轴流泵运行工况和叶顶间隙对叶顶泄漏涡轨迹的影响

采用SST k-ω湍流模型模拟和旋涡强度方法,对某一轴流泵模型泵叶轮叶顶区流场和叶顶泄漏涡轨迹进行了数值计算,分析了运行工况和叶顶间隙两个因素对轴流泵叶顶泄漏涡运动轨迹的影响.数值模拟结果表明,随着流量增大,轴流泵叶顶泄漏涡的涡核轨迹起点由叶尖向叶片翼型中部逐渐移动.随着流量的增大,叶片流道内的流动方向发生偏移,叶顶泄漏涡在主流的卷吸下,运动轨迹随之变化,涡轨迹线的斜率受叶轮内主流的影响而变大.随着叶顶间隙增大,泄漏涡的卷吸程度逐渐增强,影响范围增大,涡核的起点由叶片前缘逐渐向后缘移动,且涡核的压力逐渐降低,因此在大间隙时涡带更易出现空化现象.当叶顶间隙达到1.5 mm时,轴流泵在0.9Qd工况附近出现驼峰现象,说明叶顶泄漏涡对驼峰区不稳定流场具有重要的影响.     

轴流泵叶顶泄漏涡流体动力学特性数值模拟

基于SST k-ω湍流模型和局部优化的高质量结构化网格,对南水北调工程天津同台测试的TJ04-ZL-02型轴流泵水力模型进行了数值计算,并探究了叶顶泄漏涡的流场结构和流体动力学特性。数值计算和试验结果表明,基于SST k-ω湍流模型可准确地对间隙泄漏流和边界层流动进行数值模拟;叶顶泄漏涡形成的动力为叶片工作面和背面的压差,由于叶片进口边压差最大,叶顶间隙泄漏流的流速较高,随着叶片弦长系数λ的逐渐增大,叶片工作面和背面之间的压差逐渐减小,间隙泄漏流的速度和泄漏涡强度均逐渐降低;叶顶区的局部低压区主要集中在靠近压力面间隙内分离涡的旋涡区以及叶片背面下部叶顶泄漏涡区域,叶片背面局部低压区域随着叶片弦长系数λ的逐渐增大,距离叶片背面的间距增大;叶片轮缘靠近叶片工作面附近的局部低压区主要是由叶顶拐角诱导的分离涡引起,而叶片下部的局部低压区主要是由叶顶泄漏涡引起,上述过程揭示了轴流泵叶顶间隙泄漏涡的流动特性。     

叶顶间隙对斜流泵叶轮内部空化流动的影响

为了研究不同叶顶间隙值对斜流泵叶轮内部空泡稳定性的影响,获得叶顶间隙的最佳范围,基于标准SST k-ω湍流模型和均相流模型对斜流泵内部空化流动进行了数值模拟.结果表明:叶顶间隙对斜流泵叶轮内部空化性能有显著影响,小流量工况下随着叶顶间隙的增大,叶顶泄漏涡的湍流尺度和强度逐渐增加,临界空化数随着叶顶间隙的增大而逐渐减小;当临界空化数为0.357时,较大的叶顶间隙可以抑制叶片表面的初生空化;当叶片发生严重空化时(σ=0.123),较小的叶顶间隙抑制叶片表面产生大尺度空泡;当叶顶间隙较小时,空泡团稳定附着在吸力面;随着叶顶间隙的增大,空泡脱落区向主流移动并聚集在叶片吸力面中部,空化体积分数逐渐增大.     

不同叶顶间隙下斜流泵内部 流动特性的数值模拟

为研究轮缘叶顶间隙对斜流泵性能和流动不稳定特性的影响,基于SST k-ω湍流模型对某斜流泵选取了0, 0.25, 1.00, 2.00 mm 4种尺寸的叶顶间隙进行数值计算,分析间隙区域内压差分布、泄漏量、叶顶泄漏涡旋强度以及进口轴面速度分布.结果表明:不同运行工况下,斜流泵泄漏量从叶轮进口到叶轮出口先增大后减小,其与间隙区内压差变化趋势相吻合.叶顶泄漏量随着间隙尺寸的增大而增大,导致泵的能量损失增大.经对比发现,间隙尺寸是影响叶顶泄漏量的主要因素.小流量工况下,随着叶顶间隙尺寸的增大,叶顶泄漏流与主流卷吸作用形成的泄漏涡强度逐渐增强.部分泄漏流进入相邻叶片通道,导致其流动失稳.随着叶顶间隙的增大,斜流泵能量损失明显增多,且内流不稳定性明显加剧.增大流量后,不同间隙下叶顶泄漏涡旋转强度均逐渐降低.     

液环泵轴向叶顶间隙泄漏流动的等离子体控制数值研究

针对液环泵叶轮轴向叶顶间隙泄漏问题,提出采用介质阻挡放电等离子体激励对液环泵轴向间隙气相泄漏流动进行控制,耦合唯象学模型、RNG k-ε湍流模型及VOF气液两相流模型模拟不同激励电压下等离子体对泄漏流场的干扰作用,探究等离子体激励对间隙泄漏流场的调控机理。结果表明,等离子体激励诱导的壁面射流方向与间隙泄漏流动方向相反,诱导的反向壁面射流能够有效地抑制泄漏流强度,并在一定程度上改善间隙泄漏流引起的二次流动,降低间隙泄漏流动损失;同时在等离子体激励的非间隙区域,等离子体激励诱导产生旋涡结构,使得近壁区域产生额外的水力损失。激励电压及位置对泄漏流控制效果有重要的影响,15kV激励电压的等离子体流动控制效果明显优于10kV激励电压,当激励位置位于叶顶间隙出口附近时等离子体激励对泄漏流具有较好的抑制效果。研究结果能够为液环泵的性能优化提供理论参考。     

水翼间隙非定常涡空化流动的试验和数值研究

采用高速全流场显示技术对水翼叶顶间隙区域非定常旋涡空化流动进行观测,并提出一种旋涡空化模型来对空化流动进行计算.研究结果表明,提出的空化模型可以较好地捕捉非定常泄漏涡空化.此外,基于计算结果对水翼前缘云状附着空化与间隙涡空化的相互作用进行重点分析.结果表明,附着空化的发展和脱落会引起水翼叶顶附近迎背流面压力差值的变化,从而导致叶顶区域射流剪切层空化具有显著的非定常特性;附着空化末端闭合处的压力波动会造成泄漏空化涡强度的波动;附着空化的断裂所引起的吸力面局部高压会导致泄漏空化涡强度的显著降低.     

叶顶形状对轴流泵空化性能的影响

轴流泵叶轮与转轮室之间间隙内的泄漏流动与主流相互掺混形成的泄漏涡是导致轴流泵叶顶空化的重要原因。为研究合适的叶顶形状来控制和改善叶顶泄漏空化,通过高速摄影空化试验,比较了试验结果和数值计算结果,验证了本次数值计算的正确性。再在原始平面叶顶方案的基础上,通过数值计算,分别研究了3种叶顶形状(倒圆叶顶、斜切叶顶以及倒圆斜切叶顶)对轴流泵叶顶空化的影响。叶轮水体采用结构网格划分,以便精确捕捉间隙区域的流场特性。结果表明:倒圆叶顶和倒圆斜切叶顶方案的扬程和效率都有所下降,但斜切叶顶有所升高。虽然倒圆叶顶消除了角涡空化,但泄漏涡空化加剧;而斜切叶顶得到的结果却与之相反,且斜切叶顶的间隙内会有漩涡空化产生;相比之下,倒圆斜切叶顶的角涡空化和泄漏涡空化都得到了较好的控制。根据研究结果,建议在满足外特性性能要求的情况下,采用倒圆斜切叶顶方案可以较好地控制轴流泵的叶顶空化。     

不同空化数下轴流泵叶顶间隙区空化特性

基于修正的SST k-ω湍流模型和空化模型,对叶顶间隙为0.5 mm轴流泵模型进行了数值计算,分析了不同空化数下叶顶区不同圆柱截面的空化面积、叶轮出口轴向速度以及叶顶区空泡体积分数等特性。数值计算与高速摄影试验结果表明,数值模拟方法准确预测了轴流泵NPSH曲线和叶顶区空化流场;轴流泵初生空化出现在叶顶区,其空化类型主要包括刮起涡空化、泄漏流空化、卷吸区空化及叶顶泄漏涡空化;在空化数为0.451时,叶顶泄漏涡具有明显的涡带空化特性,随着空化数的逐渐降低,叶顶泄漏涡卷吸区的空化范围逐渐扩展,并与泄漏流空化区连成一片,且空泡云扩展到整个叶片吸力面;在间隙泄漏流作用下,叶轮出口轴向速度在靠近间隙区域逐渐降低,并随着空化数减小,轴面速度进一步下降;在不同空化数下,叶片吸力面圆周截面空化面积系数从轮毂到轮缘先增大,在叶片中部达到最大值,然后迅速减小,在叶顶区由于受到间隙效应的影响,叶顶区空化面积迅速增大。     

翼型化叶顶对微型喷水推进泵内流场的影响

不同叶顶形状有不同漩涡分布,导致叶顶涡量分布不同,影响喷水推进泵内部流动。为研究翼型化叶顶对微型喷水推进泵内流场的影响,采用ANSYS CFX对微型喷水推进泵进行数值计算。在其他参数不变的情况下,研究3种不同翼型化叶顶(尖峰型、均匀型及S型)对漩涡及内部流动的影响,并与原始叶顶进行对比分析。研究结果表明:翼型化叶顶改善了叶顶及叶片背面涡量,叶轮进水端处高压区域范围明显减小且出水端速度分布更均匀。3种翼型化方案内流场分布区别不大,均匀型叶顶的涡量范围最小;S型叶顶高压区范围最小,且出水端高速区域面积最小,轮毂到轮缘速度布局最均匀,流动稳定。     

半开叶轮离心泵叶顶间隙非定常流动特性研究

为研究半开式离心泵叶顶间隙区域的非定常流动特性,应用SST k-ω两方程模型,对半开式离心泵进行了全流道数值模拟,利用快速傅里叶变换(FFT)将各监测点的时域值转换为频域值,并分析了泄漏涡轨迹与叶片载荷的相关机理以及泄漏涡的频谱特性。结果表明:泄漏涡涡核与叶片骨线的夹角θ随着叶尖载荷的变化发生了周期性脉动;泄漏涡加剧了叶尖处的流动分离,在叶片前缘形成了连接叶片表面与泵壳的涡管;在流量为0. 75Qd时,叶顶前缘间隙处扰动主信号为0. 51fB,该频率与二次泄漏以及叶尖处涡管的非定常脉动特性相关;随着流量减小,扰动信号频率有所波动,叶尖泄漏涡破碎位置向叶片前缘移动。     

不同叶顶间隙下的轴流泵内部流场数值计算

基于标准k-ε双方程湍流模型和SIMPLEC算法,采用结构化网格技术,对轴流泵分别为0.15,0.50,1.00,2.00 mm的叶顶间隙进行了多工况数值模拟,讨论了不同叶顶间隙大小对泵性能的影响,并分析了叶轮出口轴面速度、出口环量的分布以及叶顶泄漏流和泄漏涡随叶顶间隙的变化情况.数值计算结果表明,当叶顶间隙超过0.50 mm时,泵性能下降的幅度明显增大;叶轮出口轴面速度在轮毂壁面和叶顶间隙处减小,而环量增加;叶顶间隙越大,轴面速度和环量受泄漏流的影响越大;通过数值模拟捕捉到不同间隙下叶顶泄漏流和泄漏涡,分析得出泄漏涡是由于泄漏流与主流发生卷吸作用而形成的,且泄漏涡在流道内的运动轨迹与叶顶间隙大小关系密切.     

轴流泵叶顶泄漏涡形成演化机理与涡空化分析

为了掌握轴流泵叶顶泄漏涡(TLV)的形成演化机理,评估涡形成空化条件和间隙宽度的影响,进行了轴流泵间隙泄漏流动实验和数值计算分析。通过流线涡量云图三维可视化分析,得到间隙流动特征及其涡结构,并比较分析涡初生时吸力面的速度流线、涡量和湍动能。对比了不同截面的物理量分布,并对不同空化条件下空化发展与TLV涡强度之间的关系进行了分析。研究表明:泄漏剪切带是形成TLV的主要区域,该区域的湍动能和涡量均较大,轴向主流与间隙射流形成对流,促进了涡的生成和发展,大间隙下的泄漏流速、涡强度与涡尺度更大;TLV核心区涡旋来自剪切带形成的剪切涡和周向的来流涡。在大空化数下,涡与空化分布基本一致,涡强度与空化正相关,叶顶涡空化在大间隙时延伸更远。在小空化数下,涡与空化位置不完全重合,空化形成所需要的涡强度较低,易扩展形成片状空化,间隙宽度对空化的影响较小。     

不同叶片后掠角度下轴流泵叶顶区空化流场与性能研究

为研究轴流泵叶片后掠对叶顶区空化流场及性能的影响,以南水北调工程TJ04-ZL-02编号叶轮缩放模型为原型叶轮,将叶片重心积迭线圆周后掠得到后掠20°和后掠40°叶轮。基于ANSYS CFX 软件对全流场进行数值模拟,对比分析原型叶轮与后掠叶轮流道内压力、空泡、流线分布的变化,并对不同空化条件下叶片后掠对叶顶区漩涡强度、涡量和速度场的影响进行分析。研究表明：后掠叶轮临界空化余量降低,后掠叶片吸力面空化面积及空泡体积分数均低于原型叶片。在空化工况下,叶片后掠减小吸力面侧低压区域,有效抑制叶顶区三角形空化云的发展。由于叶片后掠减小叶顶区压差,导致叶顶泄漏量减小,TLV核心区漩涡强度和涡量随后掠角度的增大而减小,随着空化程度加剧,TLV漩涡强度和涡量均变大,叶顶区流场更加复杂紊乱。     

轮缘间隙对轴流泵内部非定常流场的影响

为研究轴流泵轮缘间隙泄漏流的非定常特征及其对泵外特性的影响,采用基于S-A模型的DES方法和滑移网格技术,对轴流泵在设计流量下的内部湍流进行了数值计算,重点分析了4组轮缘间隙下泵内非定常流场特性及压力脉动特性.在设计轮缘间隙下,计算所得泵扬程和效率与试验数据吻合良好,最大相对误差分别为2.0%和3.0%.计算结果表明:随轮缘间隙增大,水泵扬程和效率均呈下降趋势;轮缘泄漏涡强度和影响范围随轮缘间隙增大而增大,当轮缘间隙为3.3‰D₂时,轮缘泄漏涡扩散至相邻叶片出口边;不同轮缘间隙下,叶轮区压力脉动频率均以叶频为主;靠近叶片进口的叶轮室内壁压力脉动幅值随轮缘间隙的增大呈减小趋势,叶轮室中部压力脉动随轮缘间隙增大而增大;叶轮出口断面的压力脉动频域特性在不同轮缘间隙下均以1倍叶频为主,脉动幅值随轮缘间隙增大而减小.     

轴流泵叶轮进口流场PIV试验与数值计算

轴流泵内部流场较为复杂,尤其是端璧区的叶顶泄漏,不仅能破坏叶轮进口流场,而且对叶轮流道内流场也有较大的影响.采用CFD数值计算与PIV试验研究相结合的手段,对叶轮进口附近流场进行研究,以揭示其流动机理.PIV结果表明：在1.2Qopt和1.0Qopt工况下的流线及速度云图分布较为均匀,而0.8Qopt工况下,外缘壁面靠近叶片进口边处出现低速区,且流线向轮毂侧偏转.数值计算结果表明：预测外特性结果与试验相吻合,叶轮进口的流场也与PIV结果一致;另外,在1.2Qopt工况下,5%叶顶高处的间隙内部流动方向与主流一致;1.0Qopt工况下,流体基本沿周向运动;当流量减小到0.8Qopt时,出现叶顶泄漏,并在间隙内靠压力面侧形成分离后再附着的现象,在吸力面一侧受泄漏流与主流碰撞及相互卷吸的影响,形成一个逆时针方向的旋涡.     

基于PANS模型的轴流泵叶顶空化特性

以某一等比例缩放模型为研究对象,采用一种局部时均化模型(PANS)和Zwart空化模型,对额定工况某一特定汽蚀余量下的轴流泵叶顶空化流进行了数值模拟,并与高速摄影试验进行了对比.探讨了叶顶区不同的空化类型和泄漏涡系,找到了叶顶泄漏涡最易发生空化的位置,分析了不同叶片弦长系数截面空化流场.研究结果表明,模拟得到的空化性能曲线与试验值吻合较好,最大误差为5.8%;利用旋涡强度方法,得出了叶顶泄漏涡涡心在弦长系数为0.30~0.35时,有最大旋涡强度系数和最小压力系数,表明此处是最易于发生空化的位置;叶顶空化的形成及发展通常伴随着涡结构的演变,泄漏涡在向相邻叶片的压力面运动时,由于与壁面的相互作用,会诱导反向旋转的旋涡,而在叶片出口处,也会形成脱离涡和诱导涡,脱离涡会向相邻叶片的压力面运动,造成相邻叶片压力面的载荷变化.