泵装置扬程为2.24 m,效率为54.16%.对旋泵后置叶轮的水流进口冲角要大于前置叶轮的水流进口冲角,导致后置叶轮叶片做功能力增强,后置叶轮扬程增大.改变后置叶轮安放角,特别在小流量工况下,后置叶轮的马鞍区同样提前,后置叶轮的进口液流角几乎相同.研究结果对于对旋式轴流泵后置叶轮的设计和优化提供参考依据.     

对旋轴流式喷水推进泵空化流动数值模拟

基于ANSYS CFX软件,利用Rayleigh-Plesset空化模型和SST湍流模型,在设计工况下,分别对首、次级叶轮单独以及对旋轴流式喷水推进泵整体进行了空化定常模拟,得到了各自的空化特性曲线.选择空化开始发生、临界空化点以及空化严重时3个工况比较分析首、次级叶轮内空化流动的发展情况.计算获得了不同净正吸头下叶片工作面、背面静压、背面空泡体积组分分布.计算结果表明,空化最初发生在首级叶轮叶片背面进口靠近轮缘的局部低压区,随着NPSH的减小,该空泡区域从轮缘向轮毂方向延伸.首、次级叶轮空化发展不同步,由于次级叶轮处于首级叶轮的预压下,首级叶轮发生空化时,次级叶轮并没有发生空化.计算结果从理论上较好地揭示了对旋轴流式推进泵空化性能的特点及其内部空化流动的特征.     

离心泵叶轮斜切对出口回流及驼峰特性的影响

为研究叶轮出口斜切对于离心泵驼峰性能的影响,选用离心泵(IS 65-50-174)作为研究对象,利用试验获得叶轮斜切前后的外特性,并利用SST k-ω模型进行非定常数值模拟以获得内流场以及压力脉动特性.试验结果表明,叶轮出口斜切后,可以消除原模型泵中的驼峰现象,并在小流量区域引起更高的耗功.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分析,可以得到以下结论:随着流量的减小,原模型泵叶轮出口的低能量区,从前盖板转移到后盖板附近;而叶轮斜切之后,回流发生在叶轮后盖板附近,并随着流量的减小出口回流强度逐渐上升,进而形成较为稳定的性能曲线.对叶轮出口的压力脉动进行分析,发现斜切后低频脉动幅值减小,叶轮出口流动不稳定性有所下降.     

中比转数离心泵多工况设计

为了实现TS65-40-125型中比转数离心泵在实际运行中的水力性能需同时满足多个工况点的要求,借鉴在低比转数离心泵多工况设计中广泛应用的加大流量设计法,对其叶轮进行3次改进.采用Ansys Workbench 12对整个计算域进行结构化网格划分,并对网格无关性进行了分析,利用商业软件CFX进行数值模拟,进口边界设定为均匀来流,出口边界设定为压力出口,采用SST k-ω模型,分析了不同设计方案下叶轮内的压力、湍动能、速度分布,并对泵的外特性进行了预测,最后选取一个最优方案进行试验.结果表明：采用加大流量设计法,恰当的选取叶轮几何参数,可以有效地增加中比转数离心泵的扬程、提高水泵效率,拓宽水泵高效区.TS65-40-125型中比转数离心泵叶轮采用加大流量设计法改型后,设计点水泵扬程比原型对应工况点最多提高了5 m,在5个工况点效率基本满足国家标准要求.研究结果可为中比转数离心泵的多工况设计提供一定的参考.     

多级旋涡泵内部流动特性与压力脉动的数值分析

为了揭示旋涡泵内部流场结构和非定常压力脉动特性,研制具有开式叶轮和闭式流道结构的多级旋涡泵,基于RNG k-ω湍流模型、SIMPLEC算法与块结构化网格,对旋涡泵内部流场进行数值模拟和试验验证.通过外特性数值预测验证了该旋涡泵能够满足设计参数的要求.基于CFD数值模拟技术,对旋涡泵内部流场进行数值模拟.结果表明:随着流量逐渐增大,旋涡泵扬程呈现陡降的趋势,同时叶轮叶片的做功能力变差,叶片对液体的增压能力逐渐降低.在叶轮吸入口和压出口两侧的叶片流道内部,其速度分布和湍动能分布变化梯度较大,其它叶片流道内部速度分布和湍动能分布较为相似.叶轮流道内部叶顶区域中间流道内存在1个低速区,随着流量的逐渐增大,低速区越来越小.叶轮流道内部叶根区域中间流道内存在1个速度梯度密集区,该区域湍动能较大,即叶片流道的叶根区域存在较大的损失耗散区,随着流量的逐渐增大,该损失耗散区越来越小.分析旋涡泵各特征位置的压力脉动特性发现,在叶轮叶片不同监测位置和闭式流道不同监测位置,压力脉动频率特性较为明显,即此处会诱发较为明显的水力振动和噪声.结果揭示了旋涡泵内部流场和性能的影响机理,为旋涡泵的设计提供了理论依据.     

叶片进口边位置对离心泵性能的影响

为了研究叶片进口边位置对离心泵外特性能、内流场的影响规律,在原型泵的基础上,设计了叶片进口边位置不同的5种叶轮,基于SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,分别对5种叶轮的离心泵在清水和含沙水介质下进行三维全流道定常数值计算.结果表明:针对低比转数离心泵,叶片进口排挤严重,使叶片进口边向出口方向延伸可以使叶片进口处的流动更加均匀,液流的流动速度减小,叶片表面的压力变大,从而改善空化性能;在一定范围内变动叶片的进口边位置对离心泵的扬程、效率影响不大,但是当叶片的进口边位置向出口方向延伸过多会导致叶片对液流的做功能力下降,从而使离心泵的扬程明显下降;当离心泵在相同工况下运行时,离心泵进口沙粒含量的增大会使离心泵的扬程、效率降低,且会使流道内空化核的数量增大,从而导致空化性能变差.     

高扬程大流量离心泵CFD水力优化设计

选哈电A934模型叶轮作为对象叶轮,以预定的泵扬程流量特性(H-Q)为目标参数,在保证出口角不变的情况下,将对象叶轮出口直径延拓到目标叶轮直径,形成待优化的目标叶轮．使用CFX-TASCFlow软件进行改型设计,针对干河泵站最大扬程、最小扬程以及设计扬程对应的工况点,优化叶轮的轴面形状、叶片数量、叶片翼型以及进出口安放角等参数,直至CFD预测的H-Q特性接近或达到预期的目标,获得满足目标参数的目标叶轮．在此基础上,使用Ansys CFX对目标叶轮进行全通道水力设计,优化流道几何参数,匹配进水管、固定导叶以及蜗壳的几何形状,改善泵进出口区域的流场特性．在哈尔滨电机厂有限责任公司高水头试验II台上进行的模型试验表明,基于CFD技术开发的新型高扬程大流量离心泵在高海拔地区复杂工况条件下,扬程、流量、效率、空化性能等指标均达到了预定的设计目标．     

离心泵叶片出口边倾斜角对压力脉动的影响

为研究叶片出口边倾斜角对叶轮与蜗壳由动静干涉作用而引起压力脉动的影响,在保证叶轮基本参数和叶片安放角变化规律不变的情况下,通过改变叶片出口边倾斜角而设计了2种计算方案.采用SST湍流模型、SIMPLEC算法和滑移网格技术,分别对不同叶片出口边倾斜角的叶轮匹配同一蜗壳的离心泵进行全流道非稳态数值模拟,得到不同叶片出口边倾斜角的离心泵外特性及压力脉动特性,并对其进行分析.计算结果表明：随着叶片出口边倾斜角的减小,泵高效区加宽;在小流量工况至设计流量工况时模型1,2的扬程流量曲线接近,在设计流量工况至大流量工况时模型2的扬程增大;2种叶片出口边倾斜角的离心泵中监测点处的压力脉动规律相同,呈周期性变化;较小叶片出口边倾斜角的离心泵中蜗壳内及隔舌处的压力脉动波动幅度减小,高频脉动成分减小.分析结果可为离心泵叶轮的设计提供理论参考.     

基于遗传算法的离心泵叶轮参数化造型及优化设计

根据流面流动理论,通过坐标变换实现离心泵叶轮子午面及叶片结构的参数化造型.采用自适应策略等技术对遗传算法的遗传操作进行改进以提高算法搜索效率,并设计了多目标决策的适应值函数.采用CFD软件NUMECA对叶轮及压水室等主要过流部件内部流动进行三维定常计算,从而预测离心泵的水力性能.编写FORTRAN程序实现参数化、搜索算法及性能预测3部分的联合,开发出一种离心泵叶轮造型的自动优化方法.以离心泵的2个外特性参数效率和扬程作为优化目标,应用该方法对Dn1000型潜油泵及IS80-65-125型清水泵的叶轮结构进行多目标优化.优化后两泵的水力性能有了明显提高,在设计工况下扬程分别提高了0.21 m和1.70 m,效率分别提高了1.9%和2.3%.