井用潜水泵导叶的正交试验与优化设计

为提高井用潜水泵的性能,采用正交试验的方法,按照L9（34）正交表,选取流道式导叶的叶片包角、叶片进口安放角、过渡段包角等4个因素,每个因素取3个水平,设计出9个导叶.采用变角对数螺线设计导叶叶片型线,并分别将9个导叶与同一个叶轮装配.通过Fluent提供的标准k-ε湍流模型、SIMPLEC算法、二阶迎风方程,对包含叶轮、导叶在内的两级井用潜水泵进行了全流场数值计算,从而获得了9组设计方案在额定工况下的效率、扬程.通过正交试验法分析了各几何参数对效率、扬程的影响规律,利用极差分析找到了影响流道式导叶性能的主要因素和次要因素,并提出了性能较优的模型泵设计方案.导叶叶片包角与叶片进口安放角对井用潜水泵的效率、扬程影响较大.样机试验结果表明：较优方案在额定工况下的泵效率为67.51%,单级扬程为13.84 m,其扬程与效率均超过国内同类产品及国家标准.     

导叶叶片数对井用潜水泵性能的影响

选取一典型井用混流式潜水泵作为研究对象,借助数值模拟和试验测量的方法研究导叶叶片数对井用潜水泵性能的影响。在导叶叶片型线不变的情况下,通过调整叶片数6、7、8共3个方案进行数值模拟。以单级泵模型建立计算域,划分高密度结构化网格,通过网格无关性分析确定了合适的网格划分方案。基于SST k-ω湍流模型和标准壁面函数进行多工况数值模拟,对不同叶片数方案的泵性能预测结果进行了对比。证实在小流量工况下,叶片数的增加提高了导叶叶片流道内整流效果,泵的扬程随叶片数的增加而提高。然而在大流量工况下,过多的叶片会占据更多的流道面积,并产生较大的水力损失。7叶片方案的进口面积与叶轮出口面积匹配较好,水力损失较小。将7叶片方案进行了加工制造和样机性能试验,试验结果表明模型泵性能优秀,高效区宽且具有无过载特性。数值模拟预测的扬程和功率均略高于试验结果,预测的泵效率与试验值基本一致,两者随流量变化的整体趋势基本一致,证实本文数值模拟具有一定的精度。     

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。      

叶轮与导叶叶片数匹配对井用潜水泵性能的影响

叶轮与导叶叶片数对泵的扬程、效率等都具有较大的影响。选取250QJ140型井用潜水泵作为研究对象,采用数值计算与试验相结合的方法,在叶轮与导叶叶片数组合变化下,对井用潜水泵的性能变化规律和内部流场分布进行了研究。基于不改变其他几何参数的原则,建立16组不同叶片数组合的两级井用潜水泵模型。采用ANSYS ICEM软件对各组模型分别进行了结构化网格划分,进而在ANSYS CFX商用软件中对各组模型进行了多工况定常数值计算。各组数值计算均选用标准k-ω湍流模型和标准壁面函数,获得了各组模型在不同工况下的性能预测值。通过各组方案性能预测值的对比可以发现:在额定流量工况下,当叶轮与导叶叶片数均为7时,井用潜水泵模型的效率最高。在小流量工况和大流量工况下,泵内的介质流动角度发生了变化。在小流量工况下,增加叶轮与导叶的叶片数可以提高叶片对于液体介质的整流,进而提高井用潜水泵性能;在大流量工况下,较少的叶轮与导叶叶片数更能减轻叶片对液体介质的排挤作用。将大流量工况下性能较好的方案6进行了样机制造和性能试验,结果表明,模型性能较好,在额定流量工况下,扬程预测值比试验结果低2.4%,轴功率预测值比试验结果低1.6%,效率预测值比试验结果高1.1%,数值预测结果与试验结果随流量的整体变化趋势一致,证实了本文中数值计算的准确性。     

导叶径向位置对井用潜水泵性能的影响

为研究导叶径向位置对潜水泵性能的影响,针对250QJ125型井用潜水泵,在其他参数一定的条件下,通过改变空间导叶入口径向位置,设计了9组潜水泵导叶方案.基于雷诺时均N-S方程、RNG k-ε模型,采用SIMPLE算法,对井用潜水泵空间导叶在不同径向位置模型的内部流动进行了全流道三维数值计算.对计算结果进行分析,获得了不同导叶方案时潜水泵的性能参数,对比了不同方案导叶损失及其过水断面面积变化规律,以及导叶内部的湍动能与静压分布.结果表明:导叶径向位置对潜水泵性能影响十分显著;当径向距离增大直到导叶位于适当位置时,导叶内部损失较小,具有较强的能量转换能力,导叶内部的湍动能波动程度减弱,大大降低了流动损失,泵效率提高;但当径向距离过大时,导叶过水断面面积变化规律出现明显差异,湍动能波动程度加剧,导叶流动损失增加,泵性能下降.     

基于正交试验的多级井用潜水泵叶轮出口与导叶进口参数匹配研究

为提高多级井用潜水泵的效率,同时保证泵的扬程,以200QJ50-65型5级井用潜水泵为例,按照L9(34)正交表,选取了叶轮出口边斜度、叶轮出口边与导叶进口边间隙、导叶进口边宽度3个因素,每个因素取3个水平,组合出9组方案.采用CFD数值模拟对多级井用潜水泵的前两级进行了全流场数值模拟,获得了9组方案在额定工况下的效率...     

空间导叶面积变化规律对井用潜水泵性能的影响

为了研究空间导叶叶片进出口有效过流面积比和其过水断面面积变化规律对潜水泵性能的影响,保证导叶其他参数不变,设计了9种面积比模型,以效率最优的面积比导叶为基础模型,设计了4种过水断面面积变化规律的导叶,包括线性式、上凸式、下凹式和S形。运用CFD数值模拟方法对其内部流场进行了计算,模拟计算结果与试验结果较为吻合,设计工况下的扬程和效率的误差均在3%以内。通过对潜水泵外特性分析表明:导叶过水断面面积变化规律在设计工况下对泵的效率有显著影响,变化过程中效率的增幅约为4%,但对其扬程影响甚微,最大扬程差仅为0.7 m;各个方案导叶流道的内流场分布结果表明:下凹式面积变化规律能有效改善导叶内流体的流动状态,降低导叶内的能量损失。非线性下凹式面积变化规律优于线性,S形及上凸式面积变化规律,但如何寻找最优变化规律仍需继续探索。     

导叶出口边位置对深井离心泵性能的影响

选取100QJ30型混流式深井离心泵作为研究对象,借助数值模拟和性能试验的方法,研究导叶叶片出口边位置不同对深井离心泵性能的影响,并分析其内部流场的差异性和规律性.在导叶叶片主要几何参数不变的情况下,调整叶片出口边轴向位置,确定3种不同的导叶方案,其叶片出口边与导叶场域出口的轴向距离分别为6,3和1 mm.采用Ansys CFX软件分别对3个方案进行数值模拟,以两级泵模型建立计算域,划分结构化网格,基于标准k-ω湍流模型和标准壁面函数进行多工况数值模拟,分别对3个方案进行了性能预测,并对预测结果进行了对比分析.结果表明:导叶叶片出口边延伸可抑制由于脱流而产生涡核的演化与成长,进而消除导叶流道内的旋涡,改善次级叶轮进口处液体的流场分布.较前2个方案,方案3中的导叶结构较大幅度提升了导叶的整流能力.     

导叶参数对混流泵水阻系数及效率的影响

以某混流泵为研究对象,基于Fluent软件,建立相对坐标系下的时均连续方程及N-S方程,并采用RNG k-ε湍流模型、非结构四面体网格和SIMPLEC算法对该混流泵内部三维流动进行数值模拟,在分析网格无关性的基础上,研究叶轮叶片和导叶叶片的静压及绝对速度分布规律,并对在不同的导叶数和不同导叶进口安放角下分别模拟了其在静态时的水阻系数和动态时的性能参数,发现在其他参数不变只改变导叶数时,导叶数为3时该混流泵水阻系数最低,导叶数为9时扬程和效率最高;在设计工况下其他参数保持不变只改变导叶进口安放角,冲角为0°时该混流泵的水阻系数最低,扬程和效率最高,但总体变化不明显.结果表明：在特殊应用环境下、为保证设计所要求效率的情况下,导叶数应尽量少;在设计混流泵的空间导叶时,导叶进口安放角在5°左右的范围内改变,混流泵的性能无明显变化.     

导叶进口边相对位置对混流泵压力脉动的影响

以混流泵作为研究对象,探究导叶进口边的相对位置对混流泵水力性能及内部压力脉动的影响.基于ANSYS CFX软件并采用k-ω湍流模型进行了定常和非定常计算.通过改变导叶进口边的相对位置,利用数值模拟来预测混流泵的水力性能,并选取了4个方案,对混流泵的压力脉动进行了频谱分析.结果表明:随着叶轮出口边与导叶进口边的夹角α增大,混流泵的水力性能先增大后减小,在α=5°时,混流泵的水力性能达到最优.α的变化对泵内部的压力脉动幅值波动大小有影响,α越大,泵内部的压力脉动越小.α的变化会影响泵内部的压力脉动主频幅值.在叶轮进出口处,α越大,主频幅值越小,而在蜗壳内部,则无明显规律.随着α的增大,在蜗壳内靠近隔舌位置的压力脉动,受叶轮旋转作用的影响变小,受隔舌的影响作用变大.研究结果可为混流泵的导叶优化设计提供一定的参考.     

导流器几何参数对潜水泵性能影响的通径分析

为研究导流器主要几何参数对潜水泵性能的影响规律,根据导流器的工作原理,针对250QJ125型潜水泵,选取导叶片进口安放角、叶片轴向长度、叶片数为试验因素,采用正交试验设计方法设计导流器,应用CFD数值模拟技术,对同一叶轮与不同方案导流器组合的潜水泵进行流场计算与性能预测,运用通径分析法对导流器主要几何参数与潜水泵性能的关系进行分析.结果表明:对取单级扬程和效率作为性能评价指标的潜水泵而言,进口安放角对其性能影响最大,叶片轴向长度次之,叶片数最小;通过相对误差分析,模拟结果与实测结果吻合较好,平均相对误差值为5.1%.利用通径分析能较全面地反映导流器各个参数之间及对潜水泵性能的影响规律,得到影响潜水泵性能的主要因素和次要因素,为从结构设计上提高潜水泵性能提供一定依据.     

核主泵模型泵导叶进口边相对位置对泵性能的影响

采用雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型,应用三维非结构四面体网格建模,选用旋转流体机械模型中的多重参考坐标系模型（MRF）,对设计工况下两种不同导叶形式核主泵模型泵的三维湍流流场进行了数值模拟,模拟结果较好地揭示了内部流场的特征.对内部流场的静压分布特征进行了研究,发现静压从叶轮进口到球壳呈持续增加的趋势,且导叶流道的静压分布具有非对称性的特征,比较分析了两种模型泵的流线图,得到了球壳与出口管相交位置处的回流特征.研究结果可用来了解核主泵模型泵的内部流场特征,并为其水力优化设计提供有益参考.     

三通全扩散/收缩管无阀压电泵的流阻性能

针对传统扩散/收缩管无阀压电泵效率低的不足,提出一种新型三通全扩散/收缩管无阀压电泵.为了寻求新型三通全扩散/收缩管流管的最佳几何尺寸参数,在有限元仿真试验方法的基础上,将新型三通全扩散/收缩管与传统扩散/收缩管进行性能对比分析.分别改变三通全扩散/收缩管的分流锥管长度L2、分流锥管夹角φ、分流锥管的锥角2θ和分流锥管宽度b2,研究分流锥管结构参数对三通全扩散/收缩管流阻特性的影响.结果表明,相对于传统扩散/收缩管,三通全扩散/收缩管的反向流阻系数与正向流阻系数之比λ在较高雷诺数下大于传统扩散/收缩管,可提高无阀压电泵的效率;在不同雷诺数流动下,三通全扩散/收缩管的最优结构参数相差较大,设计时必须要根据实际工况选用合适的结构参数.     

基于CFD的空间导叶出口边线性控制及内流分析

为提高多级潜水电泵的水力性能,采用试验验证和数值模拟相结合的方法,对Q80-20型多级潜水电泵的空间导叶展向各流面包角的变化规律用线性方程量化,探究方程斜率变化对导叶内部角区分离流的影响以及与导叶性能的映射响应关系.采用CFX17.1对2级模型进行全流场数值模拟,结果表明,线性方程斜率为负时,导叶的水力性能优于正斜率时.在负斜率基础上采取2种方案优化,结果表明,调整轮缘包角并增大包角差时,轮毂中部横向二次流被削弱,轮毂到轮缘的展向二次流增强,抑制了角区低能流体堆积,导叶性能随斜率的减小而单向升高.调整轮毂包角并增大包角差时,同样可增强中部轮毂到轮缘的展向二次流,但进口加剧的展向冲刷增大了能量损失,导致导叶的水力性能先增大后减小,存在最佳斜率.研究成果为后续研究空间导叶出口边型线对多级潜水电泵水力性能的影响提供研究基础和科学支撑.     

卧式泵站竖井进水流道三面进水水力特性数值模拟

针对某单向卧式引水泵站采用的竖井式进水流道进行优化设计,提出三面进水竖井进水流道,为分析三面进水下竖井进水流道的水力特性,基于雷诺时均N-S方程和k-ε标准湍流模型,采用CFD技术对该卧式泵站的三面进水竖井流道进行数值模拟,通过控制中墩的线型以及中墩宽度b形成不同的三面进水流道,从而分析不同三面进水流道的水力特性,具体分析不同方案进水流道出口断面的轴向速度分布、水平剖面的流线和速度分布以及流道水力损失的状况.研究结果表明:对于不同中墩宽度下的三面进水流道,流线型中墩较矩形中墩其流速分布均匀度和速度加权平均角均较大,采用流线型中墩可以获得较好的流态;对于流线型中墩,随着中墩宽度b的减小,过水断面面积逐渐增大,各方案流速分布均匀度和速度加权平均角逐渐增大,当b=0.075B时,此时流线型中墩泵进口断面上的压力分布较矩形中墩更为均匀.     

混流泵导叶对其性能的影响

采用两类相对流面迭代计算轴面流网,给定不同的导叶进口安放角、安放角沿流线分布规律及进出口边位置,通过逐点积分绘制空间骨面,在保角变换平面内完成加厚与修圆,设计了一系列混流泵导叶．应用SIMPLE算法,求解雷诺时均N-S方程与标准k-ε方程,模拟了同一叶轮匹配不同导叶时混流泵内部的全流道三维湍流流场,并预测其水力效率,得到导叶包角与水力效率随不同设计参数变化的曲线,结合导叶前后截面内相对速度、静压和总压分布,分析不同设计参数对于混流泵性能的影响．结果表明:导叶进口安放角对于混流泵性能的影响最为显著,选取适当可以减小进口冲击损失;安放角沿流线变化规律的选取需要考虑控制包角大小,以减小导叶区的水力摩擦损失;进出口边位置选取过程需要考虑导叶的能量转换能力与水力摩擦损失的影响．     

低比转数离心泵进口预旋的数值计算

为研究预旋对泵性能的影响,基于欧拉方程和斯托道拉方法,采用径向前置导叶实现预旋,以CFD软件Fluent为平台,以单级低比转数离心泵为研究对象,改变前置导叶几何参数设计3组方案,通过对3组前置导叶预旋方案进行数值模拟,从内部流场和外特性分析预旋对离心泵无过载性能的影响.结果表明：从内流场上看,预旋越强,导叶出口圆周速度越大.若不考虑边壁影响,圆周速度沿径向由内到外呈增大趋势,沿流动方向,圆周速度略有减小,与速度矩保持定理有一定的偏差.从外特性上看,通过增加预旋获得了陡降的H-Q曲线及平坦的P-Q曲线,并且效率在小流量到额定流量附近还略有提高,因此,通过预旋实现全扬程无过载是可行的.