低比转数离心泵叶轮内能量转换特性

对比转数为60的离心泵内部流场进行数值模拟计算,从叶轮做功过程和能量损失过程两方面分析了叶轮内能量转换特性.将叶轮按径向尺寸分为8个区域,展示了不同工况、不同区域中压力和粘性力做功大小、功率密度分布、湍动能耗散率分布、能量损失组成及分布等能量转换相关特征.结果表明,叶轮进口区域能量转换效率相对较低且受叶片进口安放角影响,叶轮中部区域是叶轮做功和流体获得能量的关键区域,叶轮出口区域对叶轮性能有显著影响,壁面摩擦损失是叶轮内能量损失的主要组成部分.     

带诱导轮的离心泵空化条件下的效率下降规律

为定量研究空化对离心泵能量转换过程的影响,从流道内空泡分布和叶片载荷分布两方面探讨了离心泵效率下降的规律.基于RNG k-ε湍流方程和Rayleigh-Plesset空化模型对带诱导轮的离心泵的空化流动进行了数值模拟,获得了空化条件下影响离心泵效率下降的主要因素,包括扬程、功率及装置净正吸头等,并重点讨论了功率的变化对效率的影响.通过绘制叶片静压分布曲线分析离心泵效率及功率的变化趋势.结果表明：空化对叶片进口和叶片吸力面的压力影响很大;空化发展的过程中,功率的变化可分为3个过程,即功率下降段、功率上升段及迅速下降段;由于功率的下降没有扬程下降剧烈,泵总效率呈下降趋势;根据静压分布曲线及空泡分布图可以发现,叶片靠近后盖板的区域比靠近前盖板区域的空化严重,这也是叶片上不同位置处载荷差异的原因.     

带诱导轮的离心泵空化条件下的效率下降规律

为定量研究空化对离心泵能量转换过程的影响,从流道内空泡分布和叶片载荷分布两方面探讨了离心泵效率下降的规律.基于RNG k-ε湍流方程和Rayleigh-Plesset空化模型对带诱导轮的离心泵的空化流动进行了数值模拟,获得了空化条件下影响离心泵效率下降的主要因素,包括扬程、功率及装置净正吸头等,并重点讨论了功率的变化对效率的影响.通过绘制叶片静压分布曲线分析离心泵效率及功率的变化趋势.结果表明：空化对叶片进口和叶片吸力面的压力影响很大;空化发展的过程中,功率的变化可分为3个过程,即功率下降段、功率上升段及迅速下降段;由于功率的下降没有扬程下降剧烈,泵总效率呈下降趋势;根据静压分布曲线及空泡分布图可以发现,叶片靠近后盖板的区域比靠近前盖板区域的空化严重,这也是叶片上不同位置处载荷差异的原因.     

离心泵叶轮内部湍流动能及耗散率分析

本研究基于雷诺时均N-S方程,采用k～ε湍流模型,对标准离心泵叶轮内部湍流进行了数值模拟。采用质量加权平均湍流动能及湍流耗散率的方法,分析发现湍流动能和湍流耗散率沿半径的分布有十分相似的规律;除0.6Qd设计工况,湍流动能和湍流耗散率分布呈现出先增加,随后减小,最后增加的现象;0.6Qd设计工况下,湍流动能和湍流耗散率最大,流体能量损失最为严重,因此从效率方面考虑,应避免泵在小流量工况下运行。     

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.     

叶片包角对离心泵性能的影响

在保证离心泵主要几何参数不变的前提下,使用Hermite插值方法对叶片包角为90°、120°、150°和180°的4个叶轮进行叶片绘型。数值模拟分析了不同叶片包角与离心泵性能的关系。结果表明,叶片包角因改变叶轮出口相对速度液流角而使离心泵扬程和功率特性发生变化,其效果与改变叶片出口安放角类似。叶片包角增大的同时叶轮流道内的脱流与漩涡也随之减小,流动更贴近叶片型线,但叶轮流道内的摩擦损失也随之增大,离心泵存在一个使其效率最高的最佳叶片包角。     

基于fluent对多级离心泵首级的数值模拟

为了解叶轮叶片数对多级离心泵水利性能的影响,基于κ-ε湍流模型,采用SIMPLEC算法,利用Navier-Stokes时均化方程,对仅改变叶轮叶片数的某多级离心泵首级进行数值模拟。通过fluent数值计算得到泵内的压力,速度流场分布,对其进行分析,得出首级叶轮叶片数为六片时,此多级离心泵的内部流场压力及速度分布最均匀。同时利用fluent的后处理结果对此泵进行性能预测,得出叶轮叶片为六片时,泵的效率达到最高值70.68%。     

离心泵出口角对能量性能影响的F

指出了目前离心泵叶片出口角研究存在的不足。采用FLUENT,在双参考坐标系下,利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行数值离散,选用标准k-ε湍流模型,SIMPLEC方法求解,对一比转速为118的离心泵在不同叶片出口角下的内部流场进行了叶轮和蜗壳的耦合数值模拟和能量性能预测。分析了叶片出口角对离心泵内部流场的影响,指出叶片出口角的改变对叶轮内的射流-尾迹结构影响最为明显。能量性能预测结果表明,随着叶片出口角的改变泵效率存在极值点,结合流场模拟结果分析了泵效率存在极值点的原因。     

离心泵叶片吸力面粗糙带抑制空化效果研究

提出一种在叶片前缘吸力面布置粗糙带抑制空化的方法。选用低比转数离心泵作为研究对象,利用修正的SST k-ω湍流模型和Kubota空化模型对离心泵全流域进行空化数值模拟。通过对比不同空化数下有、无粗糙带结构离心泵叶轮内的流场结构、湍动能分布、速度矢量、空泡体积变化和监测点压力脉动结果,分析粗糙带结构对离心泵工作性能的影响和空化抑制效果。结果表明：粗糙带结构对离心泵扬程和效率的影响较小,不会对离心泵工作性能造成较大影响;布置粗糙带后,叶轮内的流场分布得到改善,漩涡强度减弱,流动变得平稳;粗糙带结构有效抑制了空泡的初生,减弱了初生阶段湍流带来的能量耗散,对空化严重阶段的空泡体积也有一定的抑制效果;粗糙带结构对叶轮进口处、叶轮外缘和蜗壳隔舌处的主频压力振幅影响较小,对粗糙带结构之后且靠近该结构流域的压力脉动产生不同程度的扰动。     

叶片出口角对离心泵性能的影响及滑移系数修正

为研究不同叶片出口角对两级离心泵性能的影响,以25-150/2-30/N型两级矿用潜水离心泵为研究对象,采用计算流体动力学软件CFX,基于N-S方程和SIMPLE算法,选用标准k-ε湍流模型,对4组不同叶片出口角下两级离心泵进行定常数值模拟.模拟得到不同叶片出口角下两级离心泵性能曲线,并对扬程、效率及功率进行对比分析,同时分析泵内部流场的压力和速度分布规律.结果表明:叶片出口角对离心泵性能有明显影响,随着叶片出口角增大,扬程逐渐上升,轴功率则在大流量区趋于平稳;内部流场中,叶轮进口低压区面积扩大,出口高压区面积缩小;叶片压力面低速区增大,叶轮流道靠近叶片压力面处出现旋涡.同时,应用数理统计和回归分析,以不同叶片出口角下离心泵的理论扬程为依据,对斯托达拉滑移公式进行修正.     

单叶片离心泵水动力噪声特性数值分析

基于LIGHTHILL声类比理论,根据FW-H方程,采用计算流体力学与计算声学相结合的方式对单叶片离心泵的内部噪声进行求解,探究其不同流量工况下内部流场的声源特性.采用混合数值模拟的方法,运用SST k-ω湍流模型对离心泵进行非定常模拟,并导出声源信息,对其进行声学计算求解,同时分析不同流量下的单叶片离心泵的内场噪声,比较其影响.研究结果表明:单叶片离心泵压力脉动的能量主要集中在叶频及其低频段谐频处,内部噪声的能量主要集中在低频段,并且在叶频及其谐频处噪声的能量较高;随着流量的增加,蜗壳与叶轮流道内流态逐渐改善,二次流、流动分离现象减小,导致低频段的谐频噪声呈现明显的下降趋势.根据不同流量下的声功率级频谱分析可以发现,压力脉动的分布特性对于单叶片离心泵的内部水动力噪声有直接的影响.     

多级旋涡泵内部流动特性与压力脉动的数值分析

为了揭示旋涡泵内部流场结构和非定常压力脉动特性,研制具有开式叶轮和闭式流道结构的多级旋涡泵,基于RNG k-ω湍流模型、SIMPLEC算法与块结构化网格,对旋涡泵内部流场进行数值模拟和试验验证.通过外特性数值预测验证了该旋涡泵能够满足设计参数的要求.基于CFD数值模拟技术,对旋涡泵内部流场进行数值模拟.结果表明:随着流量逐渐增大,旋涡泵扬程呈现陡降的趋势,同时叶轮叶片的做功能力变差,叶片对液体的增压能力逐渐降低.在叶轮吸入口和压出口两侧的叶片流道内部,其速度分布和湍动能分布变化梯度较大,其它叶片流道内部速度分布和湍动能分布较为相似.叶轮流道内部叶顶区域中间流道内存在1个低速区,随着流量的逐渐增大,低速区越来越小.叶轮流道内部叶根区域中间流道内存在1个速度梯度密集区,该区域湍动能较大,即叶片流道的叶根区域存在较大的损失耗散区,随着流量的逐渐增大,该损失耗散区越来越小.分析旋涡泵各特征位置的压力脉动特性发现,在叶轮叶片不同监测位置和闭式流道不同监测位置,压力脉动频率特性较为明显,即此处会诱发较为明显的水力振动和噪声.结果揭示了旋涡泵内部流场和性能的影响机理,为旋涡泵的设计提供了理论依据.     

叶片厚度对低比转数离心泵性能的影响

为了研究叶片厚度对低比转数离心泵性能的影响,选取一比转数为48的离心泵为研究对象.在离心泵其他几何参数给定的条件下,通过改变圆柱形叶片厚度,构造了5种不同叶片厚度的叶轮.基于标准k-ε湍流模型,采用SIMPLE算法,在6种不同工况下分别对其进行全流场数值模拟,对比分析了叶片厚度对泵的外特性及内部流场的影响,得出了叶片厚度对泵水力性能的影响规律.结果表明:叶片厚度在一定范围内,随着叶片厚度的增大,泵的最优工况点向小流量偏移,最高效率略有提高;同时随着叶片厚度的增加,泵在设计工况下运行时的湍动能损失不断增大;在满足叶片结构强度的前提下,选取合理的叶片厚度,可确保离心泵具有较好的水力性能.     

混流泵叶轮流动性能数值模拟和叶型优化设计

在设计工况下,对一个较高比转速的混流泵叶轮内部流动进行三维湍流数值模拟计算.通过分析混流泵叶轮内部的流动特点,发现由于局部结构设计不合理,流道内产生了较大范围漩涡区和壁面脱离现象,增加了流动损失.针对这一问题提出了改进措施,采用一种多参数的优化方法对叶轮叶型进行设计,并分析了叶片型线对叶轮内部流场的作用规律.结果表明,控制叶型弯曲度可以有效控制叶片进口处的马蹄涡,消除近壁面流动分离和漩涡,减小流动中的通道涡强度和影响范围,改进后叶轮流道内存在的涡团和流动脱离现象基本消失,叶轮水力效率相对提高4.74%,单位功耗的扬程增加11.5%.叶轮性能参数的计算数据与试验数据吻合较好,验证了所采用的计算方法及模型的准确性和可靠性.     

质量不平衡对单叶片叶轮径向受力的影响

为了寻找改善单叶片离心叶轮径向受力的方法,通过对一单端面配重的单叶片叶轮进行研究,在外特性试验验证定常数值计算精度的前提下,进行非定常数值计算,获得了单叶片叶轮的径向力矢量分布规律,发现设计工况附近,叶轮所受径向力的方向与叶片相对位置基本固定.基于整周期内径向力的矢量平均,获得平均径向受力的大小和方向.利用虚拟样机仿真技术,获得了质量平衡的叶轮,以及质量不平衡的叶轮;该叶轮的不平衡质量在旋转作用下产生的离心力,正好与平均水力径向力大小接近、方向相反.通过单向流固耦合仿真,发现偏心质量叶轮在实际运行中径向受力大幅度减小,证明了通过精确控制不平衡质量大小及相位角,减小和改善单叶片叶轮径向受力的方法是可行的.     

修锉叶片出口对离心泵非定常性能的影响

为探究修锉叶片出口对离心泵非定常性能的影响,对一台比转速为180的离心泵叶片出口的压力面和吸力面分别进行两种厚度修锉,采用ANSYS-CFX软件的标准k-ε湍流模型对各方案进行非定常数值模拟,对比分析不同叶片出口修锉方案对离心泵外特性、内部流场、压力脉动以及径向力的影响。研究结果表明:离心泵叶片出口压力面修锉方案PS1、PS2使离心泵的水力效率分别提高1.1%和1.5%,但在一定程度上会降低扬程,吸力面修锉方案SS1、SS2使离心泵的扬程分别提高6.3%和7.1%,但在一定程度上会降低水力效率;对吸力面进行修锉可以提高蜗壳扩散段壁面和蜗壳出口的静压值,同时降低叶轮及蜗壳流道中速度分布的均匀性,但对压力面进行修锉则相反;4种修锉方案均能在一定程度上改善离心泵蜗壳流道内的压力脉动,减小压力脉动的能量损耗,其中方案PS2效果最好;修锉方案PS2、SS1、SS2均能在一定程度上减小叶轮径向力同时增大隔舌径向力,其中方案SS2的影响效果最为明显。综合分析,叶片出口压力面修锉方案PS2使离心泵性能最佳。     

单叶片螺旋离心泵内部流场数值计算及油膜试验研究

针对比转数为240的单叶片螺旋离心式潜水排污泵内部流场,采用数值计算与试验相结合的手段进行研究.以多面体网格为划分形式,应用Realizable k-ε湍流模型,对其进行了全流场定常数值计算,并将计算结果与外特性试验结果及油膜试验结果进行对比.研究结果表明:数值预测的外特性及叶轮表面迹线结果与外特性试验及油膜试验结果能够较好地吻合,验证了多面体网格在单叶片螺旋泵数值计算方面的精度;通过对单叶片螺旋泵内部流场的剖析,发现了叶片进口附近存在泄漏流动,泄漏流的强度随流量的增大而逐渐减小;在3个流量工况(0.6Q_d,1.0Q_d和1.4Q_d)下,叶片吸力面出口附近的轮毂表面存在严重的回流现象,而在0.6Q_d工况时,该回流区域占据了流道宽度的80%以上;在叶片压力面与轮毂的交界处也存在多处回流,流量越小,回流越严重;3个工况下,蜗壳出口均存在较大的速度梯度.     

叶片进口边对微型高速离心泵性能的影响

为研究叶片进口边形状对微型高速离心式冷却水泵性能的影响,在保证叶片进口断面面积相等的基础上,设计了3种不同叶片进口形式,即外凹型、半凸型、基础型.采用SST k-ω湍流模型对泵的水力特性以及压力脉动进行数值计算,将结果与试验值进行对比分析.结果表明:仿真结果较为准确地预测了泵的水力性能,具有可行性;3种方案在远离扩压管的叶轮流道内均存在旋涡;与基础型相比,外凹型方案的扬程和效率有明显提高,并且高效区范围最宽;外凹型方案叶片进口边和出口附近的湍动能分布较好、叶轮出口圆周速度最高;3种方案蜗壳内压力脉动幅值出现在叶频及其倍频处,距隔舌位置越远,脉动幅值越低.采用外凹型方案叶片能减小脉动幅值,利于泵稳定运行.研究结果为微型高速离心泵优化设计提供一定的参考.     

基于叶片包角和出口安放角对叶轮的改进设计

基于计算流体力学方法,对KQW250-400型离心泵全流场进行数值模拟.基于叶片设计理论,对叶轮进行改进设计,通过改变叶片包角Φ和叶片出口安放角β₂建立5个不同的叶轮模型,并数值计算获得5个模型泵相应的外特性曲线和内部流场分布,对比分析可知:叶片包角Φ=126°与叶片出口安放角β₂=24°的叶轮最优;设计流量为550 m³/h时,扬程计算值为53.49 m,效率计算值为87.66%.原始离心泵和带改进叶轮的离心泵外特性试验测试结果表明:当流量Q=551.381 m³/h时,测得原始扬程为49.10 m,效率为79.88%;流量Q=550.823 m³/h时,测得带改进叶轮的扬程为51.84 m,效率为85.65%.改进后设计工况点扬程提高了2.74 m,效率提高了5.77%,且改进后的离心泵效率整体高于改进前,离心泵的整体性能得到了提升.研究结果有利于提高建筑物用泵的经济效益,从而降低能耗.