基于流固耦合的灯泡贯流泵叶轮强度分析

采用RNG k-ε湍流模型及SIMPLEC算法,对灯泡贯流泵装置内部三维流场进行全流道湍流数值模拟.采用顺序耦合方法,应用ANSYS Workbench软件,对叶轮进行结构静应力数值分析,并通过试验进行对比验证.结果表明：通过数值模拟与原型泵试验得到两者外特性曲线的变化趋势大致相同;工作面静压整体上较背面高,叶片背面进水边靠近轮缘位置出现局部低压,易发生空化;叶轮强度主要受离心力和流体压力的影响,且两者共同作用下的最大等效应力和最大总位移远小于两者单独作用的值;叶轮最大等效应力随流量的增大而增大,最大总位移随流量增大呈先减小后增大的趋势,最大等效应力出现在叶片出水边与轮毂交接处,叶轮变形的总位移随叶轮半径的增大而增大,最大变形量出现在叶片出水边靠近轮缘位置;强度校核结果表明,叶轮强度符合要求.计算结果可为灯泡贯流泵的应力特性分析提供参考.     

基于双向流固耦合的核主泵叶轮力学特性

基于双向流固耦合方法对核主泵内流场和结构场进行联合求解,研究流固耦合作用下核主泵叶轮的力学特性,分析经流固耦合作用后叶轮总体、叶片进出口边及叶根在各流量下的应力及变形分布.研究结果表明流固耦合作用对主泵外特性有一定影响且耦合后结果更接近试验值;随着流量的增加,叶轮前盖板处应力分布均匀性有所降低,而叶轮的最大等效应力均发生在叶轮叶片出口边与叶轮前盖板交界处,在交变载荷的作用下容易产生疲劳破坏.叶轮的最大的变形发生在叶轮叶片出水边的中部,叶轮的最大变形量随着流量的增加而增大.叶根的进出口边处易出现应力集中现象,说明叶片进出口边对液流的压力载荷及动静干涉作用极为敏感,在叶轮水力及结构设计时应予以足够重视.研究结果为核主泵以后的性能分析、叶轮的结构设计、维护和检修提供了有益参考.     

贯流泵内部湍流流动及叶轮流固耦合特性

基于RNG k-ε湍流模型,应用Ansys Workbench软件,对前置竖井式贯流泵内部湍流流动和结构静应力进行数值分析．模拟显示不同工况下泵的外特性曲线和试验值总体变化趋势一致,模拟的扬程比试验值稍高,效率稍低,但误差都保持在10％内;除出水流道隔断前部外,贯流泵整个流道流态均匀;出水流道前段的螺旋线分布的流线表明,水流在经过导叶后存在未回收的速度环量;在设计工况下,压力最小值出现在吸力面靠近进口边,此处最易导致空化．进一步采用单向流固耦合方法,对叶轮在不同工况下的静应力和总变形量进行分析,结果表明:设计工况下,叶轮的最大等效应力出现在叶片压力面和轮毂相交处,叶轮变形的总位移随着半径增大而不断增大,最大变形量出现在轮缘附近．计算结果将为贯流泵的优化设计提供一定参考．     

双蜗壳离心泵的流固耦合分析

对一比转数为109的双蜗壳离心泵进行了同时考虑叶轮和蜗壳结构场的双向流固耦合分析,分析了流固耦合作用对泵外特性和内流场分布的影响以及不同时刻泵的结构场的结构变形与等效应力的分布。研究发现,考虑流固耦合作用后数值计算得到的平均扬程预测精度提高了0.7%;流固耦合作用对叶轮的内流场影响小,对蜗壳螺旋段的压力分布和扩散段的速度分布影响较大;不同时刻泵结构场的变形分布有较大差异,但等效应力分布的差异较小;当叶片正对蜗壳隔舌时,结构变形和等效应力都达到了最大值。     

蜗壳结构对高温熔盐泵转子运行稳定性的影响

为了研究蜗壳结构对熔盐泵输送高温介质时转子运行稳定性的影响,设计了相同运行工况条件下的单蜗壳、双蜗壳双出液管结构的2种熔盐泵.利用ANSYS 软件对2种蜗壳结构熔盐泵的内部流场进行了非定常数值模拟,并分析了转子部件上的温度分布;将流场和温度场的计算结果同时加载到转子部件上,进行叶轮和轴上的流热固耦合分析,探讨了2种结构熔盐泵转子部件的应力、变形量和模态.结果表明:双蜗壳结构可以减小叶片表面的压力载荷,提高叶轮表面压力分布的对称性;单蜗壳熔盐泵叶轮和轴的最大变形量较大;而且单蜗壳熔盐泵转子部件在不同旋转角度下最大变形量变化较大,相比于单蜗壳熔盐泵转子的等效应力,双蜗壳熔盐泵叶轮的最大等效应力较大,但双蜗壳熔盐泵泵轴的最大等效应力较小;2种蜗壳结构流场条件下,转子部件运行时均满足结构强度要求.     

高温熔盐泵转子系统应力与模态的数值模拟

为了提高太阳能光热发电系统高温多级熔盐泵的运行可靠性,基于流固热多场耦合理论系统对熔盐泵在极端高温工况下的结构应力进行研究,对比分析高温转子系统在无预应力和有预应力(流场、质量力和温度载荷)作用下的模态特征.研究结果表明:熔盐介质的密度和黏度对外特性影响较小,清水测试结果可作为高温熔盐泵运行性能的参考;随叶轮级数增多,各级叶轮温度整体升高,且叶轮的温度变化呈中心对称分布,叶轮最高温度随流量减小整体上升;叶轮受到的主要应力来自流场与质量力载荷,且分布具有对称性;在叶片与盖板交线处有应力集中现象,在叶片尾缘处应力大幅上升至60.000 MPa以上;温度是引起叶轮变形的首要原因,随温度升高,叶轮变形量增大;转子结构的固有频率在有预应力下比无预应力时有较大程度提升,上升幅度为109%~498%,各阶振幅没有明显规律;熔盐泵临界转速值均偏离泵额定转速,避免了转子系统在运行中发生共振.研究结果可为高温熔盐泵设计开发提供一定的理论依据.     

双向轴流泵流固耦合动力特性分析

轴流泵作为低扬程泵装置的核心部件广泛应用于沿江沿海地区,其稳定性直接影响到整个泵装置的安全运行。因此,需要对轴流泵进行动力学特性分析保证泵装置的稳定运行。双向轴流泵作为一种新型轴流泵,兼顾排水与灌溉功能,采用双向叶轮。由于结构的特殊性,导致双向轴流泵动力特性有别于一般情况,需要对其进行详细研究。模态分析是一种动力学特性分析的方法,可以有效确定转子的固有频率与振型,防止共振的产生。采用WORKBENCH和APDL命令流耦合的方法对双向轴流泵进行湿模态分析。结果表明:预应力对转子固有频率影响较小;各模态阶数下的湿模态固有频率均低于干模态固有频率;在某些模态阶数下,叶轮叶片数,叶轮轮毂直径与材料属性对转子固有频率有明显影响。研究结果可以为双向轴流泵的结构优化设计与动力学分析提供一定的参考。     

流固耦合作用下斜流泵转子动力学特性研究

为了研究斜流泵转子系统的动力学特性,以某型号的斜流泵作为研究对象,采用计算流体力学软件CFX 2021R1和有限元分析软件ANSYS Workbench 2021R1平台,对斜流泵转子系统的干湿模态固有频率和振型、临界转速以及基于流固耦合的瞬态动力学进行了求解,研究了叶轮叶片不同位置的变形与应力分布,对比分析了不同流量工况对叶轮叶片变形与应力分布的影响。结果表明：湿模态下转子固有频率会下降,同时随着阶数的增加,固有频率下降程度逐渐明显,第3阶模态时下降程度最小,下降率Δf为9.82%,第6阶模态时下降程度最大,下降率Δf为44.31%。计算所得第2阶模态的临界转速为7.369r/min,远大于转子工作转速,说明转子系统在工作转速下运行时不会发生共振,符合转子动力学的设计要求,能够稳定运转。叶轮叶片背面与工作面总变形量的变化趋势和变形量基本一致,叶片工作面出口叶顶位置变形量最大,幅值达到2.6755mm,各个位置处工作面变形量都大于背面,最大变形量差值为0.0358mm,叶顶处变形量都大于叶根处,最大差值为1.0177mm;叶片工作面进口叶顶处与背面处应力变化趋势和应力幅值大致相似,叶片工作面进口叶顶处与出口叶根处应力幅值都大于相应背面处,而在叶片背面出口叶根处应力幅值大于工作面处。叶片出口处测点应力幅值明显大于进口处测点,叶片背面出口叶根处等效应力最大,最大幅值约6MPa。不同流量工况下叶片变形量的变化趋势相似,随着流量增大,叶轮叶片各位置处变形量逐渐减小。0.6Q时叶片变形量随时间变化波动最大,最大变形量为3.0672mm,出现在叶片出口叶顶位置;在叶片叶顶处,随流量增大,应力波动逐渐减小,叶片叶根处,Q时应力幅值波动最大,进口与出口应力波动最小处分别出现在0.6Q与0.8Q流量工况,各位置最大等效应力为12.456MPa,叶根处每一个应力波动结束后,0.6Q与0.8Q应力曲线会额外多一次小波动,因此应避免泵在小流量工况下运行,并且应加强叶轮叶根处叶片厚度。研究结果可以为斜流泵转子系统运行稳定性分析以及叶轮叶片的结构优化设计提供参考。     

竖井贯流泵装置马鞍区流动特性分析

为了分析竖井贯流泵装置马鞍区工况的流动特性,基于流体计算分析软件Fluent对某一典型竖井贯流泵装置开展内流场数值模拟,在验证了计算结果准确性的情况下,对比分析了不同工况下叶轮内部的流动状况,研究了叶轮旋转对进水流道出口断面流态的扰动状况以及叶片表面静压分布情况。结果表明:泵装置设计流量下运行平稳,设计合理,在设计流量54%～63%的范围内存在运行不稳定马鞍区;设计工况下叶片表面静压分布均匀,从1.0 Q至0.54 Q,叶片表面高压区从叶片进口边向整个叶片外缘扩散;随着流量的减小水泵内部逐渐出现回流,马鞍区工况时叶片背面靠近轮毂、轮缘处出现较大范围漩涡与回流;小流量下,进水流道水流跟随叶轮旋转,形成与叶轮旋转方向一致的漩涡,并且水流还会撞击壁面形成回流。     

轴伸贯流泵叶轮叶片应力改善有限元分析

为计算分析轴伸贯流泵叶轮叶片根部加厚后的应力分布情况,采用计算流体力学软件CFX,基于雷诺时均N-S方程和SST k-ω湍流模型对某轴深贯流泵装置全流道三维定常不可压湍流流场设计工况进行了数值模拟。借助ansys workbench平台,将稳态流场数值模拟所得叶片表面静压力作为叶片有限元计算的载荷边界条件,得到四种根部不同加厚厚度的叶片在设计工况下的等效应力与总变形分布。研究结果表明:通过出对叶片根部应力集中区域的加厚,可以缓解此处应力集中并减小最大等效应力,从而抑制和预防叶片根部裂纹的产生。而叶片根部的加厚对叶轮叶片总变形并无太大影响,同时提出了一种叶轮叶片根部连接叶片轴处的加厚方法。研究结果为同类型水泵叶轮结构设优化计和安全稳定性研究提供参考。     

双向潜水贯流泵装置水力模型研究

基于常规潜水轴流泵的结构组成双向贯流泵装置 ,双向抽水功能通过潜水泵整体掉头和采用双向叶轮这两种方式来实现。通过模型试验掌握导叶和流道结构尺寸对潜水贯流泵装置水动力性能的影响。研究表明 ,这两种双向贯流泵装置的性能均优于目前常用的井筒式装置 ,特别是双向叶轮潜水贯流泵装置具有结构简单、维护管理方便的优点 ,适合于低扬程双向泵站使用。     

基于流热固耦合的高温熔盐泵转动系统结构应力分析

基于ANSYS Workbench平台开展高温熔盐泵转动系统的结构应力分析,采用计算流体动力学软件CFX对泵内部全流场进行多工况定常数值计算,并通过试验对计算结果进行验证.综合考虑了高温熔盐泵的水动力载荷、离心力载荷、温度载荷等因素,建立了流、热、固耦合作用下动力学模型,研究不同温度下不同材料属性变化对高温熔盐泵结构性能的影响,并对高温熔盐泵转子部件进行应力分析.结果表明:在同一流量工况下,不同材料的叶轮叶片最大变形量均呈随温度的升高呈先增大后减小的趋势;同时,不同材料的叶轮形变程度基本趋于稳定,受流量影响不大;叶片工作面应力值大于叶片背面应力值,且不同温度工况下不同材料的叶轮背面应力值呈线性递减的趋势;叶轮等效应力最大位置主要集中在叶轮出口处叶片和前、后盖板接触的区域;经过变形及强度综合分析,表明3种不同的不锈钢材料中316L材质的叶轮力学性能最好.研究结果可为高温熔盐泵的结构设计提供一定参考.     

灯泡贯流泵机组支撑形式比较

为了优化贯流泵机组支撑结构,提高其综合性能,将贯流泵机组支撑划分为主轴系轴承座支撑、灯泡体支撑和泵体支撑3个层次．研究了3种典型贯流泵机组的支撑形式;通过受力分析,计算了主轴变形和疲劳强度安全系数;从泵机组可靠性、安装维修性、总体结构和泵装置水力性能等方面,比较了几种支撑形式．从主轴轴承数量、布置及安装、灯泡体支撑和泵体支撑等方面,提出了灯泡贯流泵机组支撑的设计原则和方法．结果表明：灯泡贯流泵机组支撑形式不但影响可靠稳定性能和安装维修性能,还严重影响系统水力性能．电机转子和水泵叶轮挠度分别为0．19～0．39mm和0．22～0．62mm,滑动轴承和滚动轴承油膜厚度分别为0．41～0．53mm和0．12～0．17mm：为了保证运行时电机空气间隙和水泵叶片间隙均匀,导轴承座安装高程应考虑转子和叶轮的挠度以及导轴承的油膜厚度．合理布置导轴承,灯泡体采用辐射板支撑,进人孔与灯泡体底部主支撑合用,采用金属管泵段式结构,可以提高灯泡贯流泵机组的可靠性能和水力性能．结果对灯泡贯流泵机组的优化设计具有参考价值．     

基于双向流固耦合的混流泵叶轮力学特性研究

基于双向同步求解方法对混流泵内流场和叶轮结构响应进行联合求解,研究流固耦合作用下混流泵叶轮转子的力学特性。流场计算采用雷诺时均方法和标准k-ε湍流模型,结构响应采用弹性体结构动力学方程。通过对比分析流固耦合前后流道内不同位置压力监测点的压力脉动、外特性变化,研究流固耦合作用对混流泵流场的影响,并基于双向流固耦合分析了叶轮叶片的变形与动应力分布。研究结果表明,流固耦合作用对导叶出口处压力脉动幅值影响较大,耦合后扬程和功率波动幅值有所增加,而效率有所下降。考虑流固耦合作用,叶片最大变形发生在叶片出口边背面靠近轮缘处,最大变形量约为0.062 7 mm;最大等效应力发生在叶片背面靠近轮毂出口边附近,最大等效应力约19.85 MPa;采样点耦合动应力呈现周期性变化,轮缘与轮毂上动应力幅值相差3个数量级,轮毂处相比其他位置更易发生疲劳破坏。研究结果为混流泵叶片的结构设计和可靠性分析提供了参考依据。     

灯泡式贯流泵空化流的数值研究和性能预测

采用RNG k-ε湍流模型、完全空化模型对低扬程灯泡式贯流模型泵设计工况下的空化流动进行全流道数值计算,并预测其汽蚀性能曲线.选择包括空化开始出现、临界汽蚀余量点、空化严重时6个工况比较分析贯流泵内部空化流动的发展情况.计算获得了不同汽蚀余量时灯泡式贯流模型泵叶轮叶片吸力面静压、气体体积分数分布以及不同轴截面上的气体体积分数分布.计算结果表明:在给定的计算流量条件下,空化发生初期,空化发生在叶轮叶片吸力面的进口边,随着有效汽蚀余量的降低,预测了叶轮流道内的空化区域的演变,这些现象将会影响贯流泵的能量特性;在给定流量的其他空化条件下,当汽蚀余量为0.81 m时,Z=-20 mm横截面上的气体体积分数超过10%的区域占据了Z=-20 mm横截面进口流道的1/3,此时大量气泡严重堵塞叶轮流道.该灯泡式贯流泵空化流动的所有计算成果都可以被用来优化贯流泵的水力与结构设计.     

特大流量潜水贯流泵叶轮水力设计优化研究

针对Q=100 m³/s的特大流量潜水贯流泵装置,对叶轮叶片及导叶进行水力设计,基于正交试验方法进行优化,对最优泵装置方案进行CFD计算,探究机组外特性,并对导叶出口边齐平与不齐平的两种导叶安放型式机组水力性能参数进行了对比分析。研究结果表明：叶轮轮毂比为0.4,叶片数为4,导叶数为6时,泵装置的效率最高,泵装置的最高效率为80.52%;1.0Q_d工况下泵装置扬程为2.73 m,效率为74.68%;0.87Q_d工况下泵装置扬程为4.50 m,效率为80.14%;1.12Q_d工况下泵装置扬程为0.45 m,效率为23.77%;从扬程、效率、导叶段水力损失等参数,得出不齐平的导叶出水边安放型式机组水力性能更优。针对叶轮和导叶的造型方法及正交试验与CFD计算组合的优化方法均提高了水力优化工作效率,适于推广应用,研究成果对低扬程特大流量水泵开展的计算分析工作也为潜水贯流泵大型化发展提供了一定的水力性能参考。     

潜水式贯流泵导叶特性非定常流场的数值模拟

采用RNGk-ε湍流模型和滑移网格技术,对无导叶、直导叶、弯导叶潜水式3种不同方案下的贯流泵进行非定常数值模拟,得到了不同工况下监测点的压力脉动情况。研究表明:3种方案下潜水式贯流泵的有效扬程相差不大,弯导叶式贯流泵的效率较高,且具有较好的出口速度流线分布规律;3种不同方案均在叶片进口处压力脉动幅值最大,导叶整流作用减小了由叶轮旋转产生的压力脉动,且导叶形状不同相应的压力脉动也不同,弯导叶的整流效果较好。     

潜水轴流泵结构动应力分析

采用CFX 和Workbench软件在多工况下对潜水轴流泵的转子部件进行耦合计算,分析了转子部件在流体作用力、离心力以及重力作用下的应力、应变的分布规律,指出转子部件由于变形过大以及强度不足而引发失效事故的可能性.结果表明:轮毂受到的轴向力方向与叶轮受到的轴向力相反,且其受到的轴向力随着流量的增大而增大,在大流量情况下,轮毂可起到平衡轴向力的作用.从径向、轴向和周向变形可以看出,径向变形极小,周向变形最大,是叶轮的主变形,说明了扭矩在整个变形中占据了主要作用.叶片背面的压力值明显低于工作面,在叶片工作面靠近进口侧轮毂处附近区域出现较高应力区,会产生应力集中现象,且随着流量的增大,主应力减小.对水泵进行静力结构分析、强度校核,不仅可以降低事故的发生率,而且可以为轴流泵的水力优化设计提供有力的参考.     

扩散导叶对贯流泵装置性能影响

贯流泵装置中扩散导叶的叶片数是影响其装置水力性能的一个因素,故有必要对其进行计算和分析.通过CFD方法对配有不同导叶体的灯泡贯流泵装置内部三维流动进行了全流道数值模拟计算,获得了5种不同方案（4片、5片、7片、8片导叶和改进后的5片导叶）下贯流泵装置水力性能以及导叶段的水力损失,分析了不同导叶叶片数和叶片形状对贯流泵装置外特性的影响.结果表明,导叶体内的水力损失基本上随着导叶叶片数的增加而增大,而泵装置的效率不完全符合这一规律;采用5叶片导叶方案的泵装置效率较高,且内流场的压力和流速分布较为均匀;改进后的5叶片导叶体内的水力损失最小,泵装置效率最高,提出了对确定叶轮的最佳导叶叶片数的匹配.     

带分流叶片水泵水轮机转子强度及模态分析

以带分流叶片的水泵水轮机为研究对象,基于CFD与FSI方法分析其泵工况下转子的振动特性,对3种开度即小开度9.8°、最优开度17.5°和大开度24.8°下的流场进行数值模拟,将额定工况下的流场结果导入转子结构实现单向流固耦合,对带预应力的转子模型进行形变与等效应力分析.此外,还计算了转轮的干湿模态,对比分析了不同条件下转轮的振动特性.结果表明:不同开度对应的预应力下转轮形变与等效应力分布规律相似,转轮形变主要发生在上冠低压侧.按ND(节径数)在转轮圆周方向划分振动扇区描述振型规律时发现,各扇区内转轮上冠、下环低压侧的振幅较大.湿模态下水介质对转轮振型影响不大,但会明显降低转轮的振幅.预应力对转轮固有频率影响较小,可忽略不计,但在湿模态下,转轮固有频率会显著下降,这表明分析结构振动特性时应充分考虑水介质作用.