混流泵内流场压力脉动特性研究

基于RANS方程和SST湍流模型,应用SIMPLEC算法,对混流泵内流场进行非定常数值模拟,分析了不同流量工况和不同转速工况时混流泵内4个代表性监测面上压力脉动的时域和频域特性.取非定常计算的功率平均值与试验值对比,证明该数值模型可较准确描述泵内流场特征.结果表明:混流泵内最大压力脉动在叶轮进口,从轮毂到轮缘脉动幅值递增;在叶轮进口和叶轮出口压力脉动频率主要为叶轮叶频,而导叶中间和导叶出口压力脉动频率与流量工况相关;偏离最优工况越远脉动越大,偏小流量对叶轮进口压力脉动影响明显;不同转速时最优工况压力脉动频率成分相似,脉动幅值随转速增加而增加.     

高比转数混流泵非定常流场压力脉动特性

为了研究高比转数混流泵内部流场的压力脉动情况,采用大涡模拟方法对泵内三维非定常湍流场进行数值模拟,通过对监测点数据的分析得到了叶轮进口、叶轮出口、导叶中间和导叶出口4个截面的压力脉动的时域和频域情况,探讨了产生压力脉动的主要决定因素,同时也对不同流量下的压力脉动情况进行了对比．研究表明:这4个截面的压力脉动幅值从轮毂到轮缘均逐渐增大;叶轮进口截面压力脉动时域图规律性不明显,叶轮出口截面时域图在整个周期内呈现4个小周期,叶轮转动频率控制着叶轮进出口的压力脉动,且其影响随着流体远离叶轮而逐渐减弱;在导叶中间截面和导叶出口截面,叶轮对流体压力脉动的影响逐渐减小,压力脉动以低频振动为主,脉动幅值也大为减小;在不同流量下的压力脉动表现为小流量下幅值较大以及流量对主要频率影响较小,大流量工况下压力脉动情况要优于小流量工况．     

不同流量工况下混流泵压力脉动试验

为了研究混流泵叶轮和导叶非定常时序干涉引起的压力脉动特性,通过试验对混流泵泵体关键测点进行了压力脉动测量,分析了不同流量工况下叶轮进口、叶轮中部、叶轮出口、导叶进口、导叶出口以及装置出口等位置压力脉动的时域和频域响应。研究结果表明:叶轮旋转周期较大程度影响了叶轮进口、叶轮中部监测点的压力脉动,脉动曲线出现了与叶轮叶片数相一致的4个波峰和4个波谷,压力脉动主频为叶轮叶片通过频率;叶轮和导叶的动静干涉作用使得叶轮出口和导叶进口监测点压力脉动在小流量工况下分别出现7~12个波峰和波谷,压力脉动频谱范围变大,分频成分增多,主频随着流量减小向高频方向偏移,动静干涉诱导的流体激振以及噪声等高频成分出现并逐渐增多。叶轮中部监测点的压力脉动幅值最大且对流量变化最敏感,远离叶轮区各监测点的压力脉动受流量变化的影响较小。     

导叶式混流泵内部非定常流动特性数值模拟

为了研究不同流量工况对导叶式混流泵内部非定常流动特性的影响,基于ANSYS CFX软件并采用标准k-ε两方程模型对混流泵的外特性进行了数值预测,分析了流量工况对混流泵内压力分布、流线分布和湍动能的影响,探讨了不同流量工况下不同监测点的压力脉动时域和频域响应。研究结果表明,数值计算的外特性结果与试验测量结果趋势基本一致,最优工况点数值预测与试验测量的扬程和效率误差分别为3.29%和0.27%,数值计算的准确度较高。小流量工况下,叶片工作面与背面之间存在着较大的压力梯度,形成的轮缘泄漏流对主流产生较大干扰,同时受到动静干涉的影响,在叶轮出口和导叶流道内造成较大的能量损失和湍动能耗散;随着流量增加,轮缘泄漏流逐渐减少,动静干涉效应相对减弱,流场流动趋于平稳。不同流量工况下,各监测点压力脉动呈明显的周期性变化,一个旋转周期内压力脉动曲线有4个波峰和4个波谷,叶片通过频率始终占主导作用;流量对叶轮进口处和导叶中间处的压力脉动影响最明显,小流量工况下压力脉动系数的幅值变化最大;随着流量的增大,压力脉动频域幅值随之减小。本研究可为扩大混流泵的运行范围以及混流泵叶轮和导叶的优化设计提供参考依据。     

基于双向流固耦合的混流泵叶轮力学特性研究

基于双向同步求解方法对混流泵内流场和叶轮结构响应进行联合求解,研究流固耦合作用下混流泵叶轮转子的力学特性。流场计算采用雷诺时均方法和标准k-ε湍流模型,结构响应采用弹性体结构动力学方程。通过对比分析流固耦合前后流道内不同位置压力监测点的压力脉动、外特性变化,研究流固耦合作用对混流泵流场的影响,并基于双向流固耦合分析了叶轮叶片的变形与动应力分布。研究结果表明,流固耦合作用对导叶出口处压力脉动幅值影响较大,耦合后扬程和功率波动幅值有所增加,而效率有所下降。考虑流固耦合作用,叶片最大变形发生在叶片出口边背面靠近轮缘处,最大变形量约为0.062 7 mm;最大等效应力发生在叶片背面靠近轮毂出口边附近,最大等效应力约19.85 MPa;采样点耦合动应力呈现周期性变化,轮缘与轮毂上动应力幅值相差3个数量级,轮毂处相比其他位置更易发生疲劳破坏。研究结果为混流泵叶片的结构设计和可靠性分析提供了参考依据。     

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．     

叶片数对混流泵内部非定常压力脉动特性的影响

为了研究不同叶轮叶片数对混流泵内部流场压力脉动的影响,基于大涡模拟(LES)对混流泵内流场进行非定常数值分析,对比了2种叶片数下混流泵的外特性、叶轮进出口轴向速度分布以及混流泵内各监测点处压力脉动的时域和频域响应.研究结果表明:叶片数对混流泵叶轮进出口的轴向速度影响较明显,随着流量的增加,4叶片叶轮的进口轴向速度和3叶片叶轮的差值逐渐减小,并且3叶片叶轮在叶轮进口具有更高的轴向速度;2种叶片数下各位置处的压力脉动时域图曲线均表现出明显的周期性变化,脉动幅值曲线稳定性较好,导叶出口压力脉动幅值Cp趋于0,但4叶片叶轮在轮毂处的压力脉动呈无周期性变化;2种叶轮进出口附近的主频均为叶频,3叶片叶轮压力脉动频域幅值较4叶片叶轮大,并且在叶轮进出口位置压力脉动频域幅值较高,分频成分较少.研究成果对混流泵的设计优化和揭示不同叶片数混流泵的非定常内部流动特性具有参考意义.     

潜水轴流泵内部流场压力脉动的数值模拟

流场压力脉动对轴流泵的运行稳定性具有重要影响,为了准确分析潜水轴流泵的压力脉动特性,采用RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对ZQA系列潜水轴流泵进行了全流道三维流动数值模拟和压力脉动分析.计算结果表明：轴流泵的扬程、功率、效率等外特性计算结果与试验结果基本吻合;轴流泵内部叶轮进口截面压力脉动幅值最大,泵内的压力脉动的主要频率与叶片通过频率相同,导叶后的脉动以低频为主,叶片表面从轮毂到轮缘压力脉动低频成分逐渐减少;在叶片工作面,压力脉动的幅值从轮缘到轮毂逐渐减小,从叶轮进口到出口逐渐增大.叶片进水边轮缘处压力脉动的幅值是轮毂处的1.22倍.在叶片背面,叶片进水边轮缘处压力脉动的幅值是轮毂处的1.77倍,出水边轮缘处压力脉动的幅值是轮毂处的0.92倍,叶片背面的压力脉动幅值明显小于工作面;叶轮进口截面,在0.8Q工况流量下压力脉动最大,为设计工况的2倍.计算结果为进一步分析轴流泵压力脉动提供了参考.     

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.     

对旋轴流式喷水推进泵压力脉动的数值计算

为了解喷水推进泵内部压力脉动特性,以对旋轴流式喷水推进泵为研究对象,应用计算流体动力学(CFD)方法,采用雷诺时均法并引入SST k-ω湍流模型使方程封闭,对对旋轴流式喷水推进泵进行设计工况下非定常数值模拟.经网格无关性检验后,计算得到的推进泵功率与扬程与设计值基本一致.在首级叶轮进口处,首、次级叶轮轮缘间隙处,轴向间隙及导叶进口处设置监测点,监测不同位置的压力脉动数据.得到各监测点的时域图和频域图并对各监测点压力脉动特性进行了对比分析.结果表明:对旋轴流式喷水推进泵内压力脉动主要受叶频的影响,首级叶轮和次级叶轮轮缘间隙处的压力脉动不仅与首、次级叶轮的叶片数有关,还与喷水推进泵叶轮数量有关;受两级叶轮反向旋转的影响,轴线方向上首级叶轮与次级叶轮之间轴向间隙处的压力脉动幅值最大, 轴向间隙的压力受到首级叶轮和次级叶轮的共同影响;次级叶轮出口与导叶进口处压力脉动主要受到导叶回流的影响.     

轴流泵多工况压力脉动特性试验

为了掌握不同流量工况下的轴流泵压力脉动特性,在轴流泵叶轮段和导叶段外壁面布置了6个压力脉动监测点,对多个流量工况的压力脉动进行了动态测量,揭示了轴流泵内部不同位置处压力脉动规律。试验结果表明,叶轮进口监测点P1的波形为规则的正弦波形,叶轮内部中间测点P2的压力脉动峰峰值最大,叶轮进口监测点P1压力脉动次之。叶轮进口、叶轮中间和叶轮出口监测点由于受到叶轮内压力梯度的交替变化影响,时域脉动周期与叶片旋转周期一致,在小流量工况下叶轮内部涡流诱导了明显的二次谐波。基于快速傅里叶变换,获得了不同监测点压力脉动频域分布结果,并发现叶轮区域3个压力脉动测点在不同工况的主频均为叶片通过频率(BPF),谐频为叶频的倍数,其幅值呈指数形式衰减。但在导叶进口、导叶中间和导叶出口监测点的压力脉动频域中出现了撞击和回流诱导的低频信号,同时也存在叶轮的主频及其谐频。     

多级潜水泵内部压力脉动特性

为研究多级潜水泵的瞬态运行特性,基于Fluent软件,采用标准k-ε湍流模型,SIMPLEC算法,在滑移网格技术的基础上,对两级模型泵进行三维非定常数值模拟.得到了潜水泵的水力性能并与试验进行对比,计算了不同位置处的压力脉动情况,并对其结果进行了时域和频域分析.结果表明:不同位置点处压力脉动均呈现周期性变化,其周期接近叶轮叶片数,频率接近叶频,而导叶叶片数对压力脉动周期影响较小;叶轮内的脉动频率从叶轮进口到叶轮出口逐渐增加,且在叶轮出口处达到极大值,导叶中则与之相反;压力脉动最剧烈的地方在叶轮出口处,各监测点的主频几乎都为叶频;次级流道叶轮和导叶各监测点压力脉动系数幅值高于首级流道各监测点;次级流道导叶内仍存在2个波峰,压力脉动并未完全消除,两级导叶内监测点主频不同.     

多级离心泵内部非定常压力脉动的数值模拟

为了研究多级离心泵内部稳态和瞬态的流动特征,以不锈钢冲压多级离心泵为研究对象,基于计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)软件ANSYS CFX,选取标准k-ε湍流模型,在设计工况下对整机进行两级全流场非定常数值模拟.计算结果与试验结果吻合较好,验证了数值模型和计算方法的准确性.在叶轮某一流道的压力面和吸力面分别设置了4个监测点,在导叶的某一流道设置了6个监测点,分别分析了叶轮和流道式导叶内不同位置的压力脉动特性,并对其进行了频域分析.结果表明:叶轮与导叶间的动静干涉是产生静压波动的原因,静压波动均值从叶轮进口到叶轮出口逐渐增大;整体式冲压叶轮的形状影响正导叶内的压力脉动,一个周期内的压力波动间隔相似;叶轮和导叶间的动静干涉影响显著,首级泵体反导叶中部及出口位置脉动频率为3倍叶频,而在其他位置处均为1倍叶频;额定工况下导叶内部脉动主频均出现在低频处,表现为叶频压力脉动.     

螺旋轴流泵内部流场与压力脉动研究

为研究螺旋轴流泵内部流场及其压力脉动特性,应用ICEM对其过流部件进行网格划分,采用CFX软件对其进行定常和非定常数值模拟,得到泵内部流场和各监测点的压力脉动。结果表明:0.8Q工况时,在叶轮轮毂与叶片结合处存在局部高压区和漩涡,随着流量的增大,局部高压区和漩涡逐渐减小并消失;设计工况和1.2Q工况时,泵内部压力和速度分布逐渐均匀,流动平稳,入流平顺。导叶进出口的压力系数波动幅值明显大于叶轮进出口边,具有明显的波峰与波谷,压力脉动主要产生在低频区,并呈现周期性降低的趋势,且其幅值均在固有频率的整数倍处产生。各监测点中,进口边压力脉动幅值最大,且轮缘侧大于轮毂侧,出口边监测点压力波动较为均匀,振幅不大。泵运行全过程中,获得了平滑下降的流量扬程曲线和功率曲线,无马鞍区、无过载现象发生,满足设计要求,预测曲线与试验曲线基本吻合,表明数值模拟较为准确,对螺旋轴流泵的设计具有一定的指导意义。     

低比转数混流泵导叶内部压力脉动特性研究

对一比转数为148.8的设计混流泵进行试验和数值模拟研究,比较不同流量工况下混流泵性能的试验与数值计算结果,两者吻合较好。在流场内部设置监测点,捕捉压力脉动由动静干涉无叶区向导叶出口的发展过程。分析不同工况下的混流泵各测点的压力脉动,发现导叶内部各测点压力脉动主要受叶轮转动影响,主频为叶频;由动静干涉的无叶区到导叶出口,平均压力逐渐增大,而压力脉动的幅值强度越来越弱;非设计工况下的压力脉动变化更复杂。上述结果可为混流泵进一步的优化设计提供参考。     

轴流泵内部压力脉动数值预测及分析

基于RANS方程和RNG k-ε模型,采用Ansys-CFX软件对轴流泵泵段进行了多工况三维非定常数值模拟,得到了不同工况下轴流泵内部不同监测点的水流压力脉动值,分析了轴流泵内部不同监测点水流压力脉动的变化趋势,并预测了叶轮进口前由于叶轮转动引起的压力脉动影响范围.通过与实测扬程和效率比较,表明了数值模拟方法的可行性及可靠性.研究结果表明:轴流泵内部压力脉动频率主要受叶轮转动频率控制,较大压力脉动发生在叶轮进口前;叶轮进口处压力脉动从轮毂到轮缘逐渐增大,叶轮出口处压力脉动从轮毂到轮缘先减小后增大,导叶后压力脉动从轮毂到轮缘先增大后减小;小流量工况及大流量工况下压力脉动幅值较最优工况大;受叶轮转动影响,叶轮进口前压力脉动影响至叶轮中心前0.7D左右.     

双进口两级双吸离心泵过渡流道压力脉动特性研究

双进口两级双吸离心泵的过渡流道由正流道、过桥段、反流道3部分组成,其中正流道为双蜗壳型式,反流道为带有导叶的双螺旋型式,过桥段连接正反流道呈现空间扭曲状。过渡流道与首级叶轮和次级叶轮均存在动静耦合关系,由此导致的动静干涉效应是引起压力脉动的主要根源之一。采用CFD方法对双进口两级双吸离心泵典型工况下的三维非定常流场进行了研究,对过渡流道压力脉动机理进行了分析。研究发现,正流道内的静压分布与其双蜗壳型式密切相关,在所有工况下均呈180°对称分布,压力脉动主频均为叶片通过频率,最大脉动幅值均出现在隔舌附近;小流量工况下,隔舌处压力脉动主频幅值明显高于设计工况,约为设计工况的180%。在过桥段中,所有工况下压力脉动主频均为叶片通过频率,设计工况下,沿着流动方向,内壁面进口处的压力脉动主频幅值达到最大,外壁面主频脉动幅值变化沿流动方向有增加的趋势;在反流道中,设计工况下压力脉动主频为叶片通过频率,幅值沿着流动方向逐渐增加,出口处主频的脉动幅值约为进口处的110%;小流量工况下,反流道导叶附近存在低频成分,且在导叶周围发现具有周期性的漩涡。     

熔盐泵分流式空间导叶内部流动及其非定常特性

为了抑制熔盐泵空间导叶内存在的二次流以及轴向旋涡,提高熔盐泵的效率和稳定性,提出一种分流式空间导叶体.采用k-ε模型、SIMPLE对2种不同形式空间导叶的熔盐泵模型进行了数值模拟,以获得2种不同形式熔盐泵的外特性参数及其内部的速度、压力分布等特性.结果显示:在0.8Q和1.0Q下,分流式空间导叶内部速度分布更为均匀,导叶吸力面二次流、旋涡明显减少,提高了模型泵的效率.在1.2Q下,分流式导叶导致模型泵效率降低.但在空间导叶出口速度分布均匀,低速区域明显减少.分流式空间导叶内部压力脉动幅值叶频占主导地位,其出口压力脉动得到明显改善,在设计工况下,压力脉动幅值比常规空间导叶低近40%,空间导叶轮缘面压力脉动普遍高于轮毂面,在导叶轮缘面上,其压力面的压力脉动幅值低于吸力面;在导叶轮毂面上压力脉动幅值则基本相同.