无阀压电泵用椭圆组合管正交优化设计与试验

为了提高无阀压电泵中流管的流阻特性,提出一种新型椭圆组合管结构。该流管为三通结构,汇流管是传统扩散/收缩管,分流管是椭圆曲线结构的扩散/收缩管。通过数值模拟,应用正交方法优化椭圆组合管的结构参数。设计选用的汇流管最小宽度d=150μm,流管深度H=150μm,优化结果表明当进出口压差为50kPa时,结构尺寸为r=75μm,L=3000μm,θ=7°,γ=80°,a=1000μm,b=450μm的椭圆组合管有最高的正反向流阻系数比λ。通过MEMS技术制作出优化后的椭圆组合管并进行试验,并与数值模拟结果对比。结果表明：试验值小于模拟值,压差在10～100kPa范围内,正向流量试验值与模拟值最大相差12.6%,反向流量两者最大相差5.3%;压差为50kPa时,两者的λ值分别为1.83和1.97,相差7.65%。     

三通全扩散/收缩管无阀压电泵的流阻性能

针对传统扩散/收缩管无阀压电泵效率低的不足,提出一种新型三通全扩散/收缩管无阀压电泵.为了寻求新型三通全扩散/收缩管流管的最佳几何尺寸参数,在有限元仿真试验方法的基础上,将新型三通全扩散/收缩管与传统扩散/收缩管进行性能对比分析.分别改变三通全扩散/收缩管的分流锥管长度L2、分流锥管夹角φ、分流锥管的锥角2θ和分流锥管宽度b2,研究分流锥管结构参数对三通全扩散/收缩管流阻特性的影响.结果表明,相对于传统扩散/收缩管,三通全扩散/收缩管的反向流阻系数与正向流阻系数之比λ在较高雷诺数下大于传统扩散/收缩管,可提高无阀压电泵的效率;在不同雷诺数流动下,三通全扩散/收缩管的最优结构参数相差较大,设计时必须要根据实际工况选用合适的结构参数.     

无阀压电泵用平面锥管内部流动特性

为了研究锥管的流阻特性,采用数值模拟的方法对最小截面宽度为150μm,高度为150μm的平面锥管进行分析,得到雷诺数在100～2 000范围内,收缩方向流阻系数与扩散方向流阻系数的比值λ随锥角θ及流管长宽比l/w变化的规律.结果表明：流管锥角越小,θ及l/w对λ值的影响越大,且流管的流阻特性随θ和l/w的变化发生了转换;在Re=100与Re≥500两种工况下,流管扩散方向流阻系数ξd随θ及l/w的变化趋势相反;Re=100时,流管多呈沿扩散方向流阻较小的Ⅰ类流管特性,θ=20°,l/w=20的流管的λ值最大达到1.22;Re≥500时,流管多呈沿收缩方向流阻较小的Ⅱ类流管特性,θ=20°,l/w=1的流管的λ值最小达到0.63.说明不同雷诺数流动下流管的流阻特性相差较大,不同工况下可通过选用合适的流管结构参数提高无阀压电泵的工作效率.     

并联三通全扩散/收缩管无阀压电泵的性能

采用流固耦合的方法,对三通全扩散/收缩管单腔无阀微泵进行了数值模拟计算,并进行试验验证,结果表明:当激励电压幅值为100 V时,在50～175 Hz范围内,微泵的流量随频率的增大而增大,计算值与试验值的最大误差为12%;当确定频率为100 Hz时,微泵流量随电压的增大而线性增大;试验结果较好地验证了数值模拟方法的可行性.在此基础上,针对单腔无阀微泵低流量、低输出压力的缺点,设计并研究了基于三通全扩散/收缩管的并联结构无阀压电泵.应用上述数值模拟方法,分析了并联结构下两振子振动相位差对微泵流量的影响,绘制出了不同相位差下并联微泵流量图和微泵在1个周期内瞬时流量图,并与单腔结构的微泵进行了性能对比.结果表明:并联结构下微泵流量随振子振动相位差的变化不大;在相位差为180°时流量最大,为0.367 mL/min;在相位差为360°时微泵实现了流量的连续输送,其流量为0.349 mL/min,性能较单腔结构微泵有了较大的提高.     

环形射流泵结构优化设计

运用DOE和CFD技术,以寻求环形射流泵效率最大时的最佳结构尺寸组合.试验射流泵模型原型取自真实试验,面积比1.75.首先对计算方法的可靠性进行了验证,在试验设计方法指导下,以最高效率为原则安排了多次试验,确定了4个主要因子,即流量比q、吸入室收缩角α、相对喉管长度lt及扩散管扩散角β,分别计算了射流泵在多种结构尺寸组合下的内部流动.借助统计分析软件对试验数据进行处理,确定各结构参数对射流泵性能影响的重要程度,找出最优的结构组合.结果表明该方法取得了很好的效果,试验设计预测最大效率36.3%与CFD模拟结果35.8%非常接近.影响泵性能的主要结构参数中,相对喉管长度比扩散管扩散角、吸入室收缩角更为显著,双因子间的交互作用比因子单独作用更为明显,为环形射流泵进一步优化设计,确定其合理的工作范围提供了依据.     

基于附壁效应的无阀压电泵研究

提出一种基于附壁效应的无阀压电泵,该泵利用附壁射流元件造成吸入过程和排出过程中进出口的流量差,实现流体输送。首先通过动网格技术及数值模拟研究微泵的内部流场和外特性,结果表明该无阀压电泵的容积效率η可以达到0.5以上,高于传统扩散/收缩管无阀压电泵。然后讨论了平面锥管长度和两分流直管间凹劈面宽度对微泵性能的影响,平面锥管长度L1必须大于dcot(θ/2),当c2/c1=1时L1/d=9的微泵在零输出压力下流量最大;不同输出压力和c2/c1的微泵流量对比表明凹劈面宽度越宽微泵输出压力性能越佳,但是在低输出压力下微泵随着凹劈面宽度的增加其容积效率降低。最后应用响应面方法对平面锥管长度和凹劈面宽度进行优化,结果表明当输出压力为5 k Pa时,最优的参数选取范围为4≤L1/d≤5,0.75≤c2/c1≤0.85,当L1/d=4.3,c2/c1=0.80时η达到最大,为0.323。其数值模拟为0.317,相差1.89%。     

零迎流角半球缺群无阀压电泵流阻与流量特性研究

半球缺群相比于单一的半球缺具有更好的正、反向流体阻力不等特性,为分析其流阻变化对泵送性能的影响,对泵腔内半球缺群的行数、列数及行列间距的变化进行了研究。推导出半球缺群的正、反向阻力系数作用规律,流阻试验及泵流量试验验证了该规律分析计算流阻及泵流量的可行性;在有限行、列间距范围内,计算及试验流阻差及泵流量均随半球缺群行数、列数的增加而增加;在驱动电压及频率为120 V、6 Hz时,半球缺群3×4、4×3、4×4行列分别获得45.5 m L/min、46.2 m L/min、47.75 m L/min泵流量;理论与试验流量的最大偏差为23.23%。研究表明,半球缺群的流阻作用规律可以用来分析及预测泵流量;增加行数及列数并适当控制行、列间距均能提高泵流量,且增加行数比增加列数能获得更好的输出效果。     

圆盘泵叶轮结构改进及固液两相流的数值模拟

针对混输圆盘泵在输送原油介质时存在的扬程和效率低下的状况,在原有叶轮的基础上进行了结构改进,并采用欧拉多相流模型,标准k-ε湍流方程与SIMPLE算法对改进后的圆盘泵内部固液两相湍流进行了数值模拟,得到泵内流场压力和速度的变化规律,以及不同固相颗粒浓度与泵的扬程、效率和出口质量流量的关系曲线.结果表明:流体在从泵进口到出口的过程中,静压和总压持续上升,最高压力出现在蜗壳螺旋段与扩散段结合处的外壁面处;固相颗粒主要集中在叶片工作面,从而会加剧叶轮叶片的磨损破坏速度;泵的扬程和效率随着固相颗粒浓度的增大而略有增加,通过比较改进前后圆盘泵的扬程曲线发现,改进后的泵的扬程提高明显.     

射流式离心泵性能及内部流动特性

为研究射流式离心泵内流动机理,以JET750G1型射流式离心泵为研究对象,搭建试验测试系统,分别对不同安装高度下射流式离心泵的空化及能量特性进行试验研究;基于k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对0 mm安装高度下泵各工况点内部流动进行数值模拟.试验结果表明:当流量增大到一定程度之后,扬程-流量、功率-流量、效率-流量曲线均急剧下降;随着安装高度的增大,陡降起始点向小流量工况偏移.数值计算结果表明:扬程、功率、效率的数值模拟结果与试验值基本吻合,数值模拟性能陡降起始流量点比试验值大0.5 m³/h;射流式离心泵由于其面积比值较小,射流剪切层被迅速排挤到喉管壁面,泵内最低压力点出现在喉管内喷嘴稍后处,空化最早发生在该处;随着流量的增大,空化区域急剧向叶轮进口扩展,性能陡降起始点正好是泵内初生空化流量点,射流式离心泵的空化性能取决于其射流器的空化性能;射流器能提升离心泵扬程和自吸性能,但射流器内高速回流及强剪切流动,导致其效率及空化性能大幅下降.     

一种新型差压流速流量计的研制与应用

应用圆柱绕流的基本理论,研制了一种新型绕流管差压流速流量计.用特制绕流管作取压元件,通过测定正对来流全压孔与特定偏角侧压孔流体压差来测定点流速或断面平均流速和流量.在一定绕流角度范围内,绕流压强系数不随雷诺数变化而变化,使得绕流管流速流量计的应用方便可靠,可在流道外标定而非原位标定,并且系统不确定度可控制在±1.0%以内.将绕流管流速流量计应用于南水北调东线工程解台泵站的1号和3号机组,并分别进行了流量现场测试.测试结果表明,现场实测的流量与经模型试验数据换算的流量之间,误差均在0.78 m3/s以内.在大型低扬程泵站的单泵流量现场测试中,绕流管插入泵叶轮前吸水室取压差,即可实现无等径直管条件水泵流速、流量测定.     

射流泵全特性工况的数值分析及试验研究

为了解射流泵在全特性工况下的性能和内部流场特性,采用数值分析和试验的方法对其进行研究.结果显示:在全特性工况范围内,射流泵数值模型的扩散管出口静压与流量比之间近似呈负线性关系,基于Realizable k-ε湍流模型预测的射流泵量纲一化性能曲线与试验结果基本一致,压力比和流量比之间也近似呈负线性关系;在正压正流状态下,数值分析与试验结果之间的压力比相对误差随着流量比的增大而增大,相对误差最大值约为0.26;在正压反流状态下,相对误差较小且较为稳定,最小值约为0.02;在最高效率工况附近,射流泵吸入室内部流场的速度矢量分布比较均匀,随着流量比减小,吸入室内流场会出现较为明显的局部涡旋;射流泵喉管进口截面的轴向流速分布不均匀度最大,喉管中间截面及其后续流动空间的轴向流速分布则较为均匀,在正压正流状态下,喉管内的流体混合过程主要发生在喉管中间截面之前的流动空间.     

高速部分流泵CFD计算和优化设计

为研究高速部分流泵中流量系数、扬程系数和比转速三者之间的关系,对该泵主要参数进行了优化设计.在水泵性能试验的基础上,采用Matlab软件对试验数据进行数值拟合,推导出三者的函数关系式,并对主要性能参数进行了精确计算.将优化后的参数应用于Pro/E建模,运用ANSYS-CFX进行了数值计算和外特性试验.结果表明,中间截面静压呈环状梯度由轮毂向轮缘逐渐递增,出口静压满足优化要求;流线云图中虽然存在漩涡,但隔舌处的回流和涡流得到了明显的改善;从扬程-流量试验曲线也可以看到,在从小流量到设计工况点间运行非常平稳.该结果为实际工程应用提供了一定参考.     

轴流泵装置反转水动力特性研究

为了探究轴流泵装置反转运行条件下的水动力特性,采用试验测量结合数值模拟的方法,对某配有常规单向叶轮的轴流泵装置的反转运行特性进行了研究,分析了轴流泵装置包括反水泵工况、反向发电工况的能量特性和内流特性。结果表明,应用单向叶轮的轴流泵装置进行反转抽水的扬程和效率均较低,高效点的扬程仅为常规泵工况高效点扬程的0.38倍,高效点的效率仅为常规泵工况的0.55倍。反水泵工况下的压力脉动信号成分较为复杂,泵装置出水流道的流态较差,不同流量工况下的叶片非工作面均存在较大范围的回流区。反向发电工况下,最高效率点向大流量偏移,出现在Qd=1.63流量工况,高效区的范围明显增大,达到了泵工况的1.53倍,在大流量工况下仍能维持较高水平的水力效率。反向发电工况下水泵叶片非工作面的极限流线较为平顺,叶片工作面的压力梯度分布较为均匀。研究成果为特殊利用条件下的轴流泵装置的安全稳定运行提供了参考。     

旋壳转速对腔内液体流动特性的效应

为研究旋壳转速对腔内液体流动特性的影响,以试验旋喷泵为研究对象,在高度验证叶轮与旋壳同步旋转试验与模拟结果准确性的基础上,对叶轮转速相同、旋壳转速不同的5个模型采用RNG k-ε湍流模型进行数值计算,分析腔内液体流动特性的变化情况,研究泵的性能.结果表明:旋壳转速增大,液体圆周速度和旋转系数均增大,圆周速度曲线沿径向逐渐形成同心圆,腔内液体做非刚性旋转.腔内液体径向压力梯度增大,压力低于624 kPa时,旋壳转速越高,压力越小;压力高于624 kPa时,旋壳转速越高,压力越大.集流管迎流区涡分布在进口附近,尾迹区涡集中在扩散段结尾处,整体呈增大趋势.旋壳转速增大,泵的扬程升高,但效率降低,通过改变集流管进口直径发现集流管并非效率降低的主要原因,而是由圆盘摩擦损失的增大导致的,圆盘摩擦损失随旋壳转速增加呈3次幂函数式增大,文中最优进口直径为13 mm.     

超大面积比射流泵性能模拟与试验研究

根据工程需求并借鉴传统射流泵的设计方法,设计了面积比分别为57.40和60.05的2种超大面积比射流泵.基于有限体积法,采用Realizable k-ε湍流模型和标准壁面函数法,对这两种面积比的射流泵进行三维数值模拟和结构优化,并得到其优化后的性能拟合方程.模拟结果显示,随着面积比在一定范围内增大,最高效率点右移,最优喉管长度增加.按照优化后的结构参数加工射流泵,将2种出口直径的喷嘴和3种直径的喉管进行组合得到6种面积比射流泵,然后在4种不同工作压力下进行水槽试验.试验结果表明：超大面积比射流泵内部流动同样存在自模性;现有汽蚀流量比的预测理论高估了超大面积比射流泵的汽蚀性能,因此需要对该预测理论进行修正;试验数据与数值模拟结果符合较好,验证了数值模拟的可靠性以及采用数值模拟进行结构优化的可行性.对超大面积比射流泵的研究,拓宽了射流泵的应用范围.     

螺旋离心泵叶片变螺距型线方程

根据螺旋离心泵的结构特点,基于叶片式流体机械内固液两相双流体模型的流速比理论,分析了螺旋离心泵叶片型线的螺距变化规律,推导出固液两相流螺旋离心泵叶片变螺距型线的参数方程.依据给定的设计参数和固相体积分数,采用推导出的叶片型线方程设计出叶片型线,并生成叶片三维模型,叶片表面光滑平整.对该叶片形成的水力模型进行了外特性清水试验,并用该三维模型对固相体积分数分别为5%,10%和15%时的固液两相流动进行了数值分析.结果表明：介质为固液两相流时泵的效率较输送清水介质时有所提高,特别是在设计工况,当固相体积分数等于设计给定值时,泵的效率可提高8.5%;当偏离给定的固相体积分数值时,效率有所降低;在输送固液两相流介质时泵的扬程较输送清水时的扬程有所降低,且随着固相体积分数的增大扬程逐渐降低.     

不同比转数离心泵作透平研究

为了研究不同比转数离心泵用作透平时的差别,应用数值计算的方法对不同比转数的泵进行了研究,分析了泵作透平的效率与泵效率之间的关系,以及泵作透平时的流量、扬程换算系数随比转数变化的规律,并对不同比转数的泵内部功率损失分布进行了研究.研究结果表明:泵作透平的效率通常不高于泵的效率;泵在透平工况下的流量和扬程比泵工况的流量和扬程大,泵用作透平运行时的流量、扬程换算系数随比转数的增加而逐渐减小;功率损失分布分析表明,叶轮内部的功率损失是泵作透平内部主要的功率损失,并随比转数的增大而逐渐增大,因此对泵作透平的优化设计应当集中在对叶轮的研究.     

专用堆型对应的核主泵正反转流动数值模拟

为了研究核主泵在定转速工况下的正反转特性,采用相似换算法,基于SST k-ω 湍流模型与块结构化网格,对缩比系数为0.5 的核主泵模型泵进行数值模拟.定义流量从泵进口流向出口为“+”,反之为“-”.在正转工况下分别对-0.8Q_d到+2.0Q_d流量范围内的16个工况点进行计算、反转工况下对-1.4Q_d到+1.0Q_d流量范围内的14个工况点进行计算,得到其全特性曲线.计算结果表明:在相同流量工况下,核主泵正转时的扬程与转矩总是高于反转时的扬程与转矩,叶轮扬程与泵扬程存在不同的变化趋势;在正转工况下,在 -0.1Q_d到+0.4Q_d流量范围内,叶轮扬程曲线呈现反“N”型变化趋势;在反转工况下,在-0.4Q_d到+0.1Q_d流量范围内,叶轮扬程曲线呈一个明显的“V”型变化趋势;叶轮出口处产生二次流回流现象,这是正转小流量工况下叶轮扬程降低的主要原因,而叶轮与导叶之间过渡段区域内的环形高速带和叶轮流道内的大尺度涡是反转小流量工况下叶轮扬程降低的主要原因.     

射流泵装置性能预测方法

提出了一种射流泵装置性能预测方法,并进行了试验验证.以射流泵试验所得射流泵的流量比与压力比曲线,以及离心泵的流量扬程曲线作为预测初始条件,通过射流泵装置2种吸上高度4.5和9.0 m的性能试验,比较各流量比时装置工况点试验值与预测值精度,发现数值解法整体误差较小,能更好地反映射流泵扬程随流量比变化的情况,但与试验值相比仍存在误差且个别工况点误差较大,需进一步修正.引入预测值与试验值的比值作为修正系数,通过Plackett-Burman试验设计,从吸上高度、面积比、喷嘴直径、流量比、喉嘴距、喉管长径比、泵转速等因子中筛选出对射流泵扬程影响效应显著的面积比及流量比作为修正公式的关键参数,利用遗传算法和公式自动搜索拟合,得到射流泵扬程的计算公式,且相关系数超过0.99.通过射流泵装置在吸上高度为3.5和8.0 m的试验结果比较,表明具有较高的可信度.     

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.