进口预旋对低比速离心泵无过载性能的影响

采用径向前置导叶实现预旋,将叶轮与前置导叶结合进行研究,推导了有预旋离心泵的最大轴功率及其对应流量的计算公式.分析了导叶几何参数对泵理论扬程曲线、功率曲线、理论最大流量、最大轴功率及最大轴功率对应流量的影响.利用CFD软件对几何参数不同的8组方案进行数值模拟,将模拟结果与公式计算结果进行对比.验证了公式的正确性,该公式对无过载离心泵设计具有指导作用.     

低比转数排污泵数值计算与实验

结合数值计算与PIV实验手段,对一改造过的比转数ns =60的潜水排污泵蜗壳内部流动进行了研究。采用六面体结构化网格对其进行全流场数值计算,计算结果表明,由于口环泄漏导致该区域附近的湍动能最大,且设计工况下蜗壳内部湍动能要大于叶轮内部。另外,通过外特性实验结果、PIV测试结果与CFD数值计算的对比发现,二者能够较好地吻合,验证了数值计算的正确性,并得出以下结论：受叶轮出口绝对速度与圆周方向夹角随流量增加而变大的影响,在0.6Qopt 和Qopt 流量下第8断面内的流体一部分再次通过蜗壳进入第1断面内,导致蜗壳隔舌与蜗壳进口之间的速度较高,在该处造成较大的速度梯度;而在1.4 Qopt 工况下此现象消失,蜗壳第8断面附近的速度最高,速度梯度较大;并且在大流量1.4Qopt 下蜗壳第1断面与第5断面之间能够明显地看出3个从叶轮出口射流出来的高速尾迹区域。     

低比转数离心泵叶轮内能量转换特性

对比转数为60的离心泵内部流场进行数值模拟计算,从叶轮做功过程和能量损失过程两方面分析了叶轮内能量转换特性.将叶轮按径向尺寸分为8个区域,展示了不同工况、不同区域中压力和粘性力做功大小、功率密度分布、湍动能耗散率分布、能量损失组成及分布等能量转换相关特征.结果表明,叶轮进口区域能量转换效率相对较低且受叶片进口安放角影响,叶轮中部区域是叶轮做功和流体获得能量的关键区域,叶轮出口区域对叶轮性能有显著影响,壁面摩擦损失是叶轮内能量损失的主要组成部分.     

低比转数离心泵内部非定常流动特性数值预测

为了深入研究低比转数离心泵在运行过程中内部的非定常不稳定流动现象的内在机理,采用CFD数值模拟的方法对模型泵内部三维湍流流场进行数值计算,并根据离心泵速度三角形推导了用来直观定量衡量流动非定常强度的时均非定常强度系数。通过分析该时均非定常强度系数在低比转数模型泵中的分布可知,叶轮叶片背面附近流场非定常性较强,且流体流经叶片后缘产生的尾迹现象同样随时间波动明显。蜗壳流道出口管及靠近叶轮出口处流动非定常性较强。     

低比转数离心泵多相位定常全三维数值模拟

针对定常流动是否具有全局代表性的疑问,采用多参考系模型对某一低比转数离心泵在设计工况进行了多相位定常流动数值模拟.分析了由于叶轮与蜗壳相对位置的变化引起的泵扬程的变化规律,同时捕捉到了全流场的速度、压力分布以及蜗壳第Ⅷ断面漩涡的结构与演化特征等重要流动信息.结果表明,多相位定常流动数值模拟的结果实际上反映了泵内流场的非定常流动特性.     

预旋调节对离心泵空化影响的试验与数值模拟

为探究前置导叶不同预旋角度对离心泵空化性能的影响规律,对带有自主设计前置导叶的IS 150-125-250型离心泵进行了空化性能试验,选用Zwart-Gerber-Belamri空化模型进行3D非稳态全流道空化流动数值模拟,结果表明:在一定的角度范围内,负预旋调节可以改善离心泵的空化性能,但超过某一角度后,空化性能将快速恶化;正预旋调节会恶化离心泵的空化性能,正预旋角度越大,恶化程度越明显。对不同预旋角度下叶轮内空泡率分布规律的分析发现,一定范围内的负预旋角会减小叶轮内空化区域,正预旋会增大叶轮内空化区域。     

低比转数离心泵叶轮内汽蚀两相流三维数值模拟

阐述低比转数离心泵叶轮内汽蚀两相流基本理论,采用两相流混合模型对叶轮内定常三维湍流汽蚀流场进行数值模拟。根据计算结果的液相和空泡相主要流动特征,分析汽蚀发生过程叶片上的静压分布,揭示叶轮内汽蚀两相流场的内在特性。     

低比转数离心泵叶轮内的流动机理和叶轮设计

通过分析得出影响低比转数离心泵效率的主要原因是在叶轮出口存在二次流、边界层的分离等引起的射流－尾迹结构，提出了改进的方法。提出叶轮设计方法：加大叶轮出口宽度，增大泵体喉部面积，采用较大的叶片出口安放角、较大的叶片包角，叶片的线型前部采用较小曲率半径，后部采用较大的曲率半径。实例表明此方法能够获得较高效率和较好性能的低比转数离心泵。     

开缝叶片低比转数离心泵空化性能的数值模拟

为了进一步提高低比转数离心泵的空化性能,对离心泵叶轮叶片进口附近的开缝进行研究.考虑开缝的3个参数,设计6组水力模型探究开缝对低比转数离心泵性能的影响.针对离心泵运行过程中产生空化的流动特点,基于Rayleigh-Plesset方程来描述空泡成长和溃灭过程的空泡动力学模型,采用RNG k-ε模型对在相同工况下的离心泵中两相流动进行数值模拟与分析.模拟结果表明:在叶片进口处开缝可以提高泵空化性能,其中第二组模型的空化性能提升比较明显,空化余量由4.447 m下降到3.910 m,降低了12.1%,水力效率由71.56%上升至76.46%;在相同工况下,开缝叶轮流道内的能量分布更加均匀,而扬程在额定流量下只有很小的变化.该模拟结果对研究低比转数离心泵内部流动特性及性能的提升具有一定的参考价值.     

叶顶间隙对低比转数半开式离心泵性能的影响

为研究叶顶间隙对低比转数半开式高速离心泵内部流动及性能的影响,基于雷诺时均Navier-Stokes方程和Spalart-Amaras湍流模型,在叶顶间隙分别为0.5,1.1和2.5 mm时对一台比转数为19.3的半开式高速离心泵内部流动进行三维紊流数值计算,并进行外特性试验验证.研究结果表明：叶顶间隙可以改善叶轮内部的流动情况,但较大间隙的叶轮内部的循环流动引起的水力损失大于较小间隙内的循环流动和回流引起的水力损失;因此随着叶顶间隙的增大,离心泵扬程及效率均减小;而且在叶片中部和尾部的叶顶间隙层内,相对速度和静压随着叶顶间隙的增大而减小,且相对速度受叶顶间隙的影响尤为明显,静压沿着叶轮半径近似呈线性增加;叶轮流道内沿轴向分布的切向速度和径向速度随着叶顶间隙的增大分别减小,但切向速度较为均匀,减小量相对较小;数值模拟与试验得到的外特性曲线变化趋势一致.     

低比转速离心泵叶轮内固液两相流的数值分析

为了分析离心叶轮内固液流动特性,采用M ixture多相流模型,扩展的标准κε湍流方程与SIMPLEC算法,应用流体动力学软件Fluent对低比转速离心泵叶轮内固液两相湍流进行了数值模拟.分析了多种粒径及浓度条件下的固相体积浓度分布规律.当颗粒直径较小和泥沙浓度较低时,固粒在叶轮出口附近会出现向叶轮背面迁移的趋势;但在离心泵叶轮固液两相流动中,固体颗粒还是主要集中于叶轮工作面,因而会加剧叶轮工作面磨损破坏速度.数值结果表明,在相同的泥沙颗粒直径条件下,水泵扬程随着含沙水流中泥沙浓度的增大而下降.     

离心泵进口回流流场特性的数值模拟及试验

基于有限体积方法,采用标准k-ε湍流模型,应用ANSYS CFX软件对不同工况下低比转速离心泵进口处的三维湍流流场进行了数值模拟.通过在进口流场中设置大量监测点,采集速度变化数据,对回流发生和发展过程中进口处的回流旋涡形态和流场速度分布进行了分析.提出了采用有机玻璃进水管,利用注入的空气气泡作为示踪粒子的可视化试验方案.使用高速摄影仪拍摄气泡的运动轨迹,从而分析不同工况下进水管流场的速度分布.结果表明：模型泵回流发生的关键流量点为0.7Qd;回流发生后,随流量的减小,回流强度增大,回流旋涡的体积变大,旋涡中心向进水管内移动,堵塞部分流道;进口回流会同时在叶轮和进水管内造成与主流方向相反的轴向速度和预旋,随回流强度的增大,轴面回流速度、进水管内的预旋强度增大,预旋在进水管中的影响距离最远到达距叶轮进口10倍叶轮进口直径处;当离心泵关阀运行时,在进水管内将形成柱状涡带.     

离心泵蜗壳内部流动诱导噪声的数值计算

鉴于离心泵内部流动声场边界条件复杂,直接求解需要高昂的计算资源且数值模拟难度大,采用间接混合算法,基于CFD+Lighthill 声比拟理论对蜗壳内部流场进行声学求解．在分析离心泵蜗壳内部流场主要噪声源是偶极子的基础上,采用基于S-A模型的分离涡模拟(DES)方法进行三维非定常流场计算．提取作用在蜗壳内表面的脉动力作为偶极子声源导入声学求解器SYSNOISE5.6,采用直接边界元法(DBEM)进行内声场求解,得到偶极子声源和内声场的声压分布图．积分求得蜗壳及出口管道表面监测点的声压级大小．声场计算的结果表明：离心泵蜗壳内部流动诱导噪声源的分布与压力脉动直接相关,在主要产生压力脉动的隔舌附近,有较强的偶极子源分布,其频率特性与压力脉动相似．场点声压值与偶极子源的大小之间不是简单的线性关系,叶频下最强．用管道法进行离心泵出口流动噪声的测试是可行的,流量是声场辐射的主要影响因素之一．     

低比转数排污泵内部PIV试验研究

通过对传统机电一体式排污泵的结构改造,以有机玻璃材料来加工叶轮及蜗壳,利用半螺旋形吸水室改变来流方向,成功获得适合于PIV测试的试验泵段.采用轴编码器等同步装置和空心玻璃球作为示踪粒子,对3个工况下叶轮与蜗壳5个不同相对位置的叶轮中间截面流场进行拍摄,取得了较好的结果.从PIV试验结果可以看出,在大流量1.4Q_d和设计流量1.0Q_d工况下,叶轮内部流场在任意时刻均能够保持较好的轴对称性分布,而极小流量0.2Q_d情况下,叶轮内部流场较为紊乱,且表现出明显的非轴对称性.在所拍摄的5个时刻内,通道A由于穿过隔舌位置,其出口圆周的相对速度分布梯度和小流量下旋涡的强度、大小等均受到隔舌的强烈影响.在极小流量情况下,通道C随着叶轮的旋转,压力面附近的脱流不断加剧并形成旋涡,最终堵塞大部分流道.     

平衡孔直径对离心泵叶轮进口流态的影响

为研究平衡孔直径对离心泵叶轮进口流态的影响,在降速后的IS80-50-315型离心泵上,用平衡孔直径d分别为0,4,6,8,10 mm的同一个叶轮,对离心泵的扬程、效率和轴功率进行预测,研究泵在设计工况、不同平衡孔直径时叶轮进口处速度矢量和压力的分布情况,并监测叶轮进口处的压力脉动特性.结果表明:加大叶轮平衡孔直径,泵的扬程与效率下降、轴功率提高,且在小流量工况下泵扬程变化更为明显;随着平衡孔直径的增大,平衡孔内液体流速减小,对叶轮进口流体的冲击作用逐渐减弱,叶轮进口处压力变得均匀,在一定程度上改善了泵的抗汽蚀性能;随着平衡孔直径的增大,叶轮进口主流区的压力脉动幅值减小,在一定程度上稳定了压力脉动幅值的变化,改善了其不稳定特性;平衡孔直径增大时,叶轮进口区平均静压变化逐渐稳定.研究成果为离心泵叶轮平衡孔直径的选择提供了参考.     

叶片进口边位置对单叶片离心泵性能的影响

为研究叶片进口边位置对单叶片离心泵性能和内部流动特性的影响,设计了6种不同叶片进口边位置的叶轮.在完成数值计算方法可靠性的试验验证后,分别对采用6种叶轮的泵进行了全流场定常数值计算.计算结果表明:叶片进口边沿前盖板或后盖板向泵入口适当延伸,可增强叶片对流体的控制能力和叶片的做功能力,扬程最大可分别提高1.61 m和0.70 m,效率最大可分别提高5.23%和2.01%;叶片进口边向泵入口延伸过多,会造成叶片入口处流体堵塞,某些工况下泵的扬程和效率反而会降低;叶片进口边沿前盖板或后盖板向泵入口延伸,可降低流体在叶片入口处的能量损失,能够提高叶片吸力面入口处的压力,和减小蜗壳内的低速区域,但是会增大叶片入口处、叶片压力面前端和叶片吸力面附近的低速区域.与叶片进口边沿后盖板向泵入口延伸相比,叶片进口边沿前盖板向泵入口延伸对泵的扬程和效率影响更明显.     

叶片厚度对低比转数离心泵性能的影响

为了研究叶片厚度对低比转数离心泵性能的影响,选取一比转数为48的离心泵为研究对象.在离心泵其他几何参数给定的条件下,通过改变圆柱形叶片厚度,构造了5种不同叶片厚度的叶轮.基于标准k-ε湍流模型,采用SIMPLE算法,在6种不同工况下分别对其进行全流场数值模拟,对比分析了叶片厚度对泵的外特性及内部流场的影响,得出了叶片厚度对泵水力性能的影响规律.结果表明:叶片厚度在一定范围内,随着叶片厚度的增大,泵的最优工况点向小流量偏移,最高效率略有提高;同时随着叶片厚度的增加,泵在设计工况下运行时的湍动能损失不断增大;在满足叶片结构强度的前提下,选取合理的叶片厚度,可确保离心泵具有较好的水力性能.     

离心泵叶轮非设计工况下内部湍流流场的模拟

采用ANSYSCFX11．0软件、标准k—ε湍流模型及SST湍流模型封闭雷诺平均方程,对低比转速离心泵叶轮在非设计工况下内部流场进行了三维定常湍流数值模拟,获取了离心泵叶轮内部流场结构,此两种模型所计算出的内部流场图案与参考文献中的PIV试验结果以及大涡模拟（LES）的计算结果基本一致,获得了文献中出现的“交替失速”这一特殊的流动现象．此外,对不同直径处将本计算所得到的速度轮廓的形态与文献中的PIV及LES结果进行了比较．结果显示采用标准k—ε湍流模型及SsT湍流模型能够对离心泵内部流动进行比较精确的模拟,但是在局部上与PIV试验结果有一定的偏差,并进行了初步分析,但仍需要对湍流模型进行进一步的探索和研究．     

离心泵蜗壳内部流动诱导噪声的数值计算

鉴于离心泵内部流动声场边界条件复杂,直接求解需要高昂的计算资源且数值模拟难度大,采用间接混合算法,基于CFD＋Lighthill声比拟理论对蜗壳内部流场进行声学求解.在分析离心泵蜗壳内部流场主要噪声源是偶极子的基础上,采用基于S-A模型的分离涡模拟（DES）方法进行三维非定常流场计算.提取作用在蜗壳内表面的脉动力作为偶极子声源导入声学求解器SYSNOISE5.6,采用直接边界元法（DBEM）进行内声场求解,得到偶极子声源和内声场的声压分布图.积分求得蜗壳及出口管道表面监测点的声压级大小.声场计算的结果表明：离心泵蜗壳内部流动诱导噪声源的分布与压力脉动直接相关,在主要产生压力脉动的隔舌附近,有较强的偶极子源分布,其频率特性与压力脉动相似.场点声压值与偶极子源的大小之间不是简单的线性关系,叶频下最强.用管道法进行离心泵出口流动噪声的测试是可行的,流量是声场辐射的主要影响因素之一.