双吸双蜗壳离心泵隔舌处的压力脉动特性

为了研究双吸泵双蜗壳隔舌区的压力脉动特性,采用CFD方法对某一型号双吸双蜗壳离心泵进行不同工况下全流场非定常数值模拟,得到了泵内部流动特性及隔舌区监测点的压力脉动情况,并对其进行压力脉动强度分析和时域、频域分析.计算结果表明:压力脉动强度大的区域主要分布在叶轮出口与隔舌的交界面处,说明叶轮与隔舌的动静干涉作用将引起隔舌处较大的压力脉动;2个隔舌在额定流量下的脉动强度均小于偏离额定工况下的脉动强度,且随着流量的增大,隔舌A处压力脉动强度的分布逐渐变得对称;在额定工况下,2个隔舌区的压力脉动周期性明显,在隔舌A处中间平面上压力脉动频率以2倍轴频为主,两侧以1倍叶频为主;隔舌B处中间平面与其中一侧的压力脉动频率以2倍叶频为主,另一侧则以1倍叶频为主;在1.0Qd和1.2Qd工况下,隔舌A的中间平面上P0的压力脉动频率均以2倍叶频为主,小流量下则以1倍叶频为主,但其幅值变化并不明显,而隔舌B处中间平面上的压力脉动幅值受流量变化影响较大,0.8Qd倍和1.2Qd工况下压力脉动幅值明显增大.     

立式管道泵流动噪声特性与仿生降噪研究

为了研究立式管道泵内部声场特性,减少管道泵运行时的噪声,基于CFD+Lighthill声类比理论对管道泵内部流场与声场进行仿真求解,并借鉴猫头鹰羽毛端部锯齿结构进行仿生优化,以期达到降噪目标。针对0.8Qd、Qd及1.2Qd3个运行工况,选用RNG k-ε模型分别对立式管道泵进行非定常数值模拟,获得3个工况下管道泵内部压力脉动数据。提取非定常计算所得的脉动力,导入声学软件LMS Virtual.lab中进行声场计算,得到各工况下管道泵进、出口声压级、泵体内部的声压分布及主要噪声源分布。结果表明:管道泵内部流动诱导噪声与压力脉动密切相关,主要是由叶轮与泵体的动静干涉引起,其频率特性与压力脉动相似,声压分布集中在轴频、叶频及其倍频,叶频时声压级最大。流量越大,管道泵进、出口声压级越大。基于仿生学原理,参考猫头鹰体表覆羽样本利用相似准则设计仿生锯齿叶片,展开仿生降噪研究,选择齿距、齿宽、齿高3个因素,设计了16组正交试验模型,计算得到各工况下泵内部流场和声场数据。选取最优降噪模型与原模型进行对比分析,结果表明:仿生叶片尾缘锯齿结构能够起到降低压力脉动、稳定流场、降低噪声的作用,其中设计工况下噪声降幅明显,叶频处噪声降低8 d B。     

管道泵流动噪声特性及仿生降噪研究

为了研究立式管道泵内部声场特性,减少管道泵运行时的噪声,基于CFD+Lighthill声类比理论对管道泵内部流场与声场进行仿真求解,并借鉴猫头鹰羽毛端部锯齿结构进行仿生优化,以期达到降噪目标。针对0.8Qd、Qd及1.2Qd三个运行工况,选用RNG k-ε模型分别对立式管道泵进行非定常数值模拟,获得3个工况下管道泵内部压力脉动数据。提取非定常计算所得的脉动力,导入声学软件LMS Virtual.lab中进行声场计算,得到各工况下管道泵进、出口声压级的大小、泵体内部的声压分布及主要噪声源分布。结果表明:管道泵内部流动诱导噪声与压力脉动密切相关,主要是由叶轮与泵体的动静干涉引起,其频率特性与压力脉动相似,声压分布集中在轴频、叶频及其倍频,叶频时声压级最大。流量越大,管道泵进、出口声压级越大。基于仿生学原理,参考猫头鹰翅膀样本利用相似准则设计仿生锯齿叶片,展开仿生降噪研究,选择齿距、齿宽、齿高3个因素,设计了16组正交试验模型,计算得到各工况下泵内部流场和声场数据。选取最优降噪模型与原模型进行对比分析,结果表明:仿生叶片尾缘锯齿结构能够起到降低压力脉动、稳定流场、降低噪声的作用,其中设计工况下噪声降幅明显,叶频处噪声降低高达8d B。     

不同叶片数对离心泵流场诱导振动的影响

为了研究离心泵不同叶片数对振动的影响,在保证泵体和叶轮几何参数不变的情况下,将叶轮叶片数分别设计为6和7,从试验与数值计算2个方面就叶片数对离心泵流场诱导振动进行研究.采用RNG k-ε模型分别对2种叶片数的离心泵进行全流道稳态及非稳态数值模拟,分别获得2种叶片数离心泵的稳态速度、压力及非稳态压力脉动特性,对其进行对比分析,并试验测量了2种叶片数下模型泵机脚的振动信号,对振动信号数据进行了处理,从而验证数值计算结果的正确性及改变叶片数所产生的振动影响.结果表明：6叶片的叶轮及蜗室内各个监测点压力脉动较小,机脚振动在轴频下响应较小;叶片数为7时,轴频的二倍频与叶频的低倍频峰值变大,而叶频的高倍频幅值有所降低.结果对建立低振动低噪声离心泵水力设计方法具有重要的参考意义和指导作用.     

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。     

分流叶片对螺旋离心泵径向力的影响

为了改善单叶片螺旋离心泵叶轮径向力过大的问题,对单叶片叶轮设计分流叶片,并采用Navier-Stokes方程和标准的k-ε湍流模型对带分流叶片和不带分流叶片的螺旋离心泵的内部流场进行非定常数值模拟。通过模拟分别获得了带分流叶片和不带分流叶片的螺旋离心泵的蜗壳出口压力脉动特性以及作用在蜗壳和叶轮上的径向力特性,并对其进行分析比较。结果表明:各个工况下,带分流叶片和不带分流叶片的螺旋离心泵的蜗壳出口压力脉动特性、作用在蜗壳和叶轮上的径向力均呈周期性变化,且主频均为各自叶片通过频率;采用分流叶片后周期变为原模型周期的一半,蜗壳出口压力脉动幅值明显减小,作用在叶轮上的径向力明显减小,作用在叶轮上的径向力的变化趋势关于坐标轴对称性加强,且基本呈椭圆形分布;作用在蜗壳上的径向力虽有小幅提升,但是其脉动幅值减弱,且高频脉动减少。表明单叶片螺旋离心泵叶轮分流叶片的添加不仅可以有效减小叶轮上的径向力,而且对降低蜗壳上的振动特性有一定的积极作用。     

离心泵内部非定常水力激励特性

以单级蜗壳式离心泵作为研究对象,基于RANS法对离心泵内部流场结构进行了三维非定常数值模拟,探讨其内部的非定常流动特征所诱发的压力脉动特性及水力激励力特性,并在叶轮旋转周期过程中重点针对叶轮及其单个叶片的受力情况进行相关分析.结果表明:不同工况下各监测点压力脉动幅值的变化规律具有一致性,静压沿蜗壳周向分布不均匀;在压力脉动频谱图及叶轮径向力频谱图中叶频均占主导地位,而单个叶片激励力则体现为轴频;单个叶片所受径向力大小随流量的增加而增大,小流量工况下单个叶片的受力不均匀性明显,而接近额定工况时各叶片受力较均匀,且相差不大;通过对单个叶片非定常激励力特性的分析可知,小流量工况下由于隔舌附近叶片出口流动分离使得叶片受力变化明显,受射流尾迹影响更为突出.     

双蜗壳离心泵空化流动对隔舌处压力脉动特性的影响

应用数值计算方法分析了双蜗壳离心泵内空化流动影响隔舌部位压力脉动特性情况,以进一步明晰空化流动诱导泵振动噪声机理.采用SST k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对设计工况下的泵内空化流动和无空化流动进行了非定常数值模拟,数值模拟结果表明:SST k-ω湍流模型能准确预测双蜗壳离心泵的能量特性指标;泵内空化的空泡初始产生于叶轮叶片进口吸力面根部,随着装置空化余量的降低,空泡云沿着叶轮叶片吸力面向叶片出口和前盖板方向发展,叶轮内部空泡的发展并不均匀,加剧了叶轮内部流动的不稳定性.对比叶轮旋转一周在空化和无空化流动状态下发现,2个隔舌处各个监测点的压力脉动具有明显周期性,在无空化状态下,隔板进口处监测点的压力脉动主频为2倍叶频,其他监测点压力脉动主频均为叶频;空化状态下2个隔舌处各个监测点的压力脉动主频均为叶频,压力脉动幅值明显增大.     

分流叶片长度对离心泵压力脉动及径向力的影响

针对低比转速离心泵,设计0.55 D2、0.65 D2、0.80 D2(D2为长叶片外径)3种长度分流叶片,建立分流叶片离心泵三维全流场模型,通过非定常数值模拟对比分析3种分流叶片长度离心泵压力脉动特性,以及作用在叶轮和蜗壳上的径向力特性。研究结果表明:带分流叶片离心泵内流场压力脉动呈主要波动周期和次要波动周期;蜗壳上的径向力远大于叶轮上的径向力;随着分流叶片长度增加,压力脉动幅值和径向力先增大后减小,0.65 D2方案压力脉动和径向力均小于0.55 D2和0.80 D2方案。分流叶片长度过短或过长都不利于减小压力脉动和径向力。     

前后盖板长度对离心泵外特性与非定常特性的影响

为了研究前后盖板保留长度对离心泵外特性以及非定常特性的影响,以一台比转速为80的离心泵为研究对象,在切削叶轮的叶片外径保持不变的情况下,对比了不同前后盖板直径(168、174和180 mm)对外特性、径向力和压力脉动的影响。通过对离心泵进行全流场非定常计算发现,各流量下扬程、效率均随前后盖板保留长度的增加而增大,扬程最大相差2.14 m,效率最大相差3.5%;在设计工况下,3种方案下的径向力呈周期性变化,矢量图呈五芒星分布,前后盖板保留得越多,径向力越大;由于叶轮与隔舌动静干涉的作用,蜗壳内各监测点压力脉动的主频均为叶频,随着叶轮与蜗壳间间隙的减小,隔舌处的压力脉动在叶频处基本保持不变,其倍频逐渐增大,第二断面的压力脉动系数幅值也逐渐增大。     

叶片布置方式对双吸离心泵径向力的影响

为研究叶片布置方式对双吸离心泵径向力的影响,在其他外部因素不变的情况下,对3种叶片布置方案的离心泵进行非定常模拟计算,结果表明:较对称布置方案,采用交错30°布置的叶片能够有效提高离心泵的扬程,采用交错15°布置的叶片对离心泵扬程具有消极影响.同时,采用交错布置方案会导致离心泵的效率下降;在设计工况下,与对称布置方案相比,叶片采用交错布置能够有效降低离心泵内的压力脉动水平,且交错角度越大,压力脉动水平降低的越明显.叶片采用交错布置能够有效降低作用在叶轮上的稳态径向力的大小,其中采用交错30°布置方案在1.1Q_d工况下稳态径向力相对降低42.284%.最后,叶片采用交错30°布置对改善叶轮所受瞬态径向力的脉动特性与幅值大小的效果最为明显.     

离心泵间隙对压力脉动及径向力的影响

针对采用超厚叶片的离心式无过载潜水排污泵非定常流动所引起的蜗壳流道内的压力脉动及壁面受到的径向力的问题,基于标准k-ε湍流模型和SIMPLE算法,研究了间隙对压力脉动及径向力的影响.设计了基圆直径D3分别为390,435,460 mm的3种计算模型,通过对3种模型进行非定常计算,得到由于间隙的变化导致的隔舌处压力脉动的特性及蜗壳壁面所受径向力的变化规律.计算结果表明：由于叶片和隔舌的动静干涉作用,蜗壳流道内各监测点的压力脉动及壁面所受径向力的变化具有明显的周期性;蜗壳内各监测点压力脉动的主频均为叶片通过频率;在相同流量下,间隙越小,压力脉动越剧烈,主频处的脉动幅值越大;同一计算模型,随着流量的增大,在一个旋转周期内蜗壳壁面所受到径向力的平均值先减小后增大;与原始方案相比,在相同流量下,间隙增大或减小,径向力的平均值均会增大.     

大型双吸离心泵叶轮动应力特性

基于顺序流固耦合理论,以双吸泵内部非定常流场信息作为力学边界条件,采用有限元方法,对一台大型双吸离心泵叶轮进行了瞬态动力学分析。主要考察了5个流量工况(0.6Qd、0.8Qd、Qd、1.1Qd、1.2Qd)下的叶轮动应力特征。结果表明,在不同流量工况下叶轮表面动应力分布趋势基本相似,最大应力点出现在叶片进口或出口边靠近前盖板的根部区域;在小流量(0.6Qd)工况下,动应力水平最高;叶片动应力随时间呈周期性变化;动应力频率成分主要为叶轮转频及其谐频。     

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.     

叶轮直径对双蜗壳离心泵压力脉动特性的影响

为分析叶轮直径对双蜗壳离心泵压力脉动特性的影响,采用SST k-ω湍流模型和SIMPLEC算法对不同叶轮直径下的双蜗壳离心泵进行数值计算,将外特性参数试验结果与计算结果进行对比。研究表明,离心泵外特性参数(扬程H与输出功率P)随直径变化是等梯度的,并且计算值与试验值基本吻合;小流量工况下压力脉动幅值高于其他流量工况,叶轮直径变化会使叶片弯曲度发生改变,受动静干涉以及射流-尾迹的影响会出现脉动叠加现象,从而在叶片通过频率的倍频处(3fBPF或4fBPF)产生高幅值脉动;隔舌区域流动混合现象最为明显,且除D^2/D2=1(模型3)以外,隔舌位置处的压力脉动峰值均出现在叶片通过频率处。对于所选取的模型,除过隔舌区域监测点之外的其他监测点处压力脉动峰值处的脉动幅值随叶轮直径增大逐渐增大,且最大幅值波动达到23.8%。叶轮直径变化时射流-尾迹与动静干涉作用对离心泵内部压力脉动特性有重要影响。     

双吸泵系统开阀过程瞬态特性数值模拟

采用SST-SAS湍流模型,对一双吸离心泵闭式系统中泵启动和阀门开启两阶段的瞬态流动进行非定常数值模拟,研究了瞬态扬程、蜗壳内压力脉动及叶轮径向力等瞬态特征的变化规律。结果表明:泵启动阶段的瞬态扬程预测值与试验结果吻合良好;与稳态计算结果相比,瞬态开阀过程流动模拟所得扬程预测值与试验结果更为接近;不同开阀时间对泵的瞬态特性有重要影响,随着开阀时间增加,泵的瞬态流量明显增加,瞬态扬程变化不大;开阀过程中,蜗壳上各监测点的压力脉动呈周期性变化,其频率主要为叶片通过频率,蜗壳隔舌处压力脉动幅值变化最为剧烈;叶轮径向力随阀门开度增加而减小,在叶轮旋转周期内,叶轮径向力呈现以叶片通过频率为主频的周期性变化规律。     

基于流固耦合的离心泵蜗壳振动特性优化

针对具有超厚叶片的离心泵叶轮与蜗壳匹配问题,采用双向耦合方法对3种蜗壳结构产生的振动位移和振动速度进行了数值模拟。计算结果表明,由于叶轮与隔舌之间的流场动静干涉作用,蜗壳受到交替的激振力作用,在不同时刻振动位移和振动速度分布呈周期性变化;蜗壳基圆直径与叶轮直径的比值D3/D2对蜗壳振动有明显的影响,当D3/D2≤1.013时,超厚叶片出口压力诱导蜗壳振动强烈;当D3/D2逐渐增大时,蜗壳振动明显减弱。在设计工况下,方案A（D3/D2=1.013）振动位移最大值为4.288×10-6m,振动速度最大值为8.547×10-4m/s;方案C（D3/D2=1.19）振动位移最大值为2.923×10-6m,振动速度最大值为5.253×10-4m/s;优选方案B（D3/D2=1.13）的振动最小,其位移和速度最大值分别为2.56×10-6m和4.823×10-4m/s,仅约为方案A的60%。该结果也验证了径向力的作用规律与蜗壳振动特性的直接关联性。     

叶顶间隙对诱导轮内部流动特性的影响

为研究不同叶顶间隙值对诱导轮内部流动特性及非定常特性的影响,采用ANSYS CFX软件,基于SST k-ω湍流模型对某高速离心泵在3种不同诱导轮叶顶间隙率(0.01、0.02、0.03)下进行内部流场数值模拟。分析诱导轮内部流动特性、0.6Qd流量工况下轴向截面压力脉动以及诱导轮所受径向力。结果表明:适当增大叶顶间隙对泵的扬程和效率影响较小,但可以减弱壁面射流,改善诱导轮叶片进口压力分布,提高其空化性能。叶顶间隙对诱导轮进口处压力脉动影响较大,对诱导轮中后段处压力脉动影响较小。对本文模型而言,0.6Qd流量工况下叶顶间隙率增加至0.03时,径向力分布情况最好,说明适当增加叶顶间隙有助于减小和平衡小流量工况下诱导轮所受径向力。     

偏置小翼对离心泵压力脉动及尾迹结构的影响

为研究离心泵叶轮叶片尾迹对压力脉动的影响,以一台低比转数离心泵为研究对象,运用DDES(delayed detached eddy simulation)方法,开展了泵内精细非定常数值计算,对比了普通叶轮、翼型叶片叶轮和偏置小翼叶轮这3种方案下的泵压力脉动频谱特性及尾迹涡结构.结果表明:偏置小翼叶轮可明显提升泵的扬程,设计工况附近效率高于其他2种方案,且高效区变宽;与普通叶轮相比,偏置小翼方案叶频处压力脉动幅值大幅降低,特别在隔舌附近叶频幅值下降43%,且低频范围内脉动能量亦得到抑制;受到偏置小翼尾迹干涉的影响,叶轮叶片尾迹高涡量区域明显减小,涡量平均强度减弱,这是压力脉动幅值降低的主因.因此,偏置小翼可有效抑制叶轮叶片尾迹涡从而降低泵压力脉动能量.