轴流泵叶顶泄漏涡与垂直涡空化特性

该文利用高速摄影和压力脉动测量结果,以某一模型轴流泵为研究对象,研究了轴流泵叶顶涡空化机理,探讨了不同流量、不同空化数下的叶顶空化形态及垂直空化涡发展的瞬态特性,分析了叶顶空化形态与压力脉动结果之间的关系。试验结果表明,小流量(0.6~0.8)Qopt(Qopt=365 m3/h)工况下,更易空化初生且叶顶空化形态更不稳定,随着空化数的降低,叶顶空化更加剧烈;垂直空化涡自叶顶三角形云状空化尾缘脱落,垂直于叶片压力面向相邻叶片移动,造成流道堵塞,影响泵的水力性能。随着流量的降低,垂直空化涡初生点向叶顶尾缘移动;减小空化数,其尺度与强度增大。压力脉动与空化结构图像对比表明,叶片吸力面为传感器所在圆周压力最低处。叶顶空化区为低压区范围,在大流量1.2Qopt工况下,叶顶泄漏涡涡带为狭长的低压区。随着流量与空化数的降低,叶顶泄漏涡与叶顶相连形成三角形空化云,形成较大范围的低压区。垂直空化涡的脱落使得云状空化面积减小,低压区范围减小。垂直空化涡向相邻叶片压力面移动中,与脱落的叶顶泄漏涡尾缘混合作用,使压力回升过程中产生波动。空化结构对轴流泵叶轮叶顶区压力具有重要影响。     

不同湍流模型在轴流泵叶顶泄漏涡模拟中的应用与验证

为寻求一种经济、适合的湍流模型模拟轴流泵叶顶泄漏涡的结构和运动特性,该文基于ANSYS CFX软件平台,优化了六面体网格拓扑结构,比较了标准k-ε湍流模型（standard k-ε）、重正化群k-ε湍流模型（renormalization group k-ε,RNG）,标准k-ω湍流模型（standard k-ω）和SST k-ω湍流模型（shear stress transport）等4种湍流模型在轴流泵叶顶泄漏涡模拟中的计算精度和叶顶泄漏涡流场特征。数值模拟和试验结果表明,在最优工况下,SST k-ω湍流模型预测外特性曲线与试验曲线吻合较好,扬程误差为4.688%,较其他3种湍流模型准确;4种湍流模型计算的叶顶泄漏涡流线、叶顶区压力场和轴面速度场分布规律相似,但RNG k-ε和SST k-ω湍流模型计算的涡卷吸较强,涡带的旋涡强度相对较大。基于旋涡强度提出了一种对叶顶泄漏涡的涡心进行识别的方法,并与高速摄影拍摄的涡带结果进行了对比,在设计流量工况和大流量工况下,发现SST k-ω湍流模型计算的叶顶泄漏涡运动轨迹与试验结果吻合度较好,验证了SST k-ω湍流模型在轴流泵叶顶泄漏涡模拟具有较好的适用性。     

轴流泵小流量工况条件下叶顶泄漏空化特性

为了研究轴流泵小流量工况下叶顶泄漏涡的空化问题,该文以TJ04-ZL-02轴流泵水力模型为研究对象,基于修正的空化模型和SST k-ω湍流模型,分析了叶顶间隙泄漏涡的空化特性。数值计算结果表明,叶顶间隙内泄漏流在工作面拐角处产生分离涡空化,其与叶顶泄漏涡空化共同构成轴流泵的初生空化;在同一空化数下,不同叶片弦长系数的截面空化情况不同,随着弦长系数的增加,叶顶泄漏涡的空化区域和空泡体积分数逐渐增大。随着空化数减小,叶顶泄漏涡的卷吸区也出现空泡团,并与涡带连成一片形成空泡云。在小流量工况下,叶顶区工作面和背面压差较大,间隙轴向速度均出现矢量负值。高速摄影试验结果表明,在小流量工况下,随着空化数的降低,空化现象率先出现间隙内部,接着空化程度不断增加,泄漏涡导致的空泡急剧增加,形成的空泡云在叶片尾部区域发生爆破。当空化数为σ=0.187～0.232时,空泡布满了叶片背面,且叶顶区的空泡在轴向厚度增大,且在叶片后缘出现了明显的空泡脱落现象。     

端壁开缝改善轴流泵驼峰的机理

为了探索可有效抑制轴流泵特性曲线驼峰区的方法,该研究针对某轴流泵开展端壁沿轴向开缝的数值模拟研究,分析缝数目、缝长度和缝角度对轴流泵性能的影响规律,结合全通道非定常模拟揭示端壁开缝对轴流泵驼峰区的改善机理。研究结果表明,端壁开缝能够有效抑制轴流泵的驼峰现象,失速工况的扬程和效率分别提高了83.5%和8.13%。增加缝的数目和缝长可提高开缝抑制驼峰的能力,但缝过长会降低设计工况的效率,在一定范围内增加缝的径向倾角有利于驼峰区的改善,但不宜超过45°。在驼峰工况区,叶顶泄漏流呈旋涡状向叶轮进口方向发展,与来流共同作用堵塞叶顶通道,导致叶顶区域扬程突降。在叶片正背面压差作用下,缝内建立的喷射与抽吸的流动循环可使相对液流角在0.9倍相对叶高处以上部分明显降低,最大降幅62°,平均泄漏强度降低41.4%,叶顶中部附面层厚度降低18 mm,有效抑制由叶顶泄漏涡与主流相互作用造成的堵塞,并可削弱叶顶部位由叶顶泄漏涡等二次流诱发的压力脉动,是改善轴流泵驼峰区以及提升小流量工况效率的原因。端壁开缝具有改善轴流泵驼峰的巨大潜力。     

不同叶顶间隙对斜流泵性能影响的数值分析

斜流泵具有高效,启动特性好,运行工况宽等特点。目前斜流泵设计时,无法定量评估叶顶间隙对性能影响的敏感性。为了揭示不同叶顶间隙值对斜流泵内部流场和性能的影响,给定叶顶间隙选取的范围。分别选取无叶顶间隙和叶顶间隙分别为0.5,1.0,1.5 mm共4种设计方案的斜流泵为对象,基于剪切压力传输模型(shear stress transport,SST k-ω)湍流模型,SIMPLEC算法与块结构化网格,对斜流泵内部流场进行数值模拟和试验验证。结果表明,叶顶间隙为0.5 mm时,可以有效抑制斜流泵的扬程-流量正斜率特性,此时斜流泵的效率值最高;无叶顶间隙时,斜流泵扬程-流量正斜率特性较为明显;叶顶间隙为1 mm时,数值模拟与试验结果吻合较好,SST k-ω模型可较好模拟斜流泵叶顶间隙区流动特征,性能预估结果具有一定的可信度。在小流量工况下,叶顶间隙为0.5 mm可有效抑制斜流泵的正斜率不稳定特性。小叶顶间隙0.5mm时,斜流泵水力性能最优;叶顶间隙增大时,叶顶泄漏流动逐渐显著,叶轮出口近壁区轴面流速和涡量分布规律显著变化,表明叶顶间隙直接影响叶轮轴面速度分布规律和叶片负荷分布规律,由于受壁面摩擦阻力和液体黏滞阻力的影响,叶轮轮毂和叶顶间隙侧的叶轮轴面速度较小;叶顶间隙增大时,叶轮轮毂和叶顶间隙侧叶片负荷急剧衰减,影响叶片的做功能力。同时,叶顶泄漏流动区域与叶片主流区域的掺混效应,使叶片轮缘的低速区扩展到叶轮流道内部的主流区域,引起叶轮流道内部主流流动的堵塞效应,产生二次流动、漩涡等流动不稳定现象。上述研究结果,揭示了叶顶间隙对斜流泵内部流场和性能的影响机理,为斜流泵叶顶间隙的选择提供了理论依据。     

颗粒体积浓度对半开式叶轮离心泵泄漏涡和磨损的影响

固液两相流条件下半开式叶轮离心泵中颗粒冲击、泄漏涡发展和颗粒轨迹之间存在紧密交互作用,导致过流部件的磨损行为复杂多变。该研究结合双向耦合欧拉-拉格朗日方法和颗粒磨损Finnie模型,对不同颗粒体积浓度下半开式叶轮离心泵固液两相流场进行求解,分析了颗粒体积浓度对泄漏涡结构特征、颗粒运移轨迹和磨损特性的影响,揭示了颗粒体积浓度、叶顶间隙泄漏涡和过流部件表面磨损规律的关联机制。结果表明：随着颗粒体积浓度的增加,颗粒的频繁撞击加剧了叶片压力面进水边和后盖板磨损程度,叶片吸力面出水边的磨损范围向进水边方向延伸;颗粒体积浓度小于1%时,颗粒的轴向运动和叶顶间隙泄漏涡的阻碍作用导致颗粒易与叶片前缘靠近叶根处和吸力面出水边靠近叶顶的区域发生撞击,诱发严重磨损,且呈现点状磨损;当颗粒体积浓度大于3%时,叶轮后盖板的整体磨损强度大于叶片,颗粒体积浓度的增加造成流入叶顶间隙层的颗粒数增加,颗粒对叶顶间隙泄漏涡的冲击导致涡流的破碎、分离、再融合,加剧不稳定流动,泵的扬程和效率均明显下降。该研究可为固液两相半开式叶轮离心泵优化设计和安全稳定运行提供理论参考。     

半开式离心泵变工况叶顶间隙的流动特性

为研究不同工况下,叶顶间隙对半开式叶轮离心泵内部流场及外特性的影响,该文对某半开式叶轮离心泵内部三维湍流流场进行数值模拟。揭示了离心泵内不同工况下叶轮流道和叶顶间隙层内的流动规律,对比分析了4种不同流量工况下叶顶间隙泄漏涡的流动特性、叶顶间隙层总压与相对速度分布,以及流量的变化对离心泵外特性的影响。结果表明:在小流量(设计流量为1.5 m3/h)时,间隙层内充满了泄漏涡,随着流量的增加涡核逐渐减少;大流量时涡核几乎消失,但此时流体速度激增,流动冲击损失变大在叶轮出口与间隙层附近存在着大面积回流,小流量时回流几乎占据了整个出口。通过模型泵外特性试验,验证了数值计算的准确性。该文为离心泵叶顶间隙设计及水力优化提供了参考。     

机电一体化轴流泵间隙泄漏流流动特性

为研究机电一体化轴流泵间隙泄漏流对泵内流场结构的影响规律及机制,该研究基于RNG k-ε湍流模型,利用ANSYS CFX仿真软件对该泵进行不同流量工况(1 674～2 510 m³/h)的全流场瞬态数值模拟。具体分析该泵压力、湍动能和涡量场分布情况,研究转子摩擦损耗和泄漏量随流量变化的关系,并揭示径向速度和叶轮效率的变化规律,明确机电一体化轴流泵的泄漏流流动特性。研究结果表明：在额定工况(2 092 m³/h)下,机电一体化轴流泵电机转子外壁面的机械摩擦损耗扭矩占泵总扭矩的19.1%,且占比随流量的增加而增大;流体流经该泵电机定转子间隙并泄漏回流至叶轮入口,形成射流,使得叶轮入口轮缘位置存在明显的径向流动。该流动导致叶轮流道内径向系数为0.9～1.0的近轮缘位置出现高湍动能、强涡量区域,引起该区域水力损失增大,水力效率降低,且流量越小,影响越为显著。因此,机电一体化轴流泵节能设计的重点在于电机与叶轮协同设计,在满足水力性能的前提下尽可能降低转子摩擦损耗以及间隙泄漏流流动对叶轮进口流场结构的破坏。研究结果可为机电一体化轴流泵的研究及性能提升提供...     

水轮机槽道内导叶动态绕流水力特性大涡模拟分析

为进一步探索水轮机导叶在调节过程中产生强瞬变流时水流和导叶间的非线性流固耦合机理,该文基于大涡模拟和二维瞬态N-S方程,应用ANSYS FLUENT软件中的任意拉格朗日-欧拉动网格技术和非迭代时间推进格式对槽道内导叶的关闭运动过程进行数值模拟,研究导叶绕流后的流场动态变化水力特性及涡激振动特性。结果表明:导叶关闭过程中槽道内的压力场、速度场、涡量场呈现出明显的非定常特征;卡门涡频率约为水轮机转轮转频的0.3倍,极易诱发低频压力脉动,随着关闭时刻的结束导叶后尾迹涡形态呈现出明显的卡门涡脱落过程;关闭过程中转动导叶的升、阻力系数随时间表现出非线性动力响应特征。揭示了低频压力振荡的产生与导叶调节关闭动作后导叶尾部的卡门涡列有关,卡门涡列诱发的非线性流激振动是影响水轮机水力稳定性和上游管道系统水力共振的主要因素。该方法可为有效模拟水力机械瞬态非线性流固耦合问题提供参考。     

混流式水轮机叶道涡流动特性研究

叶道涡是混流式水轮机运行在偏工况下出现的一种典型的空化流动现象，其起源于两叶片之间而消失于转轮出口附近，对水轮机内部的压力及速度场有直接的影响。为了阐明叶道涡演化特征及其对水力性能的影响，该文基于SST k-ω湍流模型及Zwart空化模型对某一低水头混流式模型水轮机进行瞬态空化两相流动的数值模拟及试验研究。结果表明，叶道涡流动结构的数值模拟与试验观测结果基本一致。在叶道涡工况区，转轮内空泡体积呈周期性脉动，叶道涡频率为转频的90%。叶道涡沿叶片展向发展于轮毂面，主水流在离心力的作用下向下环方向偏移，迫使叶道涡向出水边方向移动，故涡束沿叶片出口边背面靠近轮缘处流出。转轮内有限空间限制及偏工况下负冲角的综合作用，是形成叶道涡的主要原因。压力脉动及其频谱分析表明，活动导叶与转轮之间的无叶区、转轮叶片以及尾水管内均捕捉到了叶道涡频率，表明叶道涡频率同时向上游及下游传播。叶道涡对尾水管内部流场有较大影响，表现为锥管段及肘管段中心处形成较大回流区。该研究为进一步深入理解复杂的叶道涡流动特性提供一定参考。     

螺旋离心泵内回流涡空化特性

为了研究回流涡空化特性,对一台螺旋离心泵内部的空化流动进行了可视化研究,在一定的工况下该泵内部发生了回流涡空化,捕捉到了不同流量下螺旋离心泵内部回流涡空化形态,发现回流漩涡空化中存在2个旋转的空化云,并且随着流量的减小,回流涡空化云体积逐渐减小;对该泵进行了数值模拟,发现随着流量的减小,泵进口外部形成的回流区域变小,从而导致回流涡空化云体积逐渐减小。该文对螺旋离心泵内回流涡空化体积演变机理的深入研究提供了参考。     

风力机翼型气动力非定常特性对湍流的敏感性

大气湍流是风力机非定常特性的主要诱因,该研究基于CDRFG(consistent discretizing random flow generation)方法生成湍流入口边界,采用大涡模拟（large eddy simulation, LES）研究风力机翼型气动力非定常特性对湍流的敏感性。结果表明：翼型前缘区域对湍流来流较为敏感,而中部及尾缘区域几乎不受湍流的影响。攻角分别为2°、8°和14°时,吸力面从前缘点到约0.5、0.3和0.1倍弦长位置处表面压力的标准差较均匀来流时幅值增大,表明小攻角时翼型吸力面上压力脉动受湍流影响的区域较大。来流湍流强度分别为9.3%、6.5%和4.8%时,2°攻角下翼型升力系数的标准差是其均匀来流时的6.36、5.42和4.90倍;8°攻角下是其均匀来流时的3.95、3.33和3.02倍;14°攻角下是其均匀来流时的1.78、1.63和1.40倍;表明小攻角时湍流引起的升力系数脉动特性较大攻角时更加显著。翼型前缘点脉动压力的功率谱曲线与湍流来流速度的功率谱曲线在整个频域区间趋势一致,表明前缘点压力的脉动特性主要取决于湍流来流的脉动特性,沿翼型弦向逐渐往后...     

基于模态分解的液环泵喷射器内非定常流动分析

为分析液环泵喷射器内复杂高速射流流场的瞬态流动特性,揭示射流尾迹涡脱落及激波自激振荡频率特征,该研究基于大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）数值模拟采用动态模态分解（Dynamic Mode Decomposition, DMD）和谱本征正交分解（Spectral Proper Orthogonal Decomposition, SPOD）方法对射流拟序结构进行时空解耦,对比分析两种模态分解方法在射流流动特征提取的差异性。研究结果表明,喷射器射流剪切层在与激波的干涉作用下呈现周期性振荡现象,且随着射流的演化其尾缘逐渐形成周期性脱落的尾迹涡。DMD和谱本征正交分解SPOD方法均能实现高速射流流场的解耦,且能够获得时空单频相干特征结构。主导频率1 250 Hz时,密度场DMD和SPOD 1阶模态均能反映激波及其与射流剪切层相互干扰形成的激波串结构特征;频率18 000 Hz时,DMD和SPOD动态模态则表征了射流尾缘周期性脱落的尾迹涡特征。相较于DMD方法,SPOD方法精准获取时空单频动态模态的同时能够反映出湍流射流的演变特征,而且有效避免了DMD基模态筛选时存在的不足。本研究基于LES数值模拟结果采用特征分解方法对喷射器内非定常流场进行了特征分解,为深入探索液环泵喷射器内复杂多物理耦合场奠定基础。     

前伸式双叶片污水泵内部流场PIV试验

以一台比转速为70的前伸式扭曲双叶片污水泵为研究对象,采用PIV(particle image velocimetry)技术对双叶片污水泵进行内部流场测量,分析了该泵在不同流量工况下(Q/Qdes=0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4)叶轮内部流场的相对速度分布,研究了轴向旋涡和低速区随流量变化的形态特性,发现在流道中部靠近叶片工作面上存在低速区及与叶轮旋转方向相反的轴向旋涡,且随着流量的增大,低速区与轴向旋涡逐渐减小;引入少叶片数离心泵内部流动理论,揭示了低速区和轴向旋涡存在和发展的内在机理。分析了在流量Q/Qdes=0.6时叶轮和蜗壳不同相对位置的相对速度场分布,研究了叶轮和蜗壳之间动静干涉作用对轴向旋涡的影响,发现当轴向旋涡经过蜗壳隔舌时,其与叶轮之间的干涉作用使得轴向旋涡向下游偏移。研究结果对前伸式扭曲双叶片污水泵的内部流动规律研究具有重要参考价值。     

湍流模型在泵站进水池漩涡模拟中的适用性研究

泵站进水池表面漩涡、附底漩涡和附壁漩涡是影响水泵装置稳定运行的重要因素,为研究不同湍流模型在进水池漩涡模拟中的适用性,分别采用标准κ-ε模型、RNGκ-ε模型和Realizable κ-ε模型3种湍流模型对进水池流场进行了数值计算,得到了进水池内漩涡位置及强度信息,并与试验进行了对比分析.结果表明,Realizable κ-ε模型对进水池表面涡、附底涡和附壁涡的位置和形状预测比较准确,对漩涡的切线速度和环量的预测也与试验值更为接近.为泵站进水池的水力设计与结构优化具有指导作用.     

制动工况下液力偶合器涡轮轴向漩涡流场试验分析

轴向漩涡流动是研究液力偶合器能量损耗的重要基础。该文基于粒子图像测速技术采集制动工况下液力偶合器轴向漩涡流场图像,通过图像处理技术识别并提取液力偶合器外壁面上特殊几何结构所呈现的光学特征,完成流动图像动态标定。利用霍夫变化直线检测算法识别泵轮轴向流场流速方向,通过图像互相关算法并采用查询窗口偏移技术提取涡轮轴向漩涡流场结构,应用误矢量识别算法检测错误流速矢量并予以剔除,获得优化的流动图谱。研究结果表明:泵轮轴向流场中液流是一种复合加速运动;涡轮轴向流场中液流是一种多尺度漩涡流动,主流区域上流速值为0.2~0.4 m/s,叶片与壁面组成的角隅区域上形成小尺度涡旋,角隅区域上流速值为0.6~1.1 m/s。上侧叶片与泵轮、涡轮交界面处的角隅区域上存在与主流循环流动方向相同的小尺度涡旋,涡量数值为?8 s?1,此处涡旋将促进液力能量的传递与转换,其他3个角隅区域上的涡旋方向与此相反,涡量数值分别为13、15和20 s?1,由于该局部区域小尺度涡与主循环涡的相互混合作用,引起流动迟缓,造成能量损耗。试验研究结果将为液力偶合器轴向漩涡流动现象提供有价值的参考依据。     

基于高频PIV的偏航对风力机叶片尾迹膨胀和叶尖涡耗散影响

为了揭示叶片尾迹结构随偏航角变化的响应特征,该文以直径为1.4m的水平轴风力机为模型,利用高频PIV开展了尾迹流场特征的试验测试,探究了尾迹膨胀、叶尖涡耗散与来流风速、接入负载(即叶片转速)、偏航角度间的关联性和关联规律。研究结果揭示:不偏航时,随着发电机接入负载的增加,尾迹流动向风轮外侧膨胀的趋势变大,外流场与尾迹流场间的掺混效应加剧,从而导致叶尖涡耗散速率加快;偏航时,偏航行为会使尾迹流场向风轮内侧收缩,且收缩速率会随着偏航角的增加而变大,此时外侧流场与尾迹流场间的掺混效应减弱,从而导致叶尖涡扩散速率减小。测试结果同时揭示:在叶尖涡脱落的初始阶段,涡量值存在先增大后减小的规律性变化。同时,偏航状态下,叶片转速的增加会促使最大涡量值点提前出现,且提前出现的趋势会随偏航角的增大而加剧。该文以试验测试的方法揭示了叶片的尾迹膨胀和叶尖涡耗散特征,相关成果对于叶片尾迹结构组成和输运规律的深入探究具有较重要的参考价值。