旋流泵性能及内部流场试验分析

为了研究旋流泵性能及内部流场特性,在32WB8-12型样泵型式试验和5孔球形探针无叶腔流场测量基础上,阐明旋流泵抽吸及扬程和汽蚀形成原理,得出流量-汽蚀余量性能曲线为下降抛物线形;基于重组化群k-ε湍流模型对模型泵内部三维流动进行数值计算;通过流场测试与数值模拟对比分析,证明数值计算达到一定程度逼真性和精确度。结果表明,旋流泵内部流动主要由贯通流等组成;叶轮区域呈强制涡特征,存在相对轴向旋涡运动;无叶腔区域类似于组合涡,存在回流、循环流和自由涡运动,呈非轴对称、非定常流动,紊乱程度相当高,这是造成旋流泵效率偏低的主要原因。     

前伸式双叶片污水泵内部流场PIV试验

以一台比转速为70的前伸式扭曲双叶片污水泵为研究对象,采用PIV(particle image velocimetry)技术对双叶片污水泵进行内部流场测量,分析了该泵在不同流量工况下(Q/Qdes=0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4)叶轮内部流场的相对速度分布,研究了轴向旋涡和低速区随流量变化的形态特性,发现在流道中部靠近叶片工作面上存在低速区及与叶轮旋转方向相反的轴向旋涡,且随着流量的增大,低速区与轴向旋涡逐渐减小;引入少叶片数离心泵内部流动理论,揭示了低速区和轴向旋涡存在和发展的内在机理。分析了在流量Q/Qdes=0.6时叶轮和蜗壳不同相对位置的相对速度场分布,研究了叶轮和蜗壳之间动静干涉作用对轴向旋涡的影响,发现当轴向旋涡经过蜗壳隔舌时,其与叶轮之间的干涉作用使得轴向旋涡向下游偏移。研究结果对前伸式扭曲双叶片污水泵的内部流动规律研究具有重要参考价值。     

叶片厚度对轴流泵性能影响及内部流场分析

为研究叶片厚度对轴流泵性能影响及其内部流场变化规律,该文采用圆弧法和流线法进行比转速550、转速2900r/min的QY90-4.4-1.5型潜水轴流泵水力模型设计,完成产品开发及样机型式试验。通过加厚叶轮叶片进行对比试验,阐明泵流量—扬程、流量—轴功率和流量—效率曲线产生差别的原因。采用计算流体动力学(CFD)方法进行叶片厚度对流场影响的数值计算,得到最优工况叶片表面相对速度分布和不同工况叶片表面静压分布。经过分析,阐明薄叶片总体性能优于厚叶片,但抗汽蚀性能可能劣于厚叶片。厚叶片翼型脱流、叶片进出口出现回流及二次流情况更为严重,水力损失较大,是泵效率等性能参数偏低的主要原因。     

偏置短叶片离心泵内三维流场数值模拟

改善离心泵的水力性能,提高效率是离心泵优化设计的重要研究内容。采用Fluent软件,基于Reynolds时均N-S方程和RNG k－e湍流模型,对IS65-40-250型偏置短叶片离心泵进行三维流场数值模拟,分析了流体在离心泵内的速度和压力分布,揭示其内部的流动规律。研究表明：采用短叶片偏置设计方法,有利于提高离心泵内流场速度和压力分布的均匀性,减小了叶轮出口处的压力脉动,降低了冲击损失;对改进后的离心泵扬程和水力效率进行计算,发现其扬程和水力效率较原型离心泵分别提高了3.46%和1.7%,达到增效节能的目的。     

农用无过载低比转速离心泵的研究

针对农用泵(运行工况多变且出口无流量调节阀)的特点和低比转速离心泵的轴功率在大流量区运行易过载的特性,提出了无过载离心泵的概念。介绍了国内外研究无过载离心泵的历史与现状;总结了有关理论推导和试验研究结果;讨论了其运行特点及水力设计原则;并分析了目前存在的问题与可能的解决途径。     

基于CFD的潜水轴流泵性能分析及其特性试验

为了研究高转速轴流泵性能预测问题,采用圆弧法和流线法完成550比转速QY90-4.4-1.5轴流式潜水泵叶轮和导叶水力设计。采用计算流体动力学(CFD)对泵性能进行预测,运用Pro/E软件完成泵流道三维实体造型和非结构网格划分,基于标准k-ε湍流模型进行泵内部流场数值模拟,得到模型泵性能预测数据和曲线。在样机型式试验及综合分析基础上,发现实测与预测性能参数吻合程度较高,由于对回流及二次流等的模拟还存在欠缺,在偏离额定工况较大时泵流量-扬程、流量-轴功率和流量-效率曲线产生一定的误差。通过分析最优工况叶片表面压力和相对速度分布,揭示叶片头部因液流撞击形成较大压降梯度,背面进口边稍后是较宽的低压汽蚀危险区。叶片表面速度沿半径逐渐增大,基本上没有径向分速度。总体符合速度环量沿半径均匀分布的假设。     

轴流泵内部流场的二维粒子成像测速试验

为研究0.8Qopt工况下,叶轮及导叶进出口的流场分布情况,选择比转速ns=700的轴流泵进行模型缩放,并对其进行结构改造,以得到能够适合于2D-PIV 内部流场测试的试验台。结构改造包括：采用透明的有机玻璃材料代替传统金属材料,达到内部可视化的目的;将传统的锥形扩散式导叶体设计成圆柱状,以减小光学折射的复杂程度;合并转轮室及导叶外筒壁,使之成为一个整体,以消除叶轮区域与导叶区域之间法兰对内部流场的遮挡;将导叶内轴承后移,并加装筋板,使得载荷能够顺利传递到基础中。综合以上手段,成功改造了试验泵段。在PIV试验过程中,利用轴编码器及同步装置,取得了很好的同步效果。同时,以有机玻璃空心球作为示踪粒子,配合新的标定方式,取得了理想的试验效果。从试验结果分析可知：在0.8Qopt流量下,叶轮进口边外缘处受叶顶泄漏影响,使得该处来流向轮毂侧偏转,但叶轮进口前端截面上的流场整体分布较为均匀;叶轮轮毂与导叶轮毂之间存在的顺时针方向漩涡,对叶轮出口边根部附近的流场造成较大的影响,且叶轮出口边与导叶进口边轴向间隙内的流场具有整体向外缘偏转的趋势;导叶出口以后的流线方向则向轮毂侧偏转,且在出口边外缘处出现局部高速区域。     

离心泵叶轮内部流场的数值计算

为弥补基于传统一元理论方法中流场计算的不足,该文基于流体的连续方程和运动方程,用Fortran语言编程实现了离心泵叶轮内部流场的数值计算,S1流面上采用有限单元法、S2流面上采用流线曲率法,2类流面迭代计算直至收敛得到离心泵叶轮内部流场分布。对2类相对流面方法计算得到的叶轮内部流场进行了分析。结果表明,叶轮内部相对速度分布合理,叶片头部受冲击作用,压力面和吸力面流速相差较大。叶轮内部压力分布从进口到出口逐渐增大,梯度较小,叶轮做功平稳,进口处压力从后盖板到前盖板逐渐降低。同时考虑流体的连续方程和运动方程后,对比传统一元理论方法的计算结果,计算得到的轴面速度从后盖板到前盖板间各条流线的分布规律相差较大,在叶轮进口段差别最大,具有较强的三维特征,表明本文数值计算结果可更好地反映离心泵叶轮内部的三维真实流动规律。     

低比转数离心泵的多目标优化设计

为了提高IS50-32-160低比转数离心泵在设计工况下的扬程和效率,采用数值模拟、试验设计、近似模型和遗传算法相结合的优化方法,选取了泵叶轮的叶片出口宽度、叶片出口安放角和叶片包角3个参数作为设计变量,采用最优拉丁超立方试验设计方法进行20组方案设计,应用ANSYS CFX 14.5软件对各方案进行定常数值计算,得到设计工况下的效率和扬程,并将效率和扬程作为设计目标,根据Kriging近似模型建立了设计目标与设计变量之间的近似函数,采用遗传算法对近似函数进行求解,得到最优的叶轮参数组合。研究结果表明:原始方案的外特性数值模拟结果与试验结果吻合程度较好,设计工况下预测扬程偏差为3.3%;优化后的泵水力效率提高了4.18%,而且近似模型在预测性能的准确性高;通过对比原始方案和优化方案的内流场特性,优化方案内部流动得到改善,优化的叶轮的漩涡区域比原始方案的较小;优化使得效率在主频和次频下的脉动幅值分别下降了1.52和0.84,叶轮内的较大压力脉动强度区域减小,隔舌附近监测点在主频下的压力脉动系数幅值下降了0.02。非定常压力脉动强度降低,从而泵的运行稳定性提高。提出的优化设计方法对低比转数离心泵高效以及无过载特性的优化具有一定的参考意义。     

潜水泵缩比模型的相似性验证与内部流场分析

相似换算设计法是离心泵设计中最常用的方法之一。为了验证缩比模型的相似性,该文选取一典型井用潜水泵作为模型泵,基于缩比模型换算法获得设计泵,借助数值模拟与性能试验的方法,研究设计泵与模型泵的相似性,并分析两者内部流场的差异与规律。采用Ansys CFX软件分别对设计泵和模型泵进行数值模拟,以两级泵模型建立计算域,划分结构化网格,基于标准k-?湍流模型和标准壁面函数进行多工况数值模拟,分别对设计泵和模型泵进行了性能预测,并对预测结果进行了对比分析。结果表明:较于模型泵,设计泵的最大功率点向大流量工况偏移,且最大功率与额定功率的比值有所上升,但其仍具有较好的无过载特性。模型泵数值预测与试验结果的对比表明,在额定流量下,数值模拟预测的扬程低于试验结果 0.79%,功率低于试验值5.2%,效率高于试验值2.78%,且两者随流量变化的趋势基本一致,说明该文的数值计算结果具有一定的准确性。缩比模型在0.4~1.6倍额定流量工况范围内,扬程、效率和功率随流量变化趋势基本一致,设计泵与模型泵满足相似换算准则,模型等比例缩放法能够满足深井离心泵的水力设计要求。     

离心泵叶轮内的网格生成与计算流体力学分析

根据离心泵叶轮通道的几何和流场特点，探讨了离心泵叶轮通道结构化多块网格划分中的一些处理方法。同时应用标准k-ε紊流模型加壁面函数法对离心水泵叶轮内部的三维紊流流动进行了雷诺平均N-S方程的数值计算与分析。分析了离心泵叶轮叶型对流速分布、压力分布和泵性能的影响，研究了离心泵叶轮通道内流动规律，并以计算流体力学(CFD)分析结果为依据，对离心泵叶轮进行了叶型优化设计。结果表明进行离心泵叶轮内三维紊流数值计算可为离心泵叶轮叶型优化提供详细的数据，应用CFD分析技术可提高离心泵叶轮的设计水平。     

三种空化模型在离心泵空化流计算中的应用评价

为寻求一种更好的数值计算方法来模拟离心泵空化流,该文比较了Zwart-Gerber-Belamri模型、Kunz模型和Schnerr-Sauer模型在离心泵空化流模拟中的适用性。在3个不同的流量系数(φ=0.082、0.102、0.122)下,将每个模型的数值计算结果与试验结果进行对比,发现设计流量系数和小流量系数下Kunz模型的模拟结果与试验值最为吻合,大流量系数下Zwart-Gerber-Belamri模型的模拟结果更接近试验值。分析了φ=0.102时Kunz模型得到的空化流场,发现随着空化数的减小,空泡首先在叶片吸力面进口边附近产生,然后沿叶片吸力面向出口方向和叶片压力面扩展;叶轮流道总压系数的下降主要发生在上游断面,空化的发展对下游断面的影响很小;空化对叶片表面载荷分布影响较大。     

无过载离心泵结构参数优化设计

低比转数离心泵轴功率曲线随流量的增大而急剧上升,最大轴功率与设计点功率之比远大于一般离心泵的相应值,很容易在大流量区引起配套电机过载。为了实现无过载性能、保证泵运行的可靠性,该文在前人研究成果的基础上,采用改变叶轮几何参数和堵塞部分叶轮流道相结合的方法,对IS50-32-160型无过载离心泵进行了优化设计。利用商业软件Fluent,对两叶片间流道有效部分出口和进口面积之比FII/FI与低比转数离心泵性能的关系进行了研究,当堵塞1/4流道,FII/FI为1.17时,效率曲线平坦,轴功率曲线在大流量区内出现极值,呈现出无过载特性。结果表明:采用该方法可以在实现无过载性能的前提下,有效地改善无过载离心泵的性能。     

多级离心泵轴向力的数值计算与试验研究

轴向力的大小及平衡问题是影响离心泵可靠性、安全性以及效率的重要因素。由于不同的经验公式计算出来的轴向力大小相差很大,因此,找到一个离心泵轴向力精确计算的方法十分必要。该文通过对离心泵轴向力的理论分析,基于Fluent商用软件,采用标准k-ε湍流模型、SIMPLE算法对多级离心泵的内流场进行数值计算,分析离心泵内部流场的静压分布规律,并通过静压积分求得轴向力大小。对模型泵进行压力分布试验,获得14组流场的压力值及流量-压力、扬程-压力曲线,从而推导计算出轴向力大小。比较数值模拟与试验结果,压力值在小流量工况下相差较大,在设计工况下接近叶轮出口处模拟压力值与试验值基本吻合;轴向力的计算结果大体一致,最大误差仅为4.6%,在允许误差范围内。研究结论为离心泵的可靠性设计提供了新的思路和方法。     

单流道离心泵定常非定常性能预测及湍流模型工况适用性

为了评价计算流体动力学在单流道离心泵性能预测中的精度,以一台比转速为140的单流道离心泵作为研究对象,基于试验测试结果,对比分析了定常及非定常计算方法的性能预测结果,研究了标准k-ε湍流模型(Standard k-ε)、重正化群k-ε湍流模型(Renormalization group k-ε,RNG k-ε),标准k-ω湍流模型(Standard k-ω)和SST k-ω湍流模型(Shear stress transport k-ω,SST k-ω)4种湍流模型在单流道离心泵内流计算中的适用性,并分析了泵内的流动。结果表明,单流道离心泵内流的CFD计算应采用非定常方法;小流量工况下,单流道泵的内流CFD(Computational fluid dynamics)计算应采用SST k-ω模型,扬程、效率和功率偏差均比较小,分别为0.38%、3.12百分点和5.59%;设计工况和大流量工况下的内流计算应采用RNG k-ε模型,扬程预测偏差在3%以内,效率预测偏差在4个百分点以内,功率预测偏差在4%以内;小流量工况时,单流道叶轮叶片进口边下游压力面流道内出现较严重的流动分离和回流现象;单流道叶轮出口环面的低压区位置位于叶片出口边上游,且紧靠出口边。研究结果可为单流道离心泵CFD性能预测提供参考。     

交错叶片对三通道蜗壳离心泵水动力性能的影响

为改善筒袋泵水动力性能,基于SST k-ω湍流模型,对立式筒袋泵首级叶轮进行三维非定常数值模拟,采用时-频域数据处理法,对各个监测点的压力脉动进行分析,主要研究了同一叶轮模型下蜗壳不同截面的压力脉动情况及不同交错角对离心泵内压力脉动和径向力的影响。结果表明:在三隔舌三通道蜗壳内,每隔120°压力脉动情况相似;随着交错角度的增加,距离隔舌较近且顺着叶片旋转方向的监测点压力脉动下降最多,压力脉动标准差下降了85%以上;叶轮所受径向力最多下降了60%;叶片交错后液体在轴向方向上会更容易产生流动,导致流动损失但有助于平稳蜗壳内的压力。综上所述,采用交错叶片有助于提高筒袋泵水动力性能。该研究为交错叶片结构在筒袋泵中的应用提供了参考。     

离心泵平衡孔液体泄漏量试验与分析

针对离心泵上叶轮平衡孔的实际液体泄漏量难以测量的问题,设计了通过调节平衡腔液体压力来测量平衡孔液体泄漏量的试验装置,在平衡孔直径4、6、8、11 mm条件下对泵性能、平衡孔液体泄漏量和平衡腔液体压力进行了测试及分析,获得了不同直径平衡孔下泵的性能曲线、平衡孔泄漏量系数和轴向力系数与比面积的关系曲线。试验结果表明:加大叶轮平衡孔直径会使泵的扬程降低、输入功率增大和效率降低;平衡孔液体泄漏量系数与比面积关系曲线有明显的规律性,其随着比面积增大而减小,且扬程系数对其有较大的影响;轴向力系数曲线是非线性曲线,在比面积小于2.5时,轴向力系数随比面积增大而急剧减小;比面积大于等于2.5小于等于4.5时,轴向力系数曲线趋于平坦,其均值为0.112;比面积大于4.5时,轴向力系数曲线几乎与横坐标平行,其均值为0.067。该研究为较精确计算平衡孔液体泄漏量与平衡腔区域的轴向力提供了参考。     

离心泵径向导叶正叶片参数的优化设计

针对工业生产中常见的节段式多级泵径向导叶和叶轮匹配程度较低的问题,该文借鉴面积比原理,利用数学关系给出了径向导叶正叶片参数确定的新方法。基于FLUENT软件,采用标准k-ε模型、SIMPLEC算法对径向导叶式离心泵单级叶轮与导叶进行了数值验证。结果表明:导叶喉部面积对离心泵性能影响重大,Anderson的面积比系数对导叶式离心泵偏大;正导叶参数的优化设计能提高离心泵的效率,该文设计的最优模型相比传统方法设计的模型,设计工况下扬程提高2.3m,效率提高1.6%,优化设计有效。该研究可为节段式多级泵的水力优化提供参考。