离心泵叶轮内汽蚀发生的理论探讨

计算流体动力学(CFD)技术在水力机械内部流场计算中应用日益广泛,已成为优化设计的重要工具。为此,介绍了汽液两相流混合模型的基本方程,并应用离心泵叶轮内汽蚀两相流基本理论,数值模拟稳定工况下工质为清水低比速离心泵叶轮的汽蚀两相流场的分布情况,同时采用CFD软件分析汽蚀发生过程中的叶片静压分布,揭示叶轮内汽蚀两相流场的内在特性,为高抗汽蚀性能低比速离心泵的优化设计提供理论基础。     

叶轮口环间隙对农用离心泵汽蚀性能的影响

通过对农用离心泵的汽蚀性能进行介绍,建立了离心泵汽蚀余量的理论计算方程,并分析了汽蚀余量与叶轮口环间隙大小之间的关系.在此基础上,选用RNG k-ε湍流模型,局部网格加密技术和有限体积算法对LZA50-3400离心泵在Fluent软件中进行数值模拟,探讨了在改变叶轮口环间隙大小情况下液体进口处流场的流态特征.通过流场比较分析可以看出,离心泵叶轮口环间隙越小,则过流面积越大.这有利于改善入口流态,所以汽蚀性能也就越好.最后,在试验机上对CFD模拟的结果进行试验检测,试验数据与数值模拟分析的结果基本一致,可靠的研究结论可以为农用离心泵口环结构的研究和设计提供一定的理论依据.     

离心泵兼顾效率和汽蚀性能的理论分析与设计

从泵效率和抗汽蚀性能两者互为兼顾的观点出发，分析了离心泵叶轮几何参数与泵效率、汽蚀性能之间的定性关系。结合设计经验和实例，提出了叶轮主要几何参数的取值范围。     

如何提高离心泵抗汽蚀性能

从离心泵发生汽蚀的原因、危害中找出抗汽蚀性能的方法,一是确定泵的安装高度。二是改进叶轮入口的几何形状。三是采用抗汽蚀材料。四是采用诱导轮。     

离心泵多目标多变量优化设计模型实用化研究

从离心泵整体损失功率最小、抗汽蚀性能和无驼峰扬程曲线作为设计目标,在考虑叶片入口预旋的条件下建立了一个实用化离心泵的多目标多变量优化数学模型。应用MATLAB遗传算法工具箱对该多目标多变量优化模型进行数值求解,得到了叶轮进出口直径、叶片进出口安放角、叶片进口位置、叶轮出口宽度、叶片数及包角等关键设计参数的优化结果。最后采用CFD数值模拟的方法来进行验证,表明该优化方法是实用可行的。     

离心泵变螺距诱导轮的开发

为了提高离心泵的抗汽蚀性能,在离心泵叶轮入口处配置变螺距诱导轮,诱导轮设计为变螺距结构,以较小的叶片入口角获得较小的进口流量系数,以较大的叶片出口角产生足够的扬程,满足诱导轮本身的汽蚀性能要求以及离心叶轮入口压力性能的要求．基于诱导轮水力计算方法,分析了变螺距诱导轮的汽蚀性能及变螺距诱导轮重要参数组合,研究了诱导轮的螺距变化规律,给出了变螺距诱导轮应用实例,通过对不同的诱导轮的试验,结果表明,配置变螺距诱导轮的泵组具有良好汽蚀性能．鉴于所介绍的设计方法,考虑一定的尺寸、结构等因素,推出了一组变螺距诱导轮,以便对变螺距诱导轮的生产和进一步的研究提供参考．     

高速诱导轮离心泵内空化发展可视化实验与数值模拟

为了研究高速诱导轮离心泵内空化发生发展规律,采用高速摄像技术,对离心泵内诱导轮与叶轮流道的空化流动进行可视化研究,并结合CFD数值计算对离心泵内部流场进行模拟分析。结果表明:在空化初生阶段(汽蚀余量为5.0 m),诱导轮叶片前缘出现叶顶泄漏涡空化;在空化发展阶段(汽蚀余量为1.07~5.0 m),流动极为复杂,在诱导轮流道内同时出现叶顶泄漏涡空化、片状空化和云状空化,并且在较低汽蚀余量(汽蚀余量为1.5 m)时,出现不对称空化现象。在空化初生和发展阶段,泵的扬程和效率基本保持不变;在空化恶化阶段(汽蚀余量小于1.07 m),诱导轮流道内基本被空泡堵塞,空泡进入叶轮流道,导致离心泵扬程和效率急剧下降。     

螺旋离心泵工作特性理论分析

螺旋离心泵具有独特的螺旋离心叶轮,这种叶轮使得螺旋离心泵较之于普通污水泵具有一系列的优点,从流体力学和泵的基本理论出发分析了螺旋离心泵的无堵塞性、调节性、能量性能、汽蚀性能等工作特性及其机理,为进一步研究其内部流动机理和新的设计方法提供借鉴。     

分流叶片对离心泵空化性能影响的数值分析

为了研究分流叶片对离心泵空化性能的影响规律,以模型泵IS50-32-160为研究对象,设计了1种不带分流叶片与3种带分流叶片不同短叶片进口直径的叶轮,利用CFD对此离心泵的全流道进行了数值模拟,并对分流叶片离心泵在不同空化余量时泵的空化性能和叶轮内部流场分布进行分析研究.分析结果表明:添置分流叶片后,泵的扬程和效率均显著提高,但短叶片的长短对扬程和效率的影响不大;添置分流叶片后,泵的抗空化性能均有提高,且当离心泵短叶片进口直径为0.725D₂时,离心泵的抗空化性能相对较好,必须空化余量比其他2个带分流叶片方案减小了0.5 m;空化发生以后,叶轮出口射流速度会增加损失,同时叶轮内部速度的减小又会减少叶轮产生的动能,因而扬程会发生突降;带分流叶片的方案气泡分布情况比无分流叶片方案均有一定的改善,添置分流叶片后,气泡发展较为缓慢.     

离心泵汽蚀现象及提高泵抗汽蚀性能的措施

本文从离心泵汽蚀现象产生的原因进行分析,从中找出抗汽蚀性能的措施,减少汽蚀发生的几率,从而提高离心泵的运行效率和运行寿命。     

预旋调节对离心泵空化影响的试验与数值模拟

为探究前置导叶不同预旋角度对离心泵空化性能的影响规律,对带有自主设计前置导叶的IS 150-125-250型离心泵进行了空化性能试验,选用Zwart-Gerber-Belamri空化模型进行3D非稳态全流道空化流动数值模拟,结果表明:在一定的角度范围内,负预旋调节可以改善离心泵的空化性能,但超过某一角度后,空化性能将快速恶化;正预旋调节会恶化离心泵的空化性能,正预旋角度越大,恶化程度越明显。对不同预旋角度下叶轮内空泡率分布规律的分析发现,一定范围内的负预旋角会减小叶轮内空化区域,正预旋会增大叶轮内空化区域。     

离心泵汽蚀判据的研究

对离心泵的初生汽蚀和临界汽蚀状态进行了详细分析,提出不同使用条件下应采取不同的离心泵汽蚀判据和相应的汽蚀性能设计方法。指出临界汽蚀余量和初生汽蚀余量之间没有一定的倍数关系。对离心泵进行汽蚀试验并得到了相同的结论。     

离心泵进口回流诱导的空化特性

为了研究离心泵进口回流的空化特性,以IS65-50-160型离心泵为研究对象,首先选取CFX,Fluent和PumpLinx这3种模拟软件,应用标准k-ε模型,进行了网格无关性分析;其次,搭建了可用于外特性试验的开式试验台,将3种软件的外特性模拟值与试验值进行对比,分析3种软件在各工况下数值模拟的精确度;最后采用误差最小的模拟软件进行后续的空化和压力脉动数值模拟.结果表明:与其他2种数值模拟软件相比,CFX软件对小流量工况的模拟较为准确;由于回流的排挤作用加剧了主流区空化的发生;回流旋涡空泡的初生处于非附着状态,随着空化数的降低,最终附着在叶片上;回流旋涡空泡的发展和溃灭使得泵的特性曲线在急剧下降前出现了一段缓慢上升的趋势;在回流旋涡发生时,在叶轮进口以及叶片进口均出现了频率为9.7 Hz的低频脉动.     

叶片缝隙引流对高速诱导轮性能的影响

为了研究叶片缝隙引流对高速诱导轮性能的影响,以1台带前置诱导轮的高速离心泵为研究对象,就诱导轮叶片设置5种不同缝隙下高速离心泵内部流场进行数值模拟,研究诱导轮叶片缝隙引流对其自身及高速离心泵性能的影响.对比分析了开缝后诱导轮截面内速度分布、诱导轮外特性曲线、高速离心泵空化特性曲线、诱导轮流道内空泡分布以及诱导轮沿轴向位置各截面静压分布规律.结果表明,叶片表面设置缝隙可减弱诱导轮叶顶间隙泄漏流对管道壁面的冲击,削弱叶片进口边吸力面附近的旋涡,改善该区域的流态;缝隙可改变诱导轮流道内压力的分布,从而影响诱导轮流道内的空泡的分布,且合理设计缝隙的大小可使高速离心泵的空化性能得到改善.     

开缝叶片低比转数离心泵空化性能的数值模拟

为了进一步提高低比转数离心泵的空化性能,对离心泵叶轮叶片进口附近的开缝进行研究.考虑开缝的3个参数,设计6组水力模型探究开缝对低比转数离心泵性能的影响.针对离心泵运行过程中产生空化的流动特点,基于Rayleigh-Plesset方程来描述空泡成长和溃灭过程的空泡动力学模型,采用RNG k-ε模型对在相同工况下的离心泵中两相流动进行数值模拟与分析.模拟结果表明:在叶片进口处开缝可以提高泵空化性能,其中第二组模型的空化性能提升比较明显,空化余量由4.447 m下降到3.910 m,降低了12.1%,水力效率由71.56%上升至76.46%;在相同工况下,开缝叶轮流道内的能量分布更加均匀,而扬程在额定流量下只有很小的变化.该模拟结果对研究低比转数离心泵内部流动特性及性能的提升具有一定的参考价值.     

障碍物布置位置对离心泵空化性能影响

为了研究离心泵叶片上的障碍物布置位置对离心泵空化性能的影响,将半球形障碍物布置在离心泵叶片工作面和背面的不同位置.选用Zwart空化模型和SST k-ω湍流模型,对不同位置布置障碍物的离心泵模型进行数值模拟,探究障碍物不同的布置位置对离心泵空化的抑制效果.结果表明,在叶片工作面进口1/3位置处布置障碍物对离心泵的空化性能提高最为明显.在叶片工作面进口1/3位置处布置半球形障碍物时,离心泵扬程升高1.14%,扬程下降3%的点迟于原始泵的程度最大;较其他位置,在该位置布置障碍物可显著降低叶轮内部的空泡体积分数,空化严重的时候效果更加明显,在空化数为0.166时,空泡体积分数较原始泵下降69.7%.所选方案能够减小叶轮进口处低压区域,使叶轮进口处较不易发生空化.     

诱导轮偏转角对离心泵叶轮空化性能的影响

为了阐明诱导轮偏转角对离心泵叶轮空化性能的影响,改善离心泵的空化性能,找到最佳周向位置,基于均相流假设,采用IDM空化模型与RNG k-ε湍流模型,先选取诱导轮偏转角分别为0°,10°,20°,30°,40°,50°共6种方案,对离心泵外特性及诱导轮和叶轮空化性能进行数值模拟和试验对比,得到不同方案下离心泵的性能数据.计算得到的NPSHR曲线与试验数据吻合较好,验证了计算方法的准确性;基于数值模拟结果,分析了不同偏转角下诱导轮与叶轮内气泡分布规律,发现不同偏转角下诱导轮和叶轮内空化发展过程及气泡发展规律基本相同,但偏转角为10°时气泡发展速度较慢、各空化阶段分布面积较小,进一步选择5°和15°偏转角进行计算分析,得到更精确的结论,即诱导轮偏转角为5°时离心泵的综合水力性能最优.     

基于三元设计及数值试验轴流泵抗空化性能

为了提高轴流泵抗空化性能,采用泵的三元设计理论与数值试验相结合的方法,研究了汽蚀比转数为1 290的轴流泵抗空化性能.在相同的流量、扬程、转速等设计指标下,采用泵的三元设计理论对具有不同叶片数和过流通道形状的轴流泵模型分别进行了设计;并采用数值试验手段对所设计轴流泵模型性能进行计算和分析,得到了适合于该轴流泵的过流通道形状和最佳叶片数.运用相同的方法对不同叶片负载分布规律的轴流泵叶轮分别进行了设计,并采用数值试验手段计算了各水力模型的扬程、功率和效率特性曲线,对比和分析了不同负载分布规律对泵效率和抗空化性能的影响,得到了有利于轴流泵空化性能提高的负载分布规律.最后,根据数值计算结果,对如何有效提高轴流泵抗空化性能提出了建议:叶轮叶片后部重载光顺无阻塞的过流通道、适当增加叶片数将有利于轴流泵抗空化性能的提高.     

高速离心泵诱导轮与离心轮的匹配

某型号液体火箭发动机推进剂泵压力脉动量级较大,诱导轮与离心轮匹配性不好,是导致泵内压力脉动较大,泵性能降低的重要原因.为了研究诱导轮与离心轮的匹配关系对泵性能及泵内压力脉动特性的影响,通过数值仿真计算方法,从诱导轮与离心轮的匹配性出发,分析了不同诱导轮方案,以及诱导轮与离心轮相对位置变化对泵内流场特性及性能的影响.结果表明:对于大流量高速离心泵,诱导轮出口保持一定长度的等螺距段,有利于改善离心轮入口流动情况,提高泵的性能;诱导轮叶片转折角过大,会导致离心轮进口回流,降低泵的性能;与诱导轮结构方案相比,诱导轮与离心轮的相对位置对泵性能的影响较小;诱导轮与离心轮轴向距离过小会造成离心轮内流动不均匀,泵性能下降;综合考虑汽蚀性能、压力脉动水平和效率,泵方案设计选用进口变螺距、出口等螺距的诱导轮方案.