高转速轴流泵性能及叶轮内湍流流场分析

为了探索高转速轴流泵的性能及内部流场特性,自行设计一转速为2 900 r/min的轴流式模型泵,并基于ANSYS CFX 11.0商用软件,采用κ-ε模型对模型泵多个工况点进行了三维湍流数值计算,计算得到了叶片表面的速度、压力分布.基于数值计算结果对高转速轴流式模型泵性能进行预估和叶轮内部流场分析,结果表明:高转速轴流泵最高效率较低,但效率曲线平坦,高效区较宽;叶片压力面存在小范围的径向流动.最后,提出对叶片进行优化设计的思路,为研发性能优良的高转速轴流泵提供一定的参考.     

轴流泵动静部件轴向间距对内部流场的影响

基于标准k-ε湍流模型,采用ANSYS Workbench中的自适应网格技术,对轴流泵叶轮出口与导叶进口轴向间距值为10、20、30、40mm时进行多工况数值模拟,研究改变轴向间距对轴流泵性能的影响,得到了不同轴向间距下叶轮出口轴向速度分布。数值计算所得的扬程、效率与试验结果接近。计算结果表明,轴向间距的变化对轴流泵内部流场有明显的影响,适当增大轴向间距有利于改善小流量工况下泵运行性能。     

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.     

串列式轴流泵首次级叶轮能量特性及相互作用

为了分析串列式轴流泵的能量特性以及首次级叶轮之间的相互作用及其对能量特性的影响,采用数值计算的方法,对一串列泵内不同流量工况下的内部流场进行计算．湍流模型采用了一种RANS／LES的混合模式的FBM模型,基于试验结果对数值方法进行了验证,结果显示该数值方法能够较为精确地预测轴流泵的能量特性,FBM湍流模型预测结果精度高于标准k-ε模型．串列泵具有和普通轴流泵不同的能量特性:扬程随流量增大单调减小,功率随着流量增大而缓慢增大,说明串列泵具有良好的调节特性;首级叶轮的能量特性随流量变化而改变,具有和普通轴流泵几乎相同的能量特性,次级叶轮的存在明显改善了首级叶轮在小流量工况下的特性;次级叶轮的能量特性和普通轴流泵相比,具有较大差别,这是由于首级叶轮的存在改善了次级叶轮的进口流动,使次级叶轮在较大流量范围内具有恒定的能量特性．     

自吸泵内部流场的数值模拟及性能预测

基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,应用三维无结构四面体网格及SIMPLEC算法建立自吸泵内部流场的数值模型,利用计算流体力学软件Fluent对设计工况及多个非设计工况下自吸喷灌泵叶轮和蜗壳的三维不可压缩湍流流场进行了数值模拟,得到其内部流场的速度分布和压力分布情况,揭示了泵自吸过程中流体的运动规律,最后预估该泵的扬程及效率并与试验值进行对比分析.结果表明,在相同半径处,叶片工作面压力比背面压力大;在回流孔处存在较大的压力梯度和速度梯度,并且由于分离室边壁的影响形成了大小不同的旋涡;数值模拟性能曲线与试验曲线基本一致.     

基于三元设计及数值试验轴流泵抗空化性能

为了提高轴流泵抗空化性能,采用泵的三元设计理论与数值试验相结合的方法,研究了汽蚀比转数为1 290的轴流泵抗空化性能.在相同的流量、扬程、转速等设计指标下,采用泵的三元设计理论对具有不同叶片数和过流通道形状的轴流泵模型分别进行了设计;并采用数值试验手段对所设计轴流泵模型性能进行计算和分析,得到了适合于该轴流泵的过流通道形状和最佳叶片数.运用相同的方法对不同叶片负载分布规律的轴流泵叶轮分别进行了设计,并采用数值试验手段计算了各水力模型的扬程、功率和效率特性曲线,对比和分析了不同负载分布规律对泵效率和抗空化性能的影响,得到了有利于轴流泵空化性能提高的负载分布规律.最后,根据数值计算结果,对如何有效提高轴流泵抗空化性能提出了建议:叶轮叶片后部重载光顺无阻塞的过流通道、适当增加叶片数将有利于轴流泵抗空化性能的提高.     

高速潜水轴流泵的空化特性

为研究轴流泵内部的空化特性问题,选取1台比转数ns=700的高速潜水轴流泵作为研究对象,利用ANSYS CFX软件进行数值计算,得到外特性曲线,发现在大流量工况下外特性计算结果与试验误差较大.利用Rayleigh-Plesset空化模型和SST湍流模型对潜水轴流泵进行空化定常模拟,求得各工况下泵的临界空化压力,通过分析...     

无后置导叶轴流泵瞬态空化流场的数值分析

为了深入研究TZX-700型无后置导叶轴流泵内部瞬态空化流场的压力脉动情况,通过ANSYS CFX软件,采用SST湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型,对TZX-700型无后置导叶轴流泵压力脉动进行了瞬态空化流场的数值计算研究。主要计算了该无后置导叶轴流泵在3个不同流量工况(0.9Q_d、1.0Q_d、1.1Q_d)下瞬态空化流场的压力脉动情况,分析了轴流泵在设计工况下随叶轮旋转时间的周期性变化叶片表面空化体积分数的分布情况及不同工况下叶轮进、出口截面不同监测点下的瞬态空化流下压力脉动的时域图和频域图。通过数值计算的结果表明:在一个叶轮旋转周期内相较于其他的工况,该无后置导叶轴流泵的空化流场在设计工况下一般是稳定的;叶轮压力周期性脉动在叶轮的各个监测点处随叶轮旋转时间的变化呈现出周期性变化规律,轴流泵叶轮压力脉动的频率主要集中在叶轮转频及其谐波频率。     

带前置导轮轴流泵内流场数值模拟及性能预测

基于雷诺时均N—S方程和标准κ-ε湍流模型,采用FLUENT软件,运用SIMPLEC算法,对设计工况下有、无前置导轮时轴流泵的三维不可压缩湍流流场进行了数值模拟．得到了轴流泵内部流场的压力分布、速度分布情况,并对分布情况的特征进行了分析,初步了解轴流泵内部流场的流动情况．最后,对不同流量下,有、无前置导轮时轴流泵的扬程、效率进行性能预测并分析．结果表明,加前置导轮后,轴流泵的性能不稳定区变窄,但效率有所降低．通过分析轴流泵内部流场特征,研究前置导轮对轴流泵性能的影响,从而可为其水力优化设计提供有益参考．     

大型立式轴流泵装置流道内部流动特性分析

基于三维不可压缩流体的雷诺平均N-S方程和RNGk-ε湍流模型,采用CFX软件计算了额定转速下180～340 L/s流量范围内6个工况点的立式轴流泵装置内部流动,分析了进水流道和出水流道的流动特性,重点研究进口流动细部结构,同时预测了泵装置的水力性能.计算结果表明:叶轮旋转对进水流道出口轴向流速分布和切向流速分布的影响较小.导叶出口环量对出水流道的流场影响较大,导致隔墩两侧流量分配不均,大流量时隔墩两侧水流流态比较平顺,而小流量时隔墩右侧流道内出现螺旋状水流,两侧水流严重不均衡.通过计算预测了泵装嚣水力性能,并与泵装置模型性能试验结果进行了对比,表明最优工况时数值模拟与试验结果吻合较理想,可以满足工程实际的需要.     

专用堆型对应的核主泵正反转流动数值模拟

为了研究核主泵在定转速工况下的正反转特性,采用相似换算法,基于SST k-ω 湍流模型与块结构化网格,对缩比系数为0.5 的核主泵模型泵进行数值模拟.定义流量从泵进口流向出口为“+”,反之为“-”.在正转工况下分别对-0.8Q_d到+2.0Q_d流量范围内的16个工况点进行计算、反转工况下对-1.4Q_d到+1.0Q_d流量范围内的14个工况点进行计算,得到其全特性曲线.计算结果表明:在相同流量工况下,核主泵正转时的扬程与转矩总是高于反转时的扬程与转矩,叶轮扬程与泵扬程存在不同的变化趋势;在正转工况下,在 -0.1Q_d到+0.4Q_d流量范围内,叶轮扬程曲线呈现反“N”型变化趋势;在反转工况下,在-0.4Q_d到+0.1Q_d流量范围内,叶轮扬程曲线呈一个明显的“V”型变化趋势;叶轮出口处产生二次流回流现象,这是正转小流量工况下叶轮扬程降低的主要原因,而叶轮与导叶之间过渡段区域内的环形高速带和叶轮流道内的大尺度涡是反转小流量工况下叶轮扬程降低的主要原因.     

特低扬程大流量贯流泵站水泵选型

针对特低扬程大流量水泵的选型问题,以某设计净扬程仅0.32 m的贯流泵站为例,进行水泵性能预测.利用现有水力模型的泵段特性曲线及装置特性曲线进行相似换算,并对计算结果进行比较.通过进一步的数学推演,提出了采用水泵泵段特性参数推算泵装置效率指标的方法,并结合数值模拟及装置模型试验进行验证.结果表明,对于运行净扬程1 m以下竖井贯流泵装置,可利用现有南水北调的低扬程水力模型降低nD值进行选型计算.由于水泵流道水头损失占比较高,其最优工况效率与具有3 m左右扬程水泵相比低了约6%,故采用扬程差距较大的模型装置特性参数换算的偏差较大,采用模型泵泵段特性参数换算更准确.采用泵段效率和泵装置效率换算公式,对泵段曲线工况点及对应流道损失进行换算,可较为准确地预测装置效率曲线高效区扬程范围,可为特低扬程泵站设计提供参考.     

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.     

Analysis of flow response to fluctuation ofrotational speed in a radial impeller

By discretizing the convection terms with AUSM+ up scheme in the rotating coordinate system, a finite volume analysis code based on multi block structured grids was developed indepen dently so as to realize the numerical solving of internal flow fields of turbomachineries. Taking an unshrouded radial impeller with the working fluid of water vapour as the research object, the flow response to the fluctuation of rotational speed was calculated. By comparing the surface pressure profiles and velocity contours calculated by the code and commercial software respectively, the accuracy of flow solver was verified. The analysis of flow response data indicates that, as the wor king condition shifts closer towards the surge boundary, the response of flow parameters such as mass flow and aerodynamic torque will be more nonsynchronous with the fluctuation of rotational speed, and also the influence of density variation on mass flow variation will be smaller. Moreover, the transient variation region of working condition performance will deviate farther away from the steady performance curve as the working condition approaches the surge boundary. Compared to the working conditions with small mass flows, the distribution characteristics of pressure difference load on the blade surface vary little under large mass flow conditions. The reduction of fluctuation amplitude of rotational speed exerts no influence on abating the hysteresis of flow response.     

旋壳转速对腔内液体流动特性的效应

为研究旋壳转速对腔内液体流动特性的影响,以试验旋喷泵为研究对象,在高度验证叶轮与旋壳同步旋转试验与模拟结果准确性的基础上,对叶轮转速相同、旋壳转速不同的5个模型采用RNG k-ε湍流模型进行数值计算,分析腔内液体流动特性的变化情况,研究泵的性能.结果表明:旋壳转速增大,液体圆周速度和旋转系数均增大,圆周速度曲线沿径向逐渐形成同心圆,腔内液体做非刚性旋转.腔内液体径向压力梯度增大,压力低于624 kPa时,旋壳转速越高,压力越小;压力高于624 kPa时,旋壳转速越高,压力越大.集流管迎流区涡分布在进口附近,尾迹区涡集中在扩散段结尾处,整体呈增大趋势.旋壳转速增大,泵的扬程升高,但效率降低,通过改变集流管进口直径发现集流管并非效率降低的主要原因,而是由圆盘摩擦损失的增大导致的,圆盘摩擦损失随旋壳转速增加呈3次幂函数式增大,文中最优进口直径为13 mm.     

冲角对轴流泵叶轮水力性能的影响

【目的】研究冲角对轴流泵叶轮水力性能的影响。【方法】针对比转数为880的轴流泵叶轮,采用数值模拟方法和数值优化技术,基于儒可夫斯基翼型从3个角度进行冲角对轴流泵水力性能的影响研究。【结果】当设计参数保持不变时,冲角增大,扬程升高,比转数发生变化,最高效率增大,高效区往大流量偏移。为了使翼型处于更高质量区,建议轮缘侧翼型冲角在0～3°之间,且比转数大者取小值。当改变轮毂侧和中间断面翼型冲角时,设计工况下,为了得到较高扬程和较高效率的轴流泵叶轮,可以适当增加中间断面的翼型冲角,同时为了减小叶片扭曲改善非设计工况的水力性能,可以适当减小轮毂侧的翼型冲角。当比转数保持一致时,冲角增大,流量-扬程性能曲线的斜率减小,最高效率值保持相当,高效区范围往大流量偏移且高效区范围变宽。【结论】冲角对轴流泵叶轮水力性能有着重要影响,实际工程应用中,为保证轴流泵叶轮具有较好的水力性能应同时兼顾轮毂和轮缘侧的翼型冲角。     

轴流泵内部流动数值模拟及PIV试验

为了研究轴流泵内部流动数值模拟中不同湍流模型的适用性,分别采用standard k-ε模型、RNG k-ε模型、SST k-ω模型以及大涡模拟(LES)方法,基于结构化网格与网格滑移技术,对叶轮直径为200 mm、名义比转数n_s为700的模型轴流泵进行了性能预测和全流场数值模拟;计算了水泵的扬程和效率,并与在水泵试验台上测试得到的外特性结果进行了对比和分析.结果表明,在最优工况附近,standard k-ε模型、RNG k-ε模型和SST k-ε模型都能较精确地预测轴流泵的外特性,基于RNG k-ε湍流模型的扬程和效率误差相对较小;在非设计工况下,不同湍流模型具有不同的特性.在0.8Q_opt,1.0Q_opt和1.2Q_opt工况下,针对叶轮与导叶间的轴向间隙处进行了PIV内部流场测试;将各个湍流模型下的数值模拟结果与PIV的测量结果进行比较,发现基于雷诺时均方程的3种湍流模型的内流场流线与PIV的测量结果进行比较,发现基于雷诺时均方程的3种湍流模型的内流场流线与PIV的试验结果具有基本相同的趋势性,从而证明了数值模拟计算的可靠性和有效性;而采用LES计算得到的流场与PIV测量结果产生一定的偏差.同时,对轴流泵在不同流量工况下内流场的流动结构进行了分析.     

蜗壳断面形状及叶轮位置对蜗壳式轴流泵性能的影响

根据速度系数法设计了1种对称的“马蹄形”断面蜗壳和2种非对称的 “圆形”断面蜗壳与相同的轴流泵叶轮组合,并基于标准k-ε模型封闭的雷诺平均方程,应用 ANSYS CFX 14.5 软件,对设计的3个蜗壳式轴流泵内部的三维流动开展数值模拟.当采用“马蹄形”蜗壳时,设计流量点的扬程和效率最低,蜗壳内部压力分布不如非对称的圆形断面蜗壳均匀.选择水力效率相对较高的蜗壳,将4种轴向位置不同的叶轮与该蜗壳组合,并进行三维流动数值模拟,结果表明:叶轮出口与蜗壳进口中间平面距离40 mm时,轴流泵效率最高,叶轮出口与蜗壳进口中间平面距离80 mm时,轴流泵效率最低.此时,过流段和蜗壳内有明显回流和旋涡.轴流式叶轮与蜗壳的相对位置对蜗壳轴流泵的扬程-流量曲线和效率-流量曲线都有明显的影响.     

离心式消防泵内流特性

为了研究离心式消防泵外特性、内流特性及空化特性,基于RNG k-ε湍流模型对某一比转数为24.7的离心式消防泵不同工况下的内部非定常流动进行数值模拟.结果表明:在关死点工况下,离心泵消防泵叶轮内部产生大量的失速旋涡,尤其在叶轮出口位置出现面积较大且极高湍动能的涡核分布,严重影响流道的通流能力,且造成较大的能量损失;随着流量增大,流道内的旋涡逐渐消失,流场趋于稳定,涡核分布基本保持稳定且对称;随着流量持续增大,离心式消防泵轴向力逐渐增大,在极小流量和极大流量工况下的轴向力波动相对较强;随着流量增大,径向力逐渐降低,且不同工况下径向力的矢量分布均呈现六齿形分布;随着流量的增大,离心式消防泵扬程特性曲线受空化的影响更加明显,随扬程曲线开始下降时的NPSHR也逐渐增大,但下降速度相对较慢.     

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.