基于CFD的空间导叶内部流场分析及优化设计

针对空间导叶传统设计方法的不足,以离心泵的空间导叶为研究对象,采用设计工况下泵的扬程和效率提升为优化目标,在保证叶片进口安放角、出口安放角、导叶轴面等设计参数不变的前提下,通过CFD数值模拟计算不同包角的空间导叶叶型与泵的水力效率之间的关系,从而寻找效率最优的导叶叶型.计算结果表明:空间导叶的叶片包角对泵的内流场结构和泵的外特性有重要影响,在其他流道参数不变的情况下, 存在使泵效率最高的最优包角;随着导叶叶片包角的增大,叶片工作面上的高压区域逐步由进口向出口移动,叶片由“前载型”逐步变为“后载型”;小包角时,由于叶片前部分的叶片安放角变化较大,在叶片背面的中部到后部的部分区域存在低速脱流区,且随着叶片包角的增大该脱流区面积逐渐减小并逐渐向出口方向移动;随着叶片包角的增大,叶片进口堵塞现象加重,导叶进口速度逐渐增大.揭示了空间导叶流动结构与导叶包角、型线间的内在关系,为空间导叶的优化及设计提供一定的理论依据.     

离心泵径向式导叶计算机辅助设计

通过对离心泵径向式导叶设计计算及绘型的分析推算,提出了一种可供计算机辅助设计用的计算方法,并结合计算机绘图技术可在计算机上快速、准确地完成径向式导叶的水力设计。     

不同流量工况下斜流泵内部流场PIV试验

为了探索斜流泵的内部流动特性并优化斜流泵设计,基于粒子图像测速技术(PIV)对斜流泵内部流场进行测量,分析了不同相位叶轮截面处的流线和速度分布以及小流量工况下的涡量分布。研究结果表明,在小流量工况下,由于受到叶片压力面旋涡流动和吸力面脱流的影响,叶轮内部的流动呈现径向运动趋势,且流动紊乱;随着流量增大,叶轮流场流线逐渐向轴向方向移动并沿着轮毂轮廓线流动,在大流量工况下叶片压力面附近靠近端壁处形成明显的旋涡结构。0.6倍流量工况下,当叶轮进口进入拍摄断面时,在叶轮内部形成一个顺时针旋转的负涡;当叶轮出口进入拍摄断面时,在导叶进口外缘出现正向涡量集中区域,且随着叶轮的转动该区域向导叶进口方向移动;当叶片出口远离拍摄断面时,在导叶进口处出现负涡量区,揭示了斜流泵叶轮和导叶动静相干过程中能量损失的内在原因。     

离心泵有盖板叶轮内部流场的PIV测量

用PIV技术对离心式水泵有盖板叶轮内部流场进行了试验测量。水泵在两种工况下运行，选择两个叶槽分别进行测量，获得了水泵叶轮全叶槽内的速度场。两种工况下不同窗口的流场均有明显差异，呈不对称分布；小流量工况始终存在一个低速区，位于叶槽进出口之间，靠近吸力侧。     

PIV在半开式离心泵内部流场测量中的应用

采用PIV对半开式离心泵叶轮内旋转流场和叶轮与蜗壳间隙的流速场，选择3个不同方位的窗口进行了测量。所测量的3种不同运行工况，其流量分别为额定流量的1．4、1．0和0．6倍。不同窗口测得的两叶片间流道的流速分布表明：即使在设计工况下，整个叶轮各叶片间的流速分布也不是对称的；在非设计工况尤其明显，3个叶槽之间的流场分布更加不同；特别是在小流量工况时，始终存在一个低速区，位于叶槽进出口之间，靠近压力侧。     

旋流泵内部盐析颗粒流场PIV试验

为探索旋流泵内盐析颗粒的流动规律,利用PIV粒子图像速度场仪对泵内颗粒流场进行了测量,获得了颗粒准三维速度场分布,初步掌握了泵内不同工况下颗粒的流动特征.结果表明,叶轮各轴截面上速度分布差异显著,无叶腔中速度分布呈现强迫涡旋和自由涡旋的特征;流量增加,颗粒流在叶轮进口处相对速度增大,出口处相对液流角也增大,无叶腔小半径处颗粒径向速度分量随之增大;颗粒流存在纵向涡旋,涡旋中心位于叶轮流道中部,且随流量变化并不明显.     

基于PIV测试的螺旋离心泵内部流动特性研究

为了研究螺旋离心泵内部流体流动机理,通过对螺旋离心泵改造和透明化处理,应用PIV测试技术,取螺旋离心泵轴截面和径向截面分阶段获得各截面上速度变化,进而得到各个截面上的流动信息,揭示螺旋离心泵内部流动状态。结果表明:整个轴向截面中,物理参量扰动大于径向截面,尤其在叶轮流道的轴截面,有明显的涡旋出现。在深入蜗壳的叶轮流道中,涡旋数量明显增加,这是因为该区域的流体方向在叶轮旋转和蜗壳使其变化过程中,同时受力分配促进了这种变化;在径向截面上,能明显看到速度方向和流线沿一个方向旋转,同时,流体均有由中心向外运动的趋势,这是叶轮螺旋段螺旋推进作用后又一个重要组成部分离心段的离心力作用决定的,叶轮的螺旋段螺旋推进作用和离心段的能量转换相互配合,构成了螺旋离心泵工作的过程。     

两级离心泵径向导叶水力优化

为提高已有两级离心泵中径向导叶的水力性能,按照正交试验要求,选取径向导叶的喉部面积、扩散角、反导叶数、反导叶高度4个因素,每个因素取3个水平,设计9个导叶.基于ANSYS CFX软件,选取k-ε湍流模型,并结合全隐式耦合算法对装配具有不同几何参数径向导叶的两级泵全流场进行数值计算,获得了9组设计方案在额定工况下的扬程、效率.以泵的扬程和效率作为试验指标,利用极差分析法分析了所选几何参数对于两级泵扬程、效率的影响规律,以及影响径向导叶性能的主要因素和次要因素,提出了性能较优的径向导叶方案.径向导叶喉部面积对两级泵的扬程、效率影响较大.经数值计算可得,较优方案的额定工况下的扬程为211.70 m,效率为47.63%,较之优化前的径向导叶,扬程提高了1.24 m,效率提高了4.00%,取得了较好的优化效果.     

多喷嘴射流泵流场的数值模拟与PIV测量

为研究多喷嘴射流泵性能和内部流场特征,设计了不同结构的多喷嘴射流泵试验模型.采用k-ε湍流模型和壁面函数法对不同参数下的多喷嘴射流泵进行了数值模拟,模拟结果表明,喷嘴数和喷嘴角度及喉嘴距对射流泵工作性能影响较大;在吸入室及喉管入口处湍动能较大.利用PIV系统对不同结构射流泵内部流场进行了三维测量,获得了射流泵对称面流场的速度矢量和湍动能等值线图.试验结果表明,其速度梯度衰减得愈快,工作流体和被吸流体混合距离越短.验证了多喷嘴射流泵可缩短喉管长度.测量结果证明数值模拟的正确性,为多喷嘴射流泵理论研究和合理设计提供了理论依据.     

非定常工况下不同导叶叶片数对潜水泵内部流场的影响

为了研究不同导叶叶片数对潜水泵内部流动和非定常特性的影响,以典型QJ型潜水泵为研究对象,在保证导叶基本参数不变的情况下,建立导叶叶片数为6、7和8的3种不同方案,基于RNG k-ε湍流模型对不同导叶叶片数下潜水泵进行定常及非定常计算。结果表明:导叶叶片数变化对潜水泵外特性曲线影响不大;导叶叶片数变化对叶轮进口和导叶出口两位置的压力脉动影响不大,对叶轮与导叶空腔间的压力脉动影响显著,其幅值随叶片数的增多而增大,8叶片时压力脉动幅值最大。      

离心泵内流场PIV测试中示踪粒子跟随性的计算

示踪粒子的选取依据不同的流场而不同,对于离心泵内流场合适的示踪粒子是保证PIV试验精度的关键.基于固液两相流理论,重点考虑黏性阻力和旋转因素对粒子的影响,对离心泵内部湍流场中的示踪粒子进行了受力分析.然后在BBO方程基础上引入外部势力,建立了离心泵内流场中示踪粒子的拉格朗日运动方程,并采用Fourier积分变换的数学方法首次推导出适应于离心泵内流场的PIV测试用示踪粒子跟随性计算公式.利用离心泵内流场的PIV测试结果采用相平均处理的方法计算了试验所用的示踪粒子的跟随程度,计算结果表明：粒子径向的跟随性比周向差,选择示踪粒子时优先考虑径向的跟随性;而由于离心泵叶轮旋转和曲率的影响,即使采用相平均处理,粒子的速度也不代表水流速度,粒子跟随性最大偏差度为4.55%.计算结果可以检验所用示踪粒子的可靠性,为离心泵内流场选取合适的示踪粒子提供理论依据.     

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.     

全工况下双流道泵内流三维PIV测量

为了揭示双流道泵从零流量点到大流量点内部流动的变化规律,采用粒子图像测速仪对1个比转数为1107的双流道泵在8个工况下的内部流动进行了测量．采用基于光纤制作的外触发同步系统和三维等效标定方法等关键技术来保证3D PIV的测试精度．根据速度三角形,采用Visual C++2005编写了PIV速度分解程序,将测量的叶轮内的绝对速度分解成圆周速度相对速度．研究结果表明:叶轮流道内的流动并未随着流量的减小出现大范围的旋涡,仅当流量小于04Qd以后在叶轮出口靠近吸力面侧出现1个旋涡,并且随着流量的减小该旋涡越来越明显;另外,随着流量的减小,蜗壳扩散段上的绝对速度值逐渐减小,且当流量小于 02Qd时扩散段开始出现旋涡;在叶轮出口靠近隔舌处的区域上绝对速度值随着流量的减小先增大后减小,在02Qd工况下速度值达到最大;关死工况下叶轮和蜗壳内都存在着明显的旋涡和回流,泵内流态最差．     

机翼形堰绕流流场的PIV测量

为了研究机翼形溢流堰流动特性并探讨其水力特性,利用粒子图像速度场仪（PIV）在水槽中测量了相对水头高度（H0/P）分别为1.05,1.25,1.37,1.48,1.54时堰高与堰长比（P/C）为0.30的某机翼形堰的绕流流场,获得了5种雷诺数（Re）下对应流场的速度矢量、流线和涡量图.试验结果表明：在不同相对水头高度或来流速度下,机翼形堰具有相同的溢流流动特性,其速度、涡量分布规律基本相同,流线近似平行,流动平稳,无明显的漩涡出现,其绕流流动类似＂贴体＂流动,试验中堰顶处主流最大速度为0.36 m/s,上游堰踵和下游堰趾处速度较主流速度小得多,其值大小为0.05 m/s,速度的降低有效减少了水流对堰面的冲刷.堰顶处涡量最大为19.12 m2/s,加快了堰顶水流能量的耗散;上游堰踵和下游堰趾涡量几乎为0,避免了堰踵与堰趾出现危害性负压.     

离心泵变工况流场分析及径向力数值预测

针对离心泵内部流场进行了数值计算,计算采用雷诺时均方程和RNGk-ε湍流模型,压力和速度耦合采用SIMPLEC算法.在分析变工况离心泵流场的基础上,提出了离心泵径向力数值预测的数学模型,并计算了不同工况下径向力的大小和方向.结果表明,离心泵在设计点运行时径向力最小.通过对比径向力数值预测值和Stepanoff公式预测值的差异可以看出,其差值随流量增大从负到正,相对误差不超过7%,表明离心泵径向力数值预测方法是可行的.     

轴流泵非稳定工况下叶轮进口流场试验研究

在小流量工况下,由于轴流泵不稳定工况区（马鞍区）的存在,使其稳定运行的范围大大缩小.详细测量了轴流泵能量性能参数,获得了＂双马鞍＂形的扬程-流量曲线,采用PIV技术对0.73Qd,0.55Qd0,.43Qd及0.33Qd流量工况下的叶轮进口轴面流场进行了二维流速测量.结果表明：小流量工况下,在叶轮进口靠近壁面处存在明显回流,回流区域随流量的减小而增大,同时叶轮进口轴面内湍流强度也随着流量减小而增大;相同工况下,轴向流速的湍流强度低于径向流速的湍流强度,靠近叶轮外壳处的湍流强度大于靠近轮毂处的湍流强度;通过流道壁面上的丝线示踪,显示了随着流量的减小,叶轮进口外壁处的流体由轴向流动向周向流动的演化过程.研究结果表明小流量工况下,轴流泵叶轮进口流场不稳定导致水泵效率偏低,为进一步提高水泵性能提供了参考.