全贯流泵在停机过渡过程中的水力特性研究

通过ANSYS Fluent软件对全贯流泵装置的停机过渡过程进行研究，主要探讨了停机过程中外特性和内流场，研究发现：全贯流泵的制动工况占整个停机过程的比值最小，飞逸转速约为设计转速的84%,飞逸流量为设计流量的1.17倍。间隙回流在停机过程中的流向始终从叶轮出口流向叶轮进口，且其流量整体呈现逐渐减小的趋势。在停机过程中，轴向力整体呈现下降的趋势；转子径向力整体呈现先减小后增大的趋势；叶轮进、出口的压力脉动先减小后增大，在制动工况达到最大值后，在水轮机工况迅速减小，直至进入飞逸工况趋于稳定。叶轮进口的压力脉动幅值是泵装置内最大的，约为叶轮出口的2倍。由于受到间隙回流的影响，在叶轮进口靠近轮缘区域存在一个小型旋涡，该旋涡的范围在水泵工况先减小，在制动工况突然增大，最后在水轮机工况和飞逸工况再次减小。叶轮进口旋涡的位置受到主流流向的影响逐渐向进口导叶方向转移。全贯流泵装置内部的熵产主要集中在以叶轮为首的下游域。随着停机过程的发展，泵装置内的高熵产区域逐渐向进口导叶的方向转移，高熵产区域的范围先减小后增大。全贯流泵泵段内高熵产率区域的位置和范围与旋涡出现的位置和尺寸相对应，这表明旋涡与脱流等不...     

轴流泵装置模型断电飞逸过程三维湍流数值模拟

针对轴流泵装置模型断电飞逸过程特点,对应叶轮区所采用的冻结叶轮的变速旋转坐标系方法与基于任意拉格朗日-欧拉方法（ALE）的变速滑移网格法,构建基于三维非定常RANS方程与Spalart-Allmaras湍流模型的数值模拟方法,采用有限体积法对控制方程组进行离散,时间项采用一阶向后差分隐式格式,方程组中扩散项采用二阶中心差分格式,对流项采用二阶迎风格式,应用SIMPLEC方法进行速度压力耦合求解,采用初始工况的定常计算结果作为非定常计算的初始流场.经过轴流泵装置模型断电飞逸过程的数值模拟,获得了机组到达最大转速时所需时间为20.35 s,以及两种数值方法所得最大飞逸转速分别为1 610,1 989 r/min,装置模型稳态飞逸试验转速1 720 r/min,介于两者之间,同时揭示了机组转速、流量、转矩与测点压力等参数随时间变化规律与装置模型流道子午截面流速场、叶轮叶片压力场的瞬变过程,从而为机组结构优化设计和运行管理提供科学的参考依据.     

双向流道轴流泵装置的飞逸特性

为研究双向流道轴流泵装置的飞逸特性,以引江济淮枞阳站泵装置模型为研究对象,基于RANS方程和RNG k-ε模型,应用CFX软件对双向轴流泵装置全流道进行了非定常数值模拟,获得了不同扬程下的流量值及飞逸转速值,计算得到了单位飞逸转速.通过数值计算结果与试验结果相比较,验证了数值计算方法的正确性.结果表明:单位飞逸转速随着叶片安放角的增大而逐渐减小;水流通过泵段后流动变得不稳定,在出水流道中产生大量旋涡;叶轮进口处压力脉动主频为叶轮转频的叶片倍数,压力脉动幅值从轮毂到轮缘逐渐增大;叶片吸力面中部压力分布较不规律,叶片压力面头部及吸力面尾部存在高压区,且面积随飞逸扬程增加而变大;叶片尾部流速较大,边缘存在流动分离现象,而头部存在低速区域,扬程增大后低速区面积增大,流场更加不稳定.研究结果可为泵装置的设计优化及安全管理提供一定参考.     

双向立式轴流泵站飞逸过渡过程数值计算

采用CFX滑移网格的非定常数值计算方法,计算并分析了双向立式轴流泵装置飞逸过渡过程中泵装置内、外特性的变化。结果表明:转动惯量的变化会影响泵装置进入飞逸的时间,对最终的飞逸转速的值几乎没有影响;随着转速的不断升高,由于相对入流角的变化,叶轮内部发生流动分离现象,在叶轮叶片上形成一定范围的局部低压区,载荷分布曲线上表现为载荷突变,当达到飞逸工况时,叶轮叶片工作面与背面载荷基本一致,压差很小,叶轮几乎不对外做功;叶轮出口不同位置监测点的水压脉动的主频基本相同,均为叶轮叶片通过频率,并没有出现由尾水管涡带引起的低频脉动。     

启动加速度对核主泵叶轮内部流动的影响

针对研究不同启动加速度对核主泵启动过渡过程中叶轮内部流动的影响,以3组不同启动加速度瞬态外特性试验性能参数为依据,获得流量与时间和转速与时间的外特性曲线,将获得外特性曲线作为边界条件,代入CFX中进行数值模拟,分析启动过程中外特性曲线及叶轮流道内流线图和压力梯度云图.结果表明:启动加速度与核主泵启动时间有直接关系,但是与流量和转速到达稳定值之间的时间差无关;启动加速度对叶轮内部流动稳定性和压力变化幅度有较大的影响,在启动过渡过程中,较大启动加速度对应叶轮内部流动极不稳定,产生一定强度和面积的旋涡区且压力变化幅度有较大波动,而较小启动加速度对应叶轮内部流动稳定,压力变化幅度均匀.该结果在启动过渡过程中对控制核主泵的不稳定性有重要的价值.     

离心泵小流量工况下的内部流动特性

为研究离心泵在小流量工况运行下性能及其内部流动特性,以型号为IS160-50-65的离心泵为研究对象,采用商用化软件Ansys CFX 12.0对模型离心泵的叶轮进口、叶轮流道以及蜗壳流道组成的全流场进行定常数值计算.同时,为了提高数值计算的准确性,考虑采用3种不同的网格数对模型离心泵的扬程进行网格无关性分析.且从离心泵的外特性及其内部流场分析了不同小流量工况下离心泵性能的变化规律.研究结果表明:与试验结果相比,设计工况下,扬程预测偏差为1.47%,效率预测偏差为3.61%;且随着流量降低,计算扬程的偏差值呈一定的下降趋势,计算效率的偏差值逐渐增大.另外,在设计工况下,离心泵的内部流动比较均匀;而在小流量工况下,离心泵进口管道及叶轮流道均出现回流现象,而回流引起的旋涡流有时甚至会堵塞叶轮流道;在极小流量Q/Q_d=0.2时,回流区域已延伸至全部的进水管路中.     

混流泵内部流动不稳定特性的数值模拟

为了研究小流量工况下混流泵内存在的不稳定流动特性,基于大涡模拟亚格子尺度模型与滑移网格技术, 对包括进口管和出口弯管的混流泵全流场进行三维非定常湍流计算．外特性试验结果表明,在60％～85％最优工况范围内,扬程-流量特性曲线呈正斜率特性．数值模拟结果与试验结果误差控制在4％内,表明大涡模拟可以准确预估混流泵存在的扬程-流量正斜率不稳定特性．在此基础上,分析了混流泵产生正斜率不稳定特性的内流机理．分析结果表明,在小流量工况下叶轮入口切向速度呈明显的非对称性,叶轮与导叶流道内液流的失速效应使叶轮叶片表面和导叶叶片入口轮毂侧存在大尺度的旋涡结构．导叶流道内旋涡尺度较大,压力脉动沿导叶轴向呈明显的周期性波动,使旋涡区域从吸力面侧逐渐扩展到导叶流道,旋涡结构的涡核附着在压力脉动最小值的导叶吸力面中间叶高区,且涡核旋向与叶轮旋向相同．     

离心泵内双龙卷风式分离涡数值分析

为探究弯管式离心泵的内流不稳定特性,基于雷诺时均模型和旋涡判别Q准则,对离心泵设计工况下的旋涡流动进行仿真研究。基于数值计算结果,获得了叶片吸力面的拓扑结构,捕捉到驻扎于叶片上的驻脚和游离于叶轮上游的低压泡,两者共同构成了双龙卷风式分离涡。导出其基本形成机理:吸入室中的弯管流动和消旋板绕流构成了进口畸变流,包含反向涡对和低压回流。畸变流迫使进口冲角增大,吸力面发生流动分离并伴有旋涡脱落,脱落涡在回流作用下向叶轮上游运动,逐渐发展成为独立的集中分离涡,连接叶轮上游壁面与叶片吸力面。嵌入完全空化模型,证实设计工况下龙卷风式分离涡存在涡生空化特性,可能增加离心泵运行噪声。     

前弯型叶片液力透平的数值计算

为研究具有前弯型叶片液力透平的性能,设计了3种不同比转数具有前弯型叶片液力透平.采用全流场和结构化网格技术对液力透平内部流动进行数值计算,分析了具有前弯型叶片液力透平在不同流量下的外特性、压力场和速度场,得到了液力透平叶轮和尾水管内部流场随流量变化规律.研究结果表明:透平内部压力场从蜗壳进口经叶轮到尾水管出口压力逐渐减小,随流量的增大,液力透平的进出口压差逐渐增大;在前弯型叶片工作面存在旋涡区域,旋涡位置和区域大小随着流量的变化而变化;在尾水管横截面上存在随流量而变化的圆周速度分量;叶轮内部的水力损失是前弯型叶片液力透平内部的主要的水力损失,在3种液力透平中都占总水力损失的60%以上,并随比转数增大而逐渐增大.因此,前弯型叶片液力透平的优化设计应主要集中在叶轮研究.     

抽蓄电站全过流系统水泵工况停机过渡过程CFD模拟

通过建立某抽蓄电站全过流系统的几何模型,将VOF两相流与单相流流动模型相结合,采用三维非定常流动过渡过程研究方法对泵工况停机过渡过程进行数值计算,获得了机组转速、流量、转轮力矩,以及若干测点压力脉动等参数随时间的变化过程和不同时刻的流场演变规律,并将结果与电站原型试验资料进行了对比.结果表明:机组转速变化规律、蜗壳和尾水管进口压强极值与试验结果基本吻合;抽蓄电站泵工况停机过程中,蜗壳进口和尾水管进口压强变化明显受活动导叶关闭规律的影响,而转轮与活动导叶之间的压强主要受机组转速的影响;随着活动导叶的关闭,当流量小到一定值后,水流主要通过尾水管内侧流向上游,而外侧水流会与转轮同向旋转;导叶全关后,尾水管内的旋涡是导致其能量损耗的主要因素.     

混流泵启动过程空化特性的试验研究

为了研究混流泵在不同流量和不同进口压力工况下启动过程中的空化特性,采用不同的启动时间,对一台叶顶间隙为0.25 mm的混流泵模型的启动过程进行了高速摄影试验研究.主要研究了模型在4种流量(0.80Q_d,0.90Q_d,1.00Q_d和1.05Q_d)工况下,启动时间分别为10,15,20 s下的空化现象.试验结果表明:在混流泵启动过程中,初始阶段由于速度很小,压力没有达到水的气化压力,因此没有出现空化现象;当启动时间达到稳定点后,首先在叶轮叶顶处出现了空泡,随后扩散至叶轮流道,发生严重空化;在相同流量下,泵的进口压力越小(即空化数越小),空化发生的越严重;在进口压力和流量相同时,不同的启动时间下,模型泵在启动过程中,泵内的空化程度随着时间逐渐发展加剧,达到稳态时,空化最为严重.     

喷灌泵自吸过程瞬态水力特性的试验研究

喷灌泵自吸过程是一复杂的气液两相流动过程,自吸过程的瞬态参数与自吸性能的优劣密切相关。在自吸泵外特性试验台基础上,利用NI虚拟仪器、LabVIEW编程平台搭建了泵内部流态特性瞬态数据测试系统,对65ZB-40型喷灌泵自吸过程进行了试验研究,测量了泵在不同安装高度下自吸瞬态过程中关键监测点参数的变化,并建立了瞬时转速、压力、流量、扬程、功率及效率与自吸时间的关系,分析了喷灌泵自吸过程内特性参数的变化趋势,并探讨了泵自吸过程时内特性与外特性之间的联系。结果显示,在六个不同自吸高度条件下,各关键监测点的压力变化趋势基本一致。泵进口及叶轮进口处真空度随自吸泵安装高度增加而增加。回流孔处在自吸初期为负压状态,但末期压力迅速上升至400kpa左右,说明外混式自吸泵回流孔处为气液混合的主要区域。泵出口处压力值在自吸过程中基本上维持在1-2kpa之间,但在自吸即将完成时压力值迅速增至400kpa附近。流量、扬程、轴功率、输出功率及转速也均在自吸即将完成时有一个显著的变化,表现出明显的瞬态效应,在自吸完成后效率达到最高值。试验结果与自吸机理基本吻合。     

低比转数离心泵驼峰工况附近内部流动特性分析

为了揭示驼峰的产生机理,采用CFD数值预报对低比转数离心泵驼峰工况附近内部流动特性进行了深入分析,建立了扬程与内部流动特性之间的关系.在0.1~1.6倍设计流量下扬程的模拟值与试验值的相对误差在3.62%以内,且预报驼峰所在工况与实测结果基本一致.对驼峰附近工况0.2,0.3,0.4倍设计流量下的内部流动进行了分析,预报结果表明:泵进口管道存在大量回流,造成叶轮进口预旋,诱发驼峰;各叶轮流道内均存在不同程度大小的旋涡,在0.2和0.3倍工况甚至堵塞了整个流道;存在旋涡的叶轮流道出口相对速度值较大,而绝对速度值较小.结合泵基本方程进一步分析,发现出口相对流速的增大使得扬程降低,引发驼峰.对比叶轮出口R/R₂=0.9处绝对速度,小流量下波动更加严重,且其圆周分量下降非常明显,直接降低了这些工况下的扬程值;叶轮进口的预旋及出口回流是诱发驼峰的原因,消除或者减小这些非稳态现象可作为抑制驼峰的出发点.     

基于量纲一化的离心泵内部气液两相流动特性

为研究气液混输状态下离心泵内部流动及外特性的基本规律,以某一比转数n_s=132.2的直联式单级单吸离心泵为研究对象,基于量纲一化方法,在不同含气率及转速下进行外特性试验和数值模拟研究.结果表明:量纲一化参数的压力系数和速度系数能够较为直观地反映离心泵气液两相流内部流动的基本规律;随着转速的增大,低压区在叶轮进口附近的半径逐渐增大,低速区占据流道的面积也逐渐增大,此时由于气体主要聚集在叶轮流道及蜗壳附近,容易堵塞流道,液相与叶轮能量得不到有效地交换与传递,这是导致气液混输状态下含气率大于3%时离心泵外特性曲线不再遵循相似定律的主要原因;结合试验和数值模拟结果验证了所采用的Eulerian-Eulerian非均相流模型的合理性,为泵的优化设计提供了一定理论基础.     

混流泵瞬态启动性能及空化流场可视化试验

为解决泵喷系统以及潜艇武器大型化和稳定化发展中的混流泵瞬态启动特性和诱导空化问题,结合混流泵外特性试验和高速摄影可视化技术,研究泵瞬态启动性能和空化流场特性.结果表明:在无空化启动时,启动时间和启动流量不影响混流泵的稳态性能,泵流量、转速和扬程同时刻达到稳态峰值,具有较好的同步性,泵扬程在启动初期具有明显的滞后性,设计流量下,启动扬程滞后时间约为启动时间的50%;在空化启动条件下,混流泵叶顶间隙最先出现空化,随着启动时间的增加,空泡云发展出“长条状”形状,随着进口压力的降低或进口流量的增大,空泡云逐渐呈现出“三角状”,最终发展到堵塞流道.通过高速摄影试验捕捉不同启动条件下混流泵流道内的空化形态演变,发现缩短启动时间、减小启动流量、增加泵进口启动压力是抑制启动空化发生的有效途径.     

转速对核主泵空化特性的影响

为研究转速对核主泵空化性能及进口流态的影响,应用理论分析、数值计算和试验研究的方法,对AP1000核主泵进行不同转速下的数值模拟和空化试验,得到3种频率30,40,50 Hz下不同流量(0.7Q_d,1.0Q_d,1.3Q_d)时的空化特性,并对叶轮进口截面静压分布与泵流动性能的影响关系进行分析.结果表明:转速对小流量工况下泵的空化性能影响较大;随着转速的降低,小流量工况下,空化性能曲线趋势变化比大流量工况下明显;在不同转速的额定流量下,转速较大时,模型核主泵在装置临界空化余量(NPSHC)减小时更容易接近临界空化状态;在转速较小时,临界空化余量(NPSHC)较小,且一旦发生空化,其扬程曲线斜度下降也相对平缓;在额定转速下,模型泵在大流量时更容易接近临界空化状态;随着转速和流量的减小,更容易造成模型泵在开始试验阶段进口处产生回流,扰乱进口的流场,从而造成局部空化严重.     

带凸形叶片侧流道泵内部旋涡特性研究

侧流道泵是一种超低比转数径向式叶片泵,流体在侧流道泵中以螺旋形轨迹运动,整个流动过程是一种复杂的三维湍流形式,存在着大量的轴向、径向旋涡。为了研究侧流道泵的内部旋涡特性,以带凸形叶片侧流道泵为研究对象,采用非定常数值模拟的方法,通过试验对比验证了数值模拟的可靠性,并基于数值模拟,利用Q准则对其内部涡旋结构进行可视化分析,分析了涡团分布和涡量波动等特征。结果表明:增加凸形叶片可以扩大侧流道泵的高效区,拓宽侧流道泵的应用范围;带凸形叶片侧流道泵内部涡团主要存在于叶轮流道内,且大部分位于叶轮进出口区域附近及叶轮根部处;随着流量的增加,除了叶轮进口区域,侧流道泵叶轮内涡团变小,且数量显著减少。     

旋壳差速效应对旋喷泵性能影响

以旋喷泵为试验对象,完成了旋壳与叶轮同步变转速性能试验以及旋壳与叶轮非同步差速数值研究.为避免各向同性涡黏假设,数值计算选择雷诺应力RSM linear pressure-strain模型,将数值计算与试验结果对比以验证其可信度.结果表明:变转速试验中该泵的流量与扬程符合相似定律,最优效率基本保持不变,各转速下最优效率的最大偏差为3.1%,趋于常数.差速试验中旋壳转速在升高引起径向液体压力梯度增大,导致旋壳内任意位置半径r大于叶轮出口半径r₂区域的液体压力增加,而旋壳内任意位置半径小于叶轮出口半径区域液体的压力降低.受叶轮与旋壳差速扰动影响,集流管进口和尾涡区域湍流动能数值普遍较高,该区域能量损失大,涡的大小、形态、涡心位置随旋壳转速不断变化,主要分布在叶轮出口与流动中心区.与额定工况相比,旋壳转速的升高能够提高旋喷泵的扬程,但由内壁面带动液体快速旋转增加液体能量的方式会导致泵效率下降.旋壳转速在一定范围内的降低有利于能源的高效利用,提高泵效率,该泵试验范围内最优旋壳与叶轮转速比为0.75,研究结果对今后旋喷泵差速运行有指导意义.