基于流声耦合法的超低比转数离心泵空化特性研究

为研究离心泵不同空化状态下噪声特性的变化规律,以及空化的发展对水动力噪声的影响,首先以一台超低比转数离心泵为研究对象,搭建闭式试验台,基于泵产品测试系统及数据采集系统建立了离心泵空化噪声的试验测试系统,实现了泵性能参数和内场噪声信号的同步采集。其次,分别应用不同空化模型对模型泵空化性能曲线进行预测,并与试验值进行对比,选择合适的空化模型。在此基础上将整个空化过程划分为未空化阶段、空化初生阶段、特征空化阶段及严重空化阶段,结合声学边界元法将流场信息转化为声场信息,并通过比较各空化阶段噪声预测值与试验值相对误差,发现模拟信号与实际信号吻合度较高,充分验证了预测方法的可行性。最后,基于流声耦合法研究空化对内部声场的影响。研究发现:针对超低比转数离心泵空化,Zwart模型比Kunz模型具有更好的适用性。内场噪声信号随空化的发展变化规律比较复杂。在中低频段,由于空化对动静干涉的抑制作用,使得叶频及其倍频特征值离散分量声压级随空化的发展呈现逐渐下降趋势,而轴频分量呈现增大趋势;而高频宽频噪声随空化系数的降低呈现先缓慢减小、然后急剧上升的规律,逐渐将高频特征值分量淹没在宽频带中,高频段声压级的增高造成总声压级的升高。     

侧流道泵研究现状及发展趋势

侧流道泵或侧通道泵(side channel pump)是一种介于容积式泵和离心泵之间的径向式叶片泵,由叶轮一侧有一个横截面为半圆形的侧流道而得名,通常具有超低比转数特性和自吸能力,其体积小,流量低,但是扬程却很高.与普通离心泵相比,侧流道泵作为一种新型泵,更适用于极端条件下气液两相流体和接近临界状态流体的输送.首先介绍了侧流道泵的组成和工作原理,简要阐述了流体在侧流道泵内的运动轨迹.同时,按照时间顺序分析了侧流道泵的研究情况,重点分析了近年来国内外关于侧流道泵的研究现状.最后根据前面所述的研究成果,展望了侧流道泵研究的发展趋势.认为优化设计可提高侧流道泵的性能,完善侧流道泵理论模型,利用先进的内部流动测试手段,例如PIV,LDA等,分析测量侧流道泵内部流动规律和旋涡演变机理,设计开发多功能侧流道泵是今后侧流道泵的研究重点.     

弯掠叶片对轴流泵驼峰及空化性能的影响

以高速轴流泵为研究对象,通过改变叶片在轴面的积迭线得到弯掠叶片.分别对弯掠叶片高速轴流泵和原型叶片高速轴流泵进行全三维流道整机数值模拟,得到其外特性曲线,并针对设计工况和出现＂驼峰区＂时对应的失速工况施加空化模型进行数值模拟,研究叶片的弯掠对其空化性能的影响及叶片表面压力分布规律.模拟结果对比表明：合理的弯掠叶片可有效改善原型叶片轴流泵出现的＂驼峰区＂,控制叶顶二次流的发生及发展,回收端壁二次流的能量损失,从而改善轴流泵在驼峰区的运行性能;同时,弯掠叶片提高了轴流泵在失速工况的空化性能,改变其叶片进口处梯度分布,避免了流体在壁面较易产生的分离流动;但在设计工况时其空化性能劣于原型叶片轴流泵,叶片表面压力分布也显示,原型叶片的表面压差大于弯掠叶片的表面压差,因此在设计工况时原型叶片的做功能力优于弯掠叶片.     

叶片进口边位置对离心泵性能的影响

为了研究叶片进口边位置对离心泵外特性能、内流场的影响规律,在原型泵的基础上,设计了叶片进口边位置不同的5种叶轮,基于SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,分别对5种叶轮的离心泵在清水和含沙水介质下进行三维全流道定常数值计算.结果表明:针对低比转数离心泵,叶片进口排挤严重,使叶片进口边向出口方向延伸可以使叶片进口处的流动更加均匀,液流的流动速度减小,叶片表面的压力变大,从而改善空化性能;在一定范围内变动叶片的进口边位置对离心泵的扬程、效率影响不大,但是当叶片的进口边位置向出口方向延伸过多会导致叶片对液流的做功能力下降,从而使离心泵的扬程明显下降;当离心泵在相同工况下运行时,离心泵进口沙粒含量的增大会使离心泵的扬程、效率降低,且会使流道内空化核的数量增大,从而导致空化性能变差.     

高比转数离心泵空化状态下的压力脉动特性

通过相似变换得到高比转数离心泵缩小模型,并通过试验和数值模拟发现模型泵和设计泵的性能曲线相近,可代替设计泵进行试验研究.基于RNG k-ε湍流模型,采用SIMPLEC方法求解不可压缩时均方程,通过对离心泵内部流场进行定常和非定常数值模拟,得到不同工况点的外特性、汽蚀及压力脉动特性.并通过模拟结果和试验结果的对比,验证了模拟的准确性.通过模拟发现,额定流量下隔舌处的压力脉动幅值最大;不同工况下各检测点的压力脉动主频均为叶频;隔舌压力脉动最大,进口压力脉动最小.额定工况下压力脉动幅值最小,非设计工况下压力脉动幅值明显增大;通过对空化不同阶段的瞬态数值模拟,发现从未空化到严重空化,不同工况下隔舌和出口处的压力脉动变换规律相同,随着空化发展压力脉动幅值降低,且脉动主频均为叶频;并且随着空化程度加剧,压力脉动高频成分增多,各监测点主频下降明显,并可将此作为判定空化初生的依据.     

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.     

高速潜水轴流泵的空化特性

为研究轴流泵内部的空化特性问题,选取1台比转数ns=700的高速潜水轴流泵作为研究对象,利用ANSYS CFX软件进行数值计算,得到外特性曲线,发现在大流量工况下外特性计算结果与试验误差较大.利用Rayleigh-Plesset空化模型和SST湍流模型对潜水轴流泵进行空化定常模拟,求得各工况下泵的临界空化压力,通过分析...     

导叶式混流泵旋转失速的研究进展

旋转失速是混流泵等旋转流体机械内部流动中普遍存在的不稳定现象,对机组性能甚至安全问题带来重要影响.从导叶式混流泵外部性能曲线、内部流动结构和压力脉动的时频特性分析了旋转失速的表现形式、失速先兆、失速的形成及传播机制,探讨了影响混流泵旋转失速形成、发展的关键因素.混流泵发生旋转失速的典型表现是外特性曲线出现不同形式的正斜率(马鞍形),内部流场出现周期性传播的漩涡结构,旋涡造成了流道的堵塞,由此导致不稳定的压力波动;轮缘泄漏涡形态结构和运动轨迹分析为混流泵失速先兆研究提供了新的思路.流量工况是导致混流泵旋转失速现象发生的最直接因素,随着流量减小,会对失速团的数量产生明显的影响.叶片数、叶轮转速和轮缘间隙也是影响失速团数量、传播速度和发展过程的重要因素.基于近年来国内外的研究现状,提出了未来混流泵旋转失速需要进一步深入研究的内容和方向.     

浆体流量对矿浆泵空化特性的影响

为分析浆体流量对深海采矿矿浆泵空化特性的影响,建立了两级矿浆泵三维流场模型.基于欧拉多相流模型、Schnerr-Sauer空化模型、RNG k-ε湍流模型,利用计算流体力学理论和Fluent软件对矿浆泵进行数值计算.设置矿石颗粒直径d为20 mm,浆体中颗粒体积分数C_V为8%,矿浆泵转速n为1 450 r/min,在该工况下研究矿浆泵输送不同浆体流量时泵的空化特性,比较不同空化特性下矿浆泵内压力分布、气相分布及工作性能的不同,并进行试验对比验证,为矿浆泵空化特性提供理论依据.研究结果表明:深海采矿矿浆泵首级叶轮前端呈现明显的低压区,且该低压区域的面积随着流量的增大而减小;气相体积分数分布区域与低压区呈现类似的规律;空化发生区域出现了速度旋涡现象,增大了流场的不稳定性;随着流量的增加,空化余量增大,空化现象不明显,对矿浆泵扬程的影响也越小.     

高吸程射流泵装置的气蚀临界沉没度研究

随着河水等水位的不断下降,高吸程喷射泵得到越来越多的应用。当射流泵内压力低于流体的汽化压力时,就会发生气蚀,不仅对进入喉管的流体有节流的作用,减小流量,还会剥蚀射流泵部件壁面,产生噪声,降低泵效。为了避免气蚀的发生,就要控制高吸程喷射泵的气蚀临界沉没度。本文推导出了气蚀临界沉没度的计算公式,通过已知的高吸程喷射泵产品性能参数及下泵深度求得气蚀临界沉没度。通过试验,间接测量了两组扬程分别为44m及34m的高吸程喷射泵正常工作时的最大吸程,验证了理论计算结果。通过对计算所得气蚀临界沉没度和试验测得的最大吸程比较分析,发现高吸程喷射泵射流泵无法正常工作的原因是发生了气蚀或工作压力太小,可以采取调节下泵深度或增加工作泵扬程等措施以满足使用需要。     

单级与多级侧流道泵内部流动特性

为了研究前置离心叶轮对侧流道泵性能以及内部流动特性的影响,基于SST-SAS湍流模型,对不同工况下单级以及多级侧流道泵内部流动进行三维非定常数值模拟,研究了单级与多级侧流道泵扬程、侧流道泵叶轮进出口压力、侧流道间的质量交换以及旋涡结构分布特性.结果表明:添加前置离心叶轮后的多级侧流道泵扬程整体有所提升,侧流道叶轮的进口压力提升了20%,叶轮与侧流道之间的质量流量也提升了约20%,多级侧流道泵叶轮内涡团分布与单级泵分布规律基本相同,添加前置离心叶轮对侧流道泵内部流动影响较小.研究结果为后续多级侧流道泵的空化研究以及结构优化提供了参考.     

一种用于稠油输送的径向活塞泵的研制

研制了一种适用于稠油输送的新型阀配流式径向活塞泵.该种新型阀配流式径向活塞泵采用了独立、可摆动式液缸体结构,并利用了机械强制回程.除具有传统往复泵的基本优点之外,还具有结构更加紧凑、体积更小、重量更轻、效率更高、脉动更小等优点.按照GB/T 7784—2006标准检测,在额定工况下,新型阀配流式径向活塞泵的机械效率可达89%,容积效率高达92%.该泵样机在辽河油田进行了长达3个月的现场试验测试.测试结果表明,样机运转平稳,且无故障、无泄漏.该种新型阀配流式径向活塞泵作为节能产品在稠油输送领域有良好的应用前景.     

双排油轴向柱塞泵配流特性理论分析与试验

通过改变缸体结构、柱塞数、端盖油路、配流盘形状等,设计了双排油内外环并联配流结构的轴向柱塞泵,实现了单柱塞泵两路高压供油。针对单环柱塞数减少,腔内压力冲击增大,脉动变大等问题,对配流结构进行重新设计。在排油腰形槽和吸油腰形槽过渡区取消卸荷槽,利用加大配错角,在排油完毕未接通吸油时,腔内封闭体积增大,未排尽的高压油液压力降低;在吸油腰形槽和排油腰形槽过渡区,排油卸荷槽利用阶梯变化通流面积代替原连续变化的通流面积,削弱了卸荷槽几何形状要求。重新设计后的双排油配流结构,以45 mL轴向柱塞泵结构为参考,对配流结构进行了理论分析,建立了双排油轴向柱塞泵仿真模型。以单柱塞腔内压力冲击、输出流量进行分析研究,得外环压力冲击小,与传统配流结构相比较双排油输出口压力脉动变化率变小,并试制双排油轴向柱塞泵。对试制泵进行压力脉动测试、容积效率测试和噪声测试,结果表明,与45 mL轴向柱塞泵进行对比,压力脉动降低了约30%,噪声也降低,容积效率不低于0.92。该双排油轴向柱塞泵可以代替双联泵,使系统结构简化,能耗降低。     

多工况高抗汽蚀性能的诱导轮设计

针对某流量调节范围（最大流量/最小流量）为30的低比转数高速离心泵,基于能量匹配法,设计了等螺距和变螺距2种结构形式的诱导轮.采用SST湍流模型和Rayleigh-Plesset空泡动力学模型,对离心泵多工况下的全流场进行汽蚀数值模拟,分析了离心泵多工况下的汽蚀断裂特性和气泡分布等流场特征,揭示了不同工况下带诱导轮离心泵的汽蚀断裂机理.在高速试验台上进行了离心泵外特性水力试验,试验结果与计算结果吻合较好.研究结果表明：能量匹配法是指导高抗汽蚀诱导轮设计的基本方法;随着进口压力的降低,带诱导轮离心泵在各工况下的汽蚀断裂特性不尽相同,大流量工况下的扬程断裂曲线呈大斜率形状快速下降,中流量工况下扬程断裂曲线呈直角形,小流量下扬程断裂曲线呈小斜率形状缓慢下降;相对于等螺距诱导轮,变螺距诱导轮具有更小的冲角和更高的扬程,使高速离心泵具有更宽的稳定工作区间.     

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.     

大型排水泵装置空化区间的数值计算

为了研究大型排水泵装置空化区间,基于SST k-ω湍流模型,应用Rayleigh-Plesset模型对泵装置内部空化进行描述,结合模型泵试验验证数值模拟结果准确性.重点分析了泵装置相同水位不同流量系数δ下的空化分布规律、空化体积分数以及大流量系数下叶片表面受力分布规律.结果表明:设计水位下,δ≥0.8和δ=1.0时泵装置叶轮非空化运行角度分别为-8°~ 0°和-8°~+6°; 与设计水位相比,泵装置进水池水位降低会增大空化区间,反之将会减小;相同流量系数下,叶轮运行角度偏离0°越大,空化现象越严重,空化体积分数越大;进口水位达到最高防洪水位,非空化区间的最大运行工况为Q=28.75 m³/s(+8°);大流量系数下运行时,叶轮表面总压分布随着叶轮运行角度的增大而增大.本研究结果为大型排水泵装置稳定运行提供参考.     

粗糙度对离心泵空化过程的影响

为研究壁面粗糙度对离心泵空化过程的影响,利用雷诺时均N-S方程和RNG k-ε两方程,采用Zwart空化模型且不考虑水中溶解性气体对空化的影响,应用ANSYS CFX软件对设计流量工况下离心泵全流道气液两相湍流进行定常数值模拟,分析离心泵内部发生空化时,叶片壁面粗糙度对泵的外特性参数和内部流态的影响.计算结果表明:增大粗糙度将导致离心泵扬程、效率降低以及轴功率增大;泵处在临界空化及局部空化状态时,粗糙度对泵性能参数的影响程度大于泵处在空化初生及重空化状态下的影响程度;壁面粗糙度对湍流发展的影响规律与其对空化进程的影响作用具有相似性;当进口压力为81.06 kPa和101.33 kPa时,减小壁面粗糙度对改善离心泵性能有更显著的效果.     

高速混流泵汽蚀特性与汽蚀性能改善方法

分析了用于推进系统的大功率混流泵影响汽蚀特性的主要因素。讨论了启动过程的汽蚀特性以及混流泵汽蚀性能与流量、转速、叶轮参数的关系。分析结果表明,启动过程中的汽蚀现象使混流泵瞬态性能迅速下降,汽蚀性能与流量、转速、叶轮参数等有密切关系。选取最佳汽蚀性能工况点为设计工况点,在满足尺寸要求前提下降低转速,采用合理的叶轮参数等手段可有效提高混流泵的汽蚀性能。     

凸轮转子泵的流场及脉动特性数值分析

随着舰船减振降噪要求的进一步提高,管路噪声逐步成为这一目标的主要障碍,而泵类设备则是管路噪声最主要的噪声源.传统离心泵由其高转速及强烈的动静干涉决定了它在进一步降低自身诱导噪声上的局限性,而新型的凸轮转子泵则具有较大的优势.因此为研究该型泵的主要性能与流场特性,在系统分析凸轮转子泵的工作原理及技术特点的基础上,建立了该泵的二维、三维直翼、三维扭曲翼模型,通过基于动网格的CFD分析计算了凸轮转子泵的流场及脉动特性.计算结果表明:新型凸轮转子泵的流量与转速呈线性关系且呈现出周期性脉动;泵内压力分布稳定,各区域没有明显的压力梯度,在转子间隙及进出口区域存在旋涡及流动分离现象,此处流速较大;转子泵泵内压力脉动随转子叶片数的增大及采用螺旋翼型能够得到有效降低,而随着转速的增大也会迅速增大.     

离心泵小流量工况不稳定空化特性研究

为了研究离心泵小流量工况不稳定空化特性,通过数值模拟和试验,研究了离心泵小流量工况不同空化程度泵的内流特性及泵进出口压力脉动特性。结果表明:小流量工况下,蜗壳隔舌与叶轮间的动静干涉对离心泵内部不稳定流动具有重要影响,叶轮流道内受空化影响所产生的漩涡与受蜗壳隔舌影响所产生的漩涡的流动方向相反。随着空化的发展,离心泵进口压力脉动的主频由2倍轴频逐渐向低频段迁移,且存在一定的波动;泵进口压力脉动存在于2倍叶频处的峰值,随着空化发展到一定程度而消失;受叶轮与隔舌动静干涉的影响,泵出口压力脉动的主频为叶频,在2倍轴频处存在波动较大的峰值;泵进出口压力脉动的宽频脉动随着空化余量的降低存在明显变化。