基于数值模拟的多级离心泵轴向力平衡研究

【目的】多级离心泵在运行过程中易产生较大的轴向力,严重影响泵的稳定运行,亟需探究切除部分后盖板以平衡轴向力方法的可行性。【方法】基于修正的SST k-ω湍流模型,利用CFX软件对不同流量工况下多级离心泵的内部流动进行了数值模拟分析,得到了在不同流量工况下离心泵的各级前后盖板压力云图。【结果】1）在所研究的流量工况范围内,多级离心泵由于水力损失严重,一开始的效率和功率整体偏低,随着流量不断增大,效率呈先增后减趋势,功率不断增大,扬程曲线为陡降曲线。2）多级离心泵各级前后盖板所受压力从首级开始呈逐级递增趋势,级数越大盖板所承受的轴向力越大,且轴向力的方向均由前盖板指向后盖板。【结论】选择合适的流量工况对于提升多级离心泵的工作效率十分重要。切除部分后盖板,使前盖板与后盖板的面积相近,受力时更加均匀,能够达到平衡轴向力的效果,证明了设计方法的可行性。     

多级离心泵多工况压力脉动数值模拟

为了研究多级泵中叶轮和导叶的动静干涉现象,采用Ansys CFX软件对某一5级离心泵不同流量工况下非定常流动进行数值模拟,获得并分析了叶轮和导叶内4个典型位置的流动压力脉动分布特性。通过与外特性试验和振动试验结果的对比,验证了数值模拟的可信性。结果表明:各监测点脉动主频560 Hz左右,为2倍叶频处,且振动幅值较大,动静干涉现象强烈;叶轮与导叶交界面的压力脉动强度最大;导叶内压力脉动受叶轮的影响,离叶轮出口越远,压力脉动幅值越小;导叶内在叶频处存在较大峰值,说明叶频是其出口压力脉动的主要成分,流量越小,脉动强度越大。通过掌握压力脉动分布特性,能够为多工况运行的低压力脉动多级离心泵水力设计提供重要的理论依据。     

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N—S方程,采用SSTk－ω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一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。     

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.     

基于数值模拟的双吸离心泵磨蚀预估

采用激光扫描技术建立宁东供水工程双吸离心泵三维实体模型,并采用CFD技术,模拟泵内水流流动规律,确定水泵宜磨蚀部位,并利用经验公式预估其磨蚀深度,为泵站有针对性的开展抗磨蚀工作奠定了基础。     

多级离心泵平衡装置间隙流动的数值计算

轴向力平衡好坏直接影响着多级离心泵的安全可靠运行。基于Fluent商用软件,采用标准k-ε湍流模型、SIMPLE算法对节段式多级离心泵的平衡装置间隙流场进行数值计算,研究平衡装置的平衡机理和间隙流场的压力分布,分析不同径向、轴向间隙下平衡装置的平衡性能,通过静压积分求得平衡装置的总平衡力。结果表明,间隙内部压力沿着液体流动方向呈线性下降趋势,进出口处均有明显压头损失。径向间隙变化对装置灵敏度和泄漏量产生较大影响,剩余平衡力随着轴向间隙的增大呈非线性变化。与压力分布试验推导结果对比分析,平衡装置平衡力计算结果误差为5.1%,差值在允许误差范围之内,说明数值计算结果是可信的,平衡装置设计合理。     

基于结构化网格的离心泵全流场数值模拟

采用计算流体力学(CFD)方法对全流场模型下离心泵的性能进行了分析。阐述了离心泵计算区域的拓扑块生成和结构化网格划分方法;分析了全流场模型和非全流场模型的数值模拟结果,并比较两者产生差异的原因。证实了腔体的存在对模拟结果的影响,得到的全流场数值模拟性能预测精度优于非全流场数值模拟,其流态分布也存在显著的差别,并获得了口环泄漏量与离心泵流量和扬程的关系。将离心泵全流场模型的模拟结果与试验值进行了对比:设计工况点(Qd),离心泵的扬程相对误差为0.79%,效率相对误差为0.9%,模拟结果和试验结果比较接近;在0.2Qd时,扬程相对误差为6.24%,效率相对误差为9.61%,极小流量点的数值模拟精度有待提高。     

深井离心泵数值模拟与试验

以150QJ20型深井泵为例,利用CFD软件Fluent快速准确地预测深井离心泵的性能,分别用不同网格数、不同残差收敛精度、不同湍流模型、不同流场计算方法进行了数值模拟,分析了不同设置方法对数值模拟结果的影响;对不同级数深井离心泵模型的数值模拟结果进行了讨论。在此基础上,选择出适合深井离心泵的数值模拟设置方法。将数值模拟结果与试验结果对比,分析了两者的差异,表明了利用Fluent软件预测深井离心泵性能的可行性。     

开式离心泵全流场数值模拟

介绍了开式叶轮的设计方法,确定了泵的主要设计参数。详细论述了开式离心泵全流道模型的建立方法,采用FLUENT软件对轴向间隙分别为0.5,0.75,1,1.25和1.5mm的开式离心泵进行全流场数值模拟,计算时采用雷诺时均方程和标准k-ε湍流模型,应用SIMPLE算法,对比分析泵内部静压力和速度,分析轴向间隙对开式离心泵内流场、空化性能、扬程及效率的影响,得出随着轴向间隙的增大,开式离心泵的抗空化性能、扬程和效率降低的结论,为开式离心泵的优化设计提供了有价值的参考。     

基于数值模拟的单叶片离心泵能量损失分析

为揭示单叶片离心泵效率偏低的主要原因,采用数值模拟的方法对单叶片泵的能量损失进行了详细分析,建立了单叶片离心泵水力损失模型.基于SIMPLEC算法和标准k-ε湍流模型,利用ANSYS CFX软件求解三维N-S方程,分析单叶片离心泵在不同流量工况下的湍流耗散损失和壁面摩擦损失,并搭建单叶片离心泵的外性能试验台,验证了数值模拟的准确性.结果表明:单叶片离心泵的能量损失形式主要为耗散损失和摩擦损失,并且泵内的耗散损失明显大于叶片摩擦损失;效率偏低的主要原因是耗散损失较大,具体表现为单叶片离心泵叶轮流道内存在明显的低速区及流动分离区,且压力呈圆周非对称分布;单叶片离心泵从其叶片进口处到出口处的耗散损失、摩擦损失均不断增大;耗散功率、摩擦功率占总功率百分比及叶轮水力效率呈抛物线分布.     

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.     

气液两相下离心泵内部流动数值模拟

为了研究在气液两相条件下,离心泵运行过程中内部流动及压力变化情况,选取比转数为129的离心泵作为研究对象,建立整泵的流场模型,基于仿真模拟软件CFX提供的Eulerian-Eulerian非均相流模型对模型泵进行了非定常数值模拟,得到在不同气相体积分数下,蜗壳流道内所选监测点和监测面的压力脉动及气相体积分布情况,并将数值模拟的性能曲线与试验进行了对比.结果表明:蜗壳流道内气相体积主要分布在与叶轮前盖板同侧方向.不同监测点在不同含气量下的压力脉动主频都等于叶片的通过频率.随着气相体积分数的增加,监测点压力幅值随时间呈周期性变化的规律开始受到破坏,压力脉动频域开始出现一定的紊乱,在低频处出现了一系列的波动.叶轮流道内气相分布不均匀致使叶轮周围液体压力分布不均匀,导致叶轮所受的径向力逐渐减小,周期性受到破坏.     

离心泵在启动阶段的瞬态三维数值模拟

为研究离心泵启动瞬态过程的内部流动机理,建立了求解叶轮启动和加速过程非定常流动的数学模型,以三维模型泵为对象进行启动过程内部流动的数值模拟.采用RNGk-ε湍流模型计算叶轮启动过程内部非定常流动结构和演化过程,得到不同时刻的瞬态外特性曲线,并与定常计算结果进行对比.定性分析了离心泵在启动过程中的瞬态效应,得到叶片及蜗壳压力分布的变化规律.从叶片的压力分布图也清楚地看出压力的不平衡分布,说明存在严重的压力脉动现象,这是引起叶轮不稳定振动的主要原因.     

中比转速离心泵叶轮的优化设计及数值模拟

基于流体流动的连续方程和运动方程,通过两类相对流面的迭代计算,实现中比转速离心泵叶轮内准三维正问题的数值计算,得到了轴面速度分布.应用逐点积分法进行叶片骨线绘型,在轴面上加厚叶片,在保角变换平面上修圆叶片头部,实现了离心泵叶轮的反问题设计.正反问题进行迭代计算求解直至收敛,得到最终设计的叶轮.采用RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对离心泵叶轮内三维流场进行数值模拟,得到了叶轮内压力和速度分布.模拟结果表明设计得到的叶轮内部压力分布非常均匀,流动稳定无分离,叶轮出口能量分布合理,所设计的叶轮具有优越的水力性能.     

泵自吸过程的数值计算与可视化试验研究

采用欧拉多相流模型、标准k-ε湍流模型及结合滑移网格技术并加载试验所得的叶轮转速变化曲线和出口压力变化曲线对65ZB-40C型外混式自吸泵自吸过程的气液两相流进行数值模拟,在叶轮进口、蜗壳各断面、气液分离室进口、回流孔上设置监测面,分析各监测面气体体积分数、气液相速度、混合相压力等参数的变化.采用高速摄影技术对自吸泵的叶轮、蜗壳、气液分离室及蜗壳出口段进行自吸过程的拍摄,把得到的图像与模拟结果进行对比.结果表明:自吸泵自吸过程中气液两相流态的微观变化与试验仪器监测到的压力、流量、转速等宏观变化具有一致性;自吸稳定过程占自吸时间的比例最大,对自吸性能的影响最大;气液分离室中心区域的气相空穴有利于蜗壳出口段的移动气泡的形成,有助于泵体内气体稳定地排出;自吸中期是一个动态稳定过程,进出口压力周期性地波动.     

多级离心泵新型空间导叶设计及优化分析

为提高多级离心泵性能设计了一种新型导叶,借鉴扭曲离心叶轮和流道式导叶的设计方法,通过固定内缘型线和外缘型线生成导叶三维扭曲导流叶片.该导叶正、反导叶光滑连接形成新的空间扭曲叶片,把导叶分割成几个独立的连续变化的流道,有助于减小导叶水力损失.针对一种海水淡化高压多级离心泵,设计了多组新型导叶方案,利用CFD 软件计算分析,探究了新型空间导叶的设计规律.通过对不同方案性能对比分析,获得了优化的导叶模型,并做了样机试验,该模型具有较好的水力性能,在设计工况点效率达到85.68%,满足设计要求,验证了该设计方法的可行性.该设计方法将有利于多级离心泵的节能,同时也为导叶开发提供了有益的参考.