速度矩分布规律对混流泵叶轮设计的影响

根据Ωu=0二元设计理论,提出了采用四次多项式表示叶片速度矩沿轴面流线的分布规律,进而通过理论分析,确定用其中一个参数控制叶片速度矩的分布规律,以减小设计结果对经验的依赖程度.由此确定的速度矩分布规律包括＂S＂型、反＂S＂型和＂L＂型3类.采用不同的叶片速度矩分布规律,比较分析了对应的叶片出口边位置、包角等设计结果,并基于正问题分析,对不同叶片速度矩分布规律下的叶轮效率预测值和叶片表面载荷分布进行了比较.结果表明：对于Ωu=0的设计方法,采用四次多项式描述叶轮轮缘边速度矩分布规律是合理的;对于给定的混流泵轴面流道,部分＂S＂型速度矩分布规律能合理地满足叶片表面扭曲和混流泵结构设计的要求;采用合理的＂S＂型速度矩分布规律设计的叶轮效率最高,叶片表面载荷分布更加光滑.结果可为混流泵叶轮设计提供参考.     

速度矩分布规律对混流泵叶轮设计的影响

根据Ωu=0二元设计理论,提出了采用四次多项式表示叶片速度矩沿轴面流线的分布规律,进而通过理论分析,确定用其中一个参数控制叶片速度矩的分布规律,以减小设计结果对经验的依赖程度.由此确定的速度矩分布规律包括＂S＂型、反＂S＂型和＂L＂型3类.采用不同的叶片速度矩分布规律,比较分析了对应的叶片出口边位置、包角等设计结果,并基于正问题分析,对不同叶片速度矩分布规律下的叶轮效率预测值和叶片表面载荷分布进行了比较.结果表明：对于Ωu=0的设计方法,采用四次多项式描述叶轮轮缘边速度矩分布规律是合理的;对于给定的混流泵轴面流道,部分＂S＂型速度矩分布规律能合理地满足叶片表面扭曲和混流泵结构设计的要求;采用合理的＂S＂型速度矩分布规律设计的叶轮效率最高,叶片表面载荷分布更加光滑.结果可为混流泵叶轮设计提供参考.     

载荷分布规律对混流泵叶轮设计的影响

基于三元反设计理论,将环量vur沿轴面流线的变化梯度作为载荷分布的控制参数,采用两段抛物线来描述载荷沿轴面流线的分布规律．为了分析载荷分布规律对混流泵叶轮设计结果的影响,建立了“前载型”、“中载型”和“后载型”3种混流泵叶轮．基于雷诺时均的Navier-Stokes方程、SST湍流模型和多参考坐标系模型对3种叶轮内流场进行数值模拟,对叶轮的能量性能和叶片表面压力分布进行分析．结果表明:采用两段抛物线表示载荷沿轴面流线的分布规律是合理的,基于载荷分布的叶片三元反设计能有效控制叶片表面的压力分布特性;载荷峰值点越靠近导边,叶轮的扬程、功率和效率值越高;在设计流量工况,前载型叶轮与后载型叶轮的扬程、功率和效率的差别分别为1830％,1640％和201％;不同载荷分布时叶轮能量性能的差别随流量的增加而逐渐明显．     

混流泵叶轮反问题设计与水力性能优化

基于三维反问题设计方法,结合CFD数值模拟,以混流泵叶片载荷分布参数为设计变量,以水力效率为优化目标,采用正交试验方法和响应面函数法建立设计变量与目标函数的关系,对混流泵进一步优化。分析了不同设计变量对目标函数的影响,发现叶轮轮盘进口处载荷对泵的水力效率影响最明显。通过数值模拟对比基准叶轮与优化叶轮性能,优化后的混流泵模型最优工况下的水力效率提高3.2%,且水泵扬程基本保持不变,优化体系具有良好的工程应用价值。     

混流泵叶轮设计正反问题迭代方法

基于两类相对流面流动理论,通过迭代计算求解流体的连续方程与运动方程,得到混流泵叶轮内的轴面流场,实现了正问题计算.基于轴面速度分布规律,采用逐点积分法完成叶片骨线绘型,并在轴面内进行叶片加厚,在保角变换平面内对叶片头部和尾部进行修圆,完成了反问题设计.以此为基础,将正问题与反问题相结合,提出了混流泵叶轮正反问题迭代设计方法.在该设计方法中,正问题计算为反问题设计提供流场信息,反问题设计则为正问题计算提供叶轮模型,正反问题反复迭代直到收敛,最终完成叶轮的设计.结果表明：根据正反问题迭代方法设计得到的叶轮载荷分布均匀,水力效率高.该方法弥补了传统方法设计叶片时轴面流动计算仅满足流体连续方程的缺陷,同时考虑了叶片形状对轴面流动计算的影响,最终设计得到的叶片型线同时满足流体连续方程和运动方程,该方法提高了叶轮设计计算的精度,为进一步开展混流泵叶轮的优化设计研究提供了重要的平台.     

叶轮外径对混流泵作透平性能的影响

为了研究混流泵作透平工况下,叶轮外径对性能的影响,以混流泵为模型,通过试验验证了CFD方法的有效性.基于BladeGen设计了160,170,180 mm这3种叶轮外径的混流泵水力模型, 并通过数值分析研究了3种叶轮外径下,混流泵作透平工况下的外特性,水力损失分布及内部流场分布.结果表明:随着叶轮外径的不断增大,混流泵作透平的高效点逐渐向大流量区域移动,高效点的扬程、轴功率及效率都随之增加;大流量区域内,扬程迅速降低,轴功率下降变缓,效率有所上升;总水力损失与叶轮部分的水力损失显著减少;蜗壳部分的水力损失变化不明显;叶轮入口处的旋涡区域逐渐减小,蜗壳出口与叶轮入口之间存在的间隙流体逐渐减小,从而引起该部分水力损失逐渐减小;压力分布更加均匀.     

混流泵叶轮流动性能数值模拟和叶型优化设计

在设计工况下,对一个较高比转速的混流泵叶轮内部流动进行三维湍流数值模拟计算.通过分析混流泵叶轮内部的流动特点,发现由于局部结构设计不合理,流道内产生了较大范围漩涡区和壁面脱离现象,增加了流动损失.针对这一问题提出了改进措施,采用一种多参数的优化方法对叶轮叶型进行设计,并分析了叶片型线对叶轮内部流场的作用规律.结果表明,控制叶型弯曲度可以有效控制叶片进口处的马蹄涡,消除近壁面流动分离和漩涡,减小流动中的通道涡强度和影响范围,改进后叶轮流道内存在的涡团和流动脱离现象基本消失,叶轮水力效率相对提高4.74%,单位功耗的扬程增加11.5%.叶轮性能参数的计算数据与试验数据吻合较好,验证了所采用的计算方法及模型的准确性和可靠性.     

离心式叶轮三维反问题设计和数值计算

为解决离心式叶轮传统设计方法主要依赖于设计者经验以及设计周期较长等问题,采用三维反问题设计方法,根据给定的流场进行叶轮形状的设计,从而提高设计过程对叶轮性能的控制能力.三维反问题设计方法基于无黏有势流假设,将三维速度场分解为周向平均速度和周期速度进行求解,实现了在二维轴面流道上叶片形状和流场的三维计算.三维叶片形状根据速度在叶片表面满足滑移条件计算得到,同时获得该叶轮形状下其内部三维流场的计算结果.采用自编三维反问题设计程序进行了离心式叶轮的设计计算,并利用三维定常湍流数值计算技术对设计结果进行了流场模拟和性能评价,流场的模拟结果与设计方法计算结果定性吻合,验证了设计方法的有效性.研究结果表明：将三维反问题设计方法和三维湍流数值计算技术结合可有效缩短设计周期,提高设计质量,并可用于各种叶轮机械的设计.     

出口环量分布对混流泵性能的影响

为了提高设计过程中对混流泵性能的可控制程度,开展了出口环量分布规律对混流泵性能的影响研究。基于三元反设计理论,将环量V u r在轴面流线方向上的偏导数作为载荷分布的控制参数,根据出口环量分布规律的不同设计了平均型、递增型和递减型3个混流泵叶轮。基于雷诺时均Navier-Stokes方程、SST湍流模型和多重参考坐标系模型对泵内流场进行数值模拟,对泵的效率、空化、叶轮出口的总压及轴面速度沿叶高的分布规律进行比较与分析。结果表明:递增型泵效率最高但空化最差,递减型泵性能正好相反;基于变出口环量分布的三元反设计方法能有效控制叶片不同叶高处的做功能力,递增型叶轮出口的总压和轴面速度随半径增加而增加的速度最快。     

载荷分布对导叶式混流泵水力性能影响

基于三维反问题原理,分别针对导叶式混流泵叶片及导叶特征载荷分布,结合CFD数值模拟,以水力效率为目标参数,找出相对最优载荷匹配形式,将定常湍流计算结果作为非定常湍流计算的初始流场进行非定常数值计算.结果表明,当特征载荷位于叶道中间略偏向进口处时,水力效率最高,优化后的模型整体水力效率较原始模型提高了3.56%,导叶内部流动均匀性有所提高,叶轮出口处的射流-尾迹现象得到改善.非定常结果表明,叶轮进口处压力脉动幅值最大,对机组整体运行稳定性影响最大,通过反问题设计的模型在叶轮进口压力脉动幅值及导叶出口等处压力脉动幅值均有一定改善,有助于提高机组运行稳定性.     

低比转速混流泵叶轮优化设计

针对传统的低比转速混流泵设计中对叶型径向参数变化规律研究不足的情况,提出了借鉴汽轮机轴流式叶片设计经验的方法.首先依据内流损失理论,分析了叶轮流道过流断面二次流形成的原因,再应用先进控制流理论,找到了削弱二次流的方法,然后在对叶片参数化建模的基础上,利用商用CFD软件NUMECA实现了叶型径向参数的优化设计,使泵效率有较大提高.实例计算表明,先进控制流理论是将内流分析与优化设计结合起来的有效方法,能够实现叶轮的快速高效设计.     

离心泵叶轮出口盖板形状对水力性能的影响

利用CFD数值模拟和试验两种方法,以Y80—100低比转速离心泵为研究对象,分析了离心泵叶轮出口盖板形状与水力性能的关系,对传统的圆弧形盖板和新型的直边型盖板进行了研究.从理论上分析了直边型盖板对离心泵性能曲线的影响.利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行离散,选用RNGk-ε湍流模型,压力和速度耦合采用SIMPLE算法,对两种水力模型在7种不同工况下分别进行数值计算,由数值计算结果重点分析了小流量工况下两种模型内部流场的动压、静压分布情况,并绘制性能曲线,预测曲线与试验曲线基本一致.研究表明：新型的直边型盖板具有消除性能曲线驼峰,提高泵的流量、扬程的特点.研究成果有较好的实际工程应用价值.     

斜流泵叶轮和导叶叶片数对压力脉动的影响

为了研究斜流泵叶轮和导叶由于动静相干作用(RSI)而引起的压力脉动规律,基于标准k-ε湍流模型、SIMPLEC算法和滑移网格技术,根据叶轮和导叶叶片数及其叶片厚度设计了多种计算方案,并对不同方案的斜流泵模型进行了非定常数值模拟．采用叶轮进口、叶轮出口和导叶内部布点监测压力的方法获得了压力脉动曲线,并基于时域图分析了叶轮叶片数、导叶叶片数及其厚度对斜流泵内部压力脉动特性的影响．数值计算结果表明:斜流泵叶轮叶片动静干涉对整个流场的压力脉动影响较大,叶轮叶片数越少,叶轮进、出口压力脉动幅值越大;在设计工况下,导叶内部的压力脉动波形主要受叶轮叶片数影响,而导叶厚度对导叶内部压力脉动影响较小．研究结论将为斜流泵的设计和稳定运行提供参考．     

Robust optimization design on impeller of mixed-flow pump

To increase the robustness of the optimization solutions of the mixed-flow pump,the impeller was firstly indirectly parameterized based on the 2 D blade design theory. Secondly,the robustness of the optimization solution was mathematically defined,and then calculated by Monte Carlo sampling method. Thirdly,the optimization on the mixed-flow pump' s impeller was decomposed into the optimal and robust sub-optimization problems,to maximize the pump head and efficiency and minimize the fluctuation degree of them under varying working conditions at the same time. Fourthly,using response surface model,a surrogate model was established between the optimization objectives and control variables of the shape of the impeller. Finally,based on a multi-objective genetic optimization algorithm,a two-loop iterative optimization process was designed to find the optimal solution with good robustness. Comparing the original and optimized pump,it is found that the internal flow field of the optimized pump has been improved under various operating conditions,the hydraulic performance has been improved consequently,and the range of high efficient zone has also been widened. Besides,with the changing of working conditions,the change trend of the hydraulic performance of the optimized pump becomes gentler,the flow field distribution is more uniform,and the influence degree of the variation of working conditions decreases,and the operating stability of the pump is improved. It is concluded that the robust optimization method proposed in this paper is a reasonable way to optimize the mixed-flow pump,and provides references for optimization problems of other fluid machinery.     

基于CFD的混流泵空化特性研究

应用剪切应力输运(SST)湍流模型和基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型,求解雷诺时均Navier-Stokes方程,对某混流泵在设计工况时的流场进行数值模拟.根据计算结果获取了泵的扬程衰减曲线,捕捉到泵内空化的发生、发展过程,对轻微空化、临界空化和严重空化3种工况下叶轮内空泡体积分布特性做对比分析.模拟结果表明:该泵空化性能满足设计要求;叶轮内空泡最初发生在叶片吸力面进水边靠近轮缘处,该空泡区随汽蚀余量降低逐渐向轮毂方向和叶轮出口方向延伸;轮缘空泡初生于叶片进水边,沿着叶缘翼型逐渐发展成一条长带;轮毂空泡集中于叶根翼型尾部,轮毂空泡体积分数明显大于轮缘;叶片各通道间空泡分布相似,严重空化时空泡造成叶片通道严重阻塞致使泵扬程急剧下降.