轴流泵内部流场压力脉动性能预测与试验

基于雷诺时均控制方程和标准k-ε湍流模型,应用SIMPLEC算法,对轴流泵全流场进行三维非定常数值模拟,得到轴流泵在不同工况和不同导叶数内部流场的压力脉动特性.数值分析与试验结果表明:轴流泵内最大压力脉动发生在叶轮进口处;在偏离设计工况点较大的流量时,压力脉动幅值明显增大;导叶数减少会增大导叶出口处的压力脉动;脉动频率受叶轮转动频率控制,导叶数对压力脉动频率基本无影响.     

潜水搅拌机内部压力脉动特性分析

为深入研究由叶轮内压力脉动引起的潜水搅拌机振动的内部流场特性,利用大型计算流体软件Fluent 6.3和大型网格专用软件Gambit,采用RNG k-ε湍流模型和 PISO算法和滑移网格技术与刚盖假定方法,对潜水搅拌机搅拌的污水处理水池三维非定常湍流流场进行了数值模拟,在研究了叶轮区域及水池内流体流场特性基础上,分析了潜水搅拌机内部压力脉动特性研究.研究结果表明:潜水搅拌机搅拌叶轮内部以及叶轮附近的流体具有很明显的周期流动变化,高压低速区和低压高速区均随着叶轮的旋转而发生周期转动.叶轮进出口以及内部的压力脉动频率以叶轮转频为主.研究结果可为潜水搅拌机的实际工程应用提供参考.     

离心泵非定常计算中叶轮转动位置对性能影响的数值模拟

利用CFD软件,采用Realizable k-ε湍流模型,分别在3种工况下,对1台比转数为71的导叶-蜗壳组合式离心泵的内部流动进行三维非定常数值模拟,获取了离心泵内部流场结构,计算泵的扬程及效率。根据计算结果,分析了叶轮转动位置对泵外特性和内流场的影响。结果表明：当叶轮转动位置不同时,泵扬程、效率随之发生变化,选取某一特定位置处结果作为最终预测结果会产生较大的随机误差;叶轮转动位置的不同,也会对叶轮、导叶、蜗壳流道内的压力场和速度场产生一定的影响。     

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.     

轴流泵内部流动数值模拟及PIV试验

为了研究轴流泵内部流动数值模拟中不同湍流模型的适用性,分别采用standard k-ε模型、RNG k-ε模型、SST k-ω模型以及大涡模拟(LES)方法,基于结构化网格与网格滑移技术,对叶轮直径为200 mm、名义比转数n_s为700的模型轴流泵进行了性能预测和全流场数值模拟;计算了水泵的扬程和效率,并与在水泵试验台上测试得到的外特性结果进行了对比和分析.结果表明,在最优工况附近,standard k-ε模型、RNG k-ε模型和SST k-ε模型都能较精确地预测轴流泵的外特性,基于RNG k-ε湍流模型的扬程和效率误差相对较小;在非设计工况下,不同湍流模型具有不同的特性.在0.8Q_opt,1.0Q_opt和1.2Q_opt工况下,针对叶轮与导叶间的轴向间隙处进行了PIV内部流场测试;将各个湍流模型下的数值模拟结果与PIV的测量结果进行比较,发现基于雷诺时均方程的3种湍流模型的内流场流线与PIV的测量结果进行比较,发现基于雷诺时均方程的3种湍流模型的内流场流线与PIV的试验结果具有基本相同的趋势性,从而证明了数值模拟计算的可靠性和有效性;而采用LES计算得到的流场与PIV测量结果产生一定的偏差.同时,对轴流泵在不同流量工况下内流场的流动结构进行了分析.     

旋流自吸泵内部湍流场大涡模

旋流自吸泵蜗壳结构不同于普通泵,具有特殊的流场结构.采用大涡模拟方法和滑移网格技术,通过对设计工况下旋流自吸泵三维非定常湍流场的数值计算,捕捉到泵叶轮和蜗壳内的压力分布、速度分布和尾迹区内旋涡的结构与演化特征等重要流动信息,结果表明叶轮内部静压具有一定的非对称性.分析了分离室内漩涡形成的原因.对含气率分布的分析表明,叶轮中气相主要集中于叶片的吸力面区域.对旋流自吸泵的性能进行预测,得到了预测性能曲线,并将预测结果与性能试验结果作了对比,证明了大涡模拟法能够较准确地预测旋流自吸泵内部流动特性和性能.     

串列式轴流泵首次级叶轮能量特性及相互作用

为了分析串列式轴流泵的能量特性以及首次级叶轮之间的相互作用及其对能量特性的影响,采用数值计算的方法,对一串列泵内不同流量工况下的内部流场进行计算．湍流模型采用了一种RANS／LES的混合模式的FBM模型,基于试验结果对数值方法进行了验证,结果显示该数值方法能够较为精确地预测轴流泵的能量特性,FBM湍流模型预测结果精度高于标准k-ε模型．串列泵具有和普通轴流泵不同的能量特性:扬程随流量增大单调减小,功率随着流量增大而缓慢增大,说明串列泵具有良好的调节特性;首级叶轮的能量特性随流量变化而改变,具有和普通轴流泵几乎相同的能量特性,次级叶轮的存在明显改善了首级叶轮在小流量工况下的特性;次级叶轮的能量特性和普通轴流泵相比,具有较大差别,这是由于首级叶轮的存在改善了次级叶轮的进口流动,使次级叶轮在较大流量范围内具有恒定的能量特性．     

离心泵全流场与非全流场数值计算

为研究不同计算域对离心泵数值计算结果的影响,采用虚拟分块网格划分技术和标准k-ε湍流模型,对5台不同比转数离心泵设计工况下的内部流动进行了三维定常全流场与非全流场数值模拟.基于全流场和非全流场数值计算结果分别进行了性能预测和内流场特征分析,并将性能预测结果与试验结果进行了对比分析.结果表明：不同计算域对数值计算结果影响显著;全流场数值模拟性能预测精度高于非全流场数值模拟,扬程预测精度平均高1.54%,效率预测精度平均高1.67%;流场分析发现两种计算方法得到叶轮内的静压分布基本一致,而蜗壳内静压分布存在着明显差异;全流场数值计算得到的叶轮与蜗壳的间隙速度分布呈现层状分布,而非全流场数值计算得到的结果呈三角形分布;由于全流场计算区域考虑叶轮进口口环、前后盖板间隙流的影响,其数值计算得到的蜗壳断面内二次流分布并不完全对称.     

离心式叶轮三维反问题设计和数值计算

为解决离心式叶轮传统设计方法主要依赖于设计者经验以及设计周期较长等问题,采用三维反问题设计方法,根据给定的流场进行叶轮形状的设计,从而提高设计过程对叶轮性能的控制能力.三维反问题设计方法基于无黏有势流假设,将三维速度场分解为周向平均速度和周期速度进行求解,实现了在二维轴面流道上叶片形状和流场的三维计算.三维叶片形状根据速度在叶片表面满足滑移条件计算得到,同时获得该叶轮形状下其内部三维流场的计算结果.采用自编三维反问题设计程序进行了离心式叶轮的设计计算,并利用三维定常湍流数值计算技术对设计结果进行了流场模拟和性能评价,流场的模拟结果与设计方法计算结果定性吻合,验证了设计方法的有效性.研究结果表明：将三维反问题设计方法和三维湍流数值计算技术结合可有效缩短设计周期,提高设计质量,并可用于各种叶轮机械的设计.     

低比转数离心泵内部非定常流动特性数值预测

为了深入研究低比转数离心泵在运行过程中内部的非定常不稳定流动现象的内在机理,采用CFD数值模拟的方法对模型泵内部三维湍流流场进行数值计算,并根据离心泵速度三角形推导了用来直观定量衡量流动非定常强度的时均非定常强度系数。通过分析该时均非定常强度系数在低比转数模型泵中的分布可知,叶轮叶片背面附近流场非定常性较强,且流体流经叶片后缘产生的尾迹现象同样随时间波动明显。蜗壳流道出口管及靠近叶轮出口处流动非定常性较强。     

车用凸轮式氢气循环泵内非定常流动特性

为了研究高转速工况下车用凸轮式氢气循环泵内部流场分布规律和压力脉动特性,以某一种车用凸轮式氢气循环泵为研究对象,建立三维瞬态计算流体力学模型,基于ANSYS Fluent软件的动网格技术,采用Realizable k-ε湍流模型和PISO压力-速度耦合算法,对氢气循环泵全流道进行非定常可压缩数值模拟.通过在氢气循环泵旋转流道周向设置压力脉动监测点,应用快速傅里叶变换(FFT)技术获得各监测点的压力脉动频域图,得到流道内压力脉动频率分布规律.将数值模拟结果和理论分析结果进行对比,验证了基于动网格技术的数值模拟方法能较准确地预测车用凸轮式氢气循环泵内流脉动特性.研究结果表明:数值模拟得到的排气流量平均值和理论分析结果误差为4.7%,可以较准确地反映泵内部气体流量脉动规律;通过分析排气流道内涡量场分布,发现排气流道内出口回流和负的z向涡量正相关,随着出流气体占据排气流道,负的z向涡量消失;氢气循环泵旋转流道周向压力脉动主频为267 Hz,与转子旋转基频一致.研究结果为进一步分析凸轮式氢气循环泵内流脉动特性提供了一定依据.     

螺旋轴流式油气混输泵导叶内非定常流动DMD分析

为研究螺旋轴流式油气混输泵内的非稳态特性,对泵内非稳态气液两相流动进行数值模拟分析,得到不同流量、不同叶高的流场分布。对流量100 m3/h、含气量30%工况下的非定常速度场进行动态模态分解(DMD),得到能够反映速度场特征的前4阶主要模态场及其相应的频率信息。导叶内流场特征可分解为耗散模态、基本模态以及高阶动态模态特征,耗散模态随时间逐渐衰减,对流场的发展影响较小;基本模态是频率为零的稳态特征,能够反映叶片型线等流道几何特征引起的稳态流场特征; 3阶及4阶动态模态反映了叶轮与导叶间的动静干扰,在不断向导叶下游发展的过程中逐步耗散,动静干扰作用对导叶下游流动影响较小。对相态场进行分解得到其主要模态场特征及其频率信息,其基本模态特征表明,在导叶叶高较大的截面上,流速越高,则含气量越低;相态场的高阶动态模态特征与速度场动态模态特征基本一致。DMD模态分析方法能够清楚地分析油气混输泵导叶内复杂流动的非定常特性。     

水机电共同作用的离心泵内部非定常流动分析

为得到准确的离心泵非定常负载转矩,以型号为IS65-50-160-00的离心泵和Y160M-2 B3的三相异步电动机为研究对象,首先采用Fluent和Matlab对模型离心泵和电动机进行联合仿真.基于TCP/IP通信协议设计了C++源程序作为软件通信的接口程序,建立了双向同步耦合仿真平台,实现了离心泵内部流动非定常求解过程中的转速和转矩数据传输.研究结果表明:定转速计算时,在设计工况下,扬程计算相对误差为8.66%,效率计算相对误差为5.24%;变转速计算时,在设计工况下,扬程计算相对误差为2.45%,效率计算相对误差为2.47%;采用联合仿真方法进行数值模拟,考虑了电动机对泵运行的影响以及转速变化的实际情况,比传统方法更加准确地预测出离心泵的外特性,数值计算结果可靠.Fluent/Matlab联合仿真技术为今后深入研究离心泵内部流动非定常特性提供新方法.     

基于数值模拟的多级双吸式离心泵性能预测

以北赵引黄工程谢村站用多级双吸式离心泵为研究对象,基于雷诺时均的N-S方程,采用SSTk-ε湍流模型,压力速度耦合使用SIMPLEC计算,对泵内部流动进行了三维定常全流场湍流数值模拟,得到不同工况下该泵内部流动的速度矢量图等流场信息,在对其内部流动规律进行了定性分析的基础上,预测了泵的性能,并与现场测试结果进行了对比分析。分析结果表明,首级叶轮首级压水室以及次级叶轮次级压水室内流动较均匀;由于过渡流道的结构特点以及流动惯性,流体在首级压水室进入过渡流道时,在流道突然扩大区域形成了旋涡,旋涡区域大小与流量有关;预测扬程值与现场测试扬程吻合较好,预测扬程最大误差为2.7%,而预测的流量-水力效率曲线与现场测试流量-机组效率曲线变化趋势一致;水泵内部流动的数值模拟可为工程中泵设计阶段的性能预测和结构优化提供依据。     

基于CFD的全金属单螺杆泵非稳态流场计算及性能预测

为了得到螺杆泵内非稳态流场特性及间隙泄漏规律,采用CFD的动网格技术,针对油田使用的全金属单螺杆泵进行三维瞬态流场数值模拟,在此基础上预测计算了不同转速、压头和流体黏度条件下螺杆泵的流量、功率及总效率并与试验结果进行了对比.结果显示,螺杆泵在运行中具有显著的非稳态特性,在1个旋转周期内,流量出现的脉动次数与螺杆泵定子转子导程的比值相一致,高压头工况下的泄漏量和流量值的脉动幅度明显大于低压头工况下的情况;在计算高压头螺杆泵输入功率时,机械及容积损失不应忽略.基于CFD的性能预测和实测数据的趋势较为一致,误差在工程允许范围内,表明采用的模拟计算方法是切实可行的.     

灯泡贯流泵装置内部流动数值模拟

基于三维雷诺平均Navier-Stokes方程、RNGk-ε紊流模型和SIMPLE算法,对一灯泡贯流泵装置模型的内部三维流场进行了全流道数值模拟.对同一转速下流量为20~35 L/s范围内的7个工况点的扬程、轴功率和效率等性能参数进行了预测,分析了泵装置内部速度场的分布.计算结果表明：在最优工况点,泵装置内部水流流态较好,压力分布也比较均匀;而在小流量和大流量工况下,包括灯泡体在内的出水流道内流态紊乱,出现偏流、脱流和旋涡等不良流态.为了验证计算的准确性和可靠性,对该装置模型进行了性能试验,并将数值模拟计算结果与模型试验的数据进行了对比,两者在高效区附近吻合较好,但在小流量和大流量工况下存在偏差.     

基于全流场的泵装置出水流道内流特性分析

为了研究立式轴流泵装置出水流道的流动特性,以一立式轴流泵装置为研究对象,基于全流场非定常计算,结合湍动能和流线分布以及压力分布,分析出水流道内非定常流动特性;基于Q准则,在小流量工况下对流道内涡旋结构进行可视化分析;基于特征值法和涡量法,对不同工况下1个非定常旋转周期内的出水流道里的涡核进行提取.结果表明:小流量工况下,出水流道的入口处产生的涡旋结构数量最多,流道内提取到的涡核数量也最多;出水流道内的涡核强度从流道入口处往后逐渐减弱;2种方法均在额定工况下提取到的涡核数量最少,并且额定工况下流道中后部均未出现涡核.掌握出水流道内流特性及涡核分布,有助于今后优化设计出低水力损失的出水流道.     

离心式消防泵内流特性

为了研究离心式消防泵外特性、内流特性及空化特性,基于RNG k-ε湍流模型对某一比转数为24.7的离心式消防泵不同工况下的内部非定常流动进行数值模拟.结果表明:在关死点工况下,离心泵消防泵叶轮内部产生大量的失速旋涡,尤其在叶轮出口位置出现面积较大且极高湍动能的涡核分布,严重影响流道的通流能力,且造成较大的能量损失;随着流量增大,流道内的旋涡逐渐消失,流场趋于稳定,涡核分布基本保持稳定且对称;随着流量持续增大,离心式消防泵轴向力逐渐增大,在极小流量和极大流量工况下的轴向力波动相对较强;随着流量增大,径向力逐渐降低,且不同工况下径向力的矢量分布均呈现六齿形分布;随着流量的增大,离心式消防泵扬程特性曲线受空化的影响更加明显,随扬程曲线开始下降时的NPSHR也逐渐增大,但下降速度相对较慢.     

入口非均匀流对轴流泵性能和压力脉动的影响

为研究入流条件对轴流泵的影响,建立了2种不同类型的非均匀速度入口分布,分别与均匀入流进行比较,得到非均匀入口边界条件对轴流泵影响的数值计算结果.将均匀入流下的数值模拟结果与试验值进行对比,验证了数值模型的可信性.在0.7Q~1.2Q工况范围内,对轴流泵的扬程、效率和径向力等曲线进行了对比分析,得出受入口速度非均匀性影响、轴流泵性能和径向载荷的变化结果.最后,在定常模拟的基础上,对设计工况下叶轮入口、叶轮出口和导叶出口处的压力脉动进行了监测,得到了2种非均匀入流条件对轴流泵3个典型位置处压力脉动的影响情况.结果表明,通过控制进口入流情况,可以使文中所研究的轴流泵的水动力性能好于轴向均匀入流时的水动力性能.     

矿用多级抢险排水泵气液两相流动特性分析

为研究气液两相流对矿用多级抢险排水泵性能的影响,以一台四级矿用潜水离心泵为研究对象,采用 ANSYS CFX数值模拟方法,基于Eulerian-Eulerian多相流模型,对不同气体体积分数,不同气泡直径、四级离心泵进行气液两相流定常数值模拟.模拟得到气液两相流下的矿用多级抢险排水泵性能曲线及转子轴向力,并对扬程、效率、转子轴向力进行分析对比,同时分析泵内部气体分布规律.结果表明:在气液两相流条件下,气泡直径、气体体积分数都对泵的外特性及转子轴向力有显著的影响,在大流量、气体体积分数比较高的情况下,矿用多级抢险排水泵的扬程和效率会急剧下降,并出现转子残余轴向力与正常运行条件下转子残余轴向力方向相反的情况;内部流动中,气液两相流条件下叶轮出口出现局部回流,回流从吸力面流向压力面.