双流道泵叶轮内湍流的数值模拟

对双流道泵叶轮内3维不可压湍流流动进行了数值模拟。计算采用了雷诺时均N-S方程和修正了的k-ε湍流模型,计算在体贴坐标系和交错网格中进行并采用了SIMPLE-C算法。计算结果首次揭示了双流道泵叶轮内湍流流动的速度分布、压力分布和湍动能分布规律。研究结果可以用来对双流道泵进行性能预测并为双流道泵的优化设计创造了条件     

双流道泵水力设计的研究

在大量试验研究和设计实践的基础上,对双流道泵叶轮和蜗壳的一些主要几何参数进行了统计分析,发展和完善了双流道泵水力设计方法。给出了双流道泵叶轮轴面图前、后盖板圆弧半径R₁、R₂与比转数n_s及叶轮进、出口直径D_j、D₂的关系,提出了叶轮平面图流道中线方程。总结了双流道泵蜗壳基园直径D₃、进口宽度b₃、隔舌角φ₀和面积比系数y的计算公式。     

双流道泵性能预测的研究

通过对双流道泵叶轮和蜗壳里的水力损失、容积损失、机械损失的分析，提出了双流道泵扬程曲线、效率曲线的性能预测方法。分别给出了双流道泵叶轮和蜗壳内各种摩擦损失、扩散损失，及主要局部损失的计算方法。性能预测实例表明预测结果具有较高的精度。     

基于 Mixture 多相流模型计算双流道泵全流道内固液两相湍流

采用Mixture多相流模型、扩展的标准k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,应用计算流体力学软件Fluent对双流道泵全流道内的固液两相湍流进行了数值模拟,并将计算结果与清水单相流数值模拟及泵外特性性能试验进行了对比,揭示了不同粒径及颗粒体积浓度条件下双流道泵全流道内的固液两相流动规律.研究结果表明:在叶轮流道内,固相体积浓度分布极不均匀,颗粒主要集中于叶轮出口处的工作面和后盖板上,但是随着颗粒浓度和粒径的减小,会出现颗粒向背面迁移的趋势;在蜗壳流道内,颗粒主要集中于靠近蜗壳出口侧的流道区域,颗粒运动轨迹紊乱,少部分颗粒脱离叶轮后能直接从蜗壳出口流出,大部分颗粒撞击蜗壳壁面,留在蜗壳内转动数圈才能流出;颗粒浓度变化对固相的离析作用影响相对较小;粒径变化对固相的离析作用影响较大,粒径越大,颗粒撞击点愈加集中于叶轮工作面,固相的离析作用越明显;相同体积流量下,泵进出口总压差随颗粒浓度和粒径的增加而减小.     

不同叶轮外径下双流道污水泵压力脉动特性分析

叶轮外径是双流道污水泵的一个重要结构参数。基于Mixture多相流模型对双流道泵进行了非定常数值计算,研究了设计工况下不同叶轮外径(101、103和105 mm)对泵内压力脉动的影响,并进行了试验验证。结果表明不同叶轮外径时加入适量颗粒后蜗壳周向各点压力脉动基本均在减小且最大减幅达30.9%,各点平均压力脉动减小量随外径增大而减少。加入适量颗粒后随叶轮外径的增大隔舌附近各点压力脉动随时间的周期性越来越不明显,各点压力脉动主频基本都是叶频;随外径变大压力脉动最大幅值相比清水的减小量先增大后减小,各点平均幅值最大减小了22.7%。加入颗粒后叶轮外径增大到105 mm时动静干涉增强各点瞬时静压均剧烈波动,输送固液两相流时选择合适的叶轮外径能减小泵内压力脉动。     

输卤泵叶轮内部湍流流动的分析

混流式输卤泵内部伴有盐析的液固两相流动问题非常复杂,首先需要了解在清水状态下,其内部真实流动现象的物理本质。为此,该文基于Navier-Stokes方程和标准的κ-ε湍流模型,首次模拟了清水状态下输卤泵叶轮内部的三维湍流场,并运用实验手段对叶轮进出口流场进行了测量,给出速度和压力分布图。同时,结合数值计算与实验研究,对输卤泵叶轮进出口流场进行了初步的理论分析。实验结果表明,计算所采用的κ-ε模型的修正方法基本符合此型泵内部流动的实际情况;并认为叶轮进口处特殊的轴向速度分布,对叶片的改进设计值得注意。提出的结论、观点将为今后该型泵内部卤水流动研究提供依据。     

高比转速斜流泵内部非定常压力脉动特性

为了研究斜流泵叶轮和导叶的动静相干作用引起的内部压力脉动特性,该文基于标准k-ε模型,采用SIMPLEC算法和滑移网格技术,对高比转速斜流泵进行非定常数值模拟,分析了不同工况下的叶轮进出口、导叶中部和导叶出口等位置的压力脉动的时域和频域特性。通过定常计算的扬程、效率值与试验值进行对比,证明该计算方法和网格可以较准确地反映斜流泵内的流动特性。计算结果表明,斜流泵最大压力脉动发生在叶轮进口前,泵运行偏离最优工况越远,叶轮进口处压力系数幅值越大,在0.7Qopt工况时叶轮进口监测点P03的压力系数幅值约为最优工况的1.5倍;压力脉动主频为叶轮叶片通过频率。研究成果为揭示斜流泵内部压力脉动规律提供了一定的理论参考。     

自吸喷灌泵自吸过程的非定常流动数值计算与验证

为了建立一种适合自吸喷灌泵在自吸过程中的气液两相流数值模拟方法,采用 ANSYS CFX 软件,进行仿真自吸喷灌泵自吸过程的数值计算,研究自吸过程中气液混合、气液分离及气液逸出现象,分析自吸过程中泵内部的速度、压力及含气率的变化规律,了解自吸过程的气液两相流特点。自吸泵的整个自吸过程分为3个阶段：自吸初期由叶轮旋转作用排水产生的吸气阶段（t≤0.5 s）、自吸中期由气水混合及气水分离作用产生排气功能的吸气阶段（0.5 s4 s）。自吸成功的关键就是叶轮的旋转迫使叶轮进口处少量的水混合着一部分气体沿着叶轮叶片压力面流动至叶轮出口处并进入正反导叶,然后沿着反导叶叶片压力面流出,表明在自吸过程中气水混合物总是沿着较高的压力面流动。通过采用摄影技术得到多级自吸喷灌泵在自吸初期及中期时泵出口段水柱高度的变化规律,发现试验结果与数值计算结果非常相近,不仅两者的变化规律基本相同,而且其结果相差不超过6%。     

多级离心泵内部非定常压力分布特性

为研究多级离心泵运行过程中的振动特性,以一台两级离心泵为例,建立整泵的流道模型,基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件ANSYS CFX,选取标准k-ε模型,进行全流场三维非定常数值计算,获取额定工况下叶轮出口处和径向导叶内不同位置处的压力脉动特性、作用在叶轮上的扭矩特性以及作用在叶轮上的径向力特性,并对其进行频域分析。结果表明:各监测点的压力均呈现出以叶片通过频率为主频的周期性压力波动;作用在叶轮上的径向力呈现脉动状态,其矢量分布图基本呈圆形分布,作用在叶轮上的扭矩呈现出以叶片通过正导叶频率为主频的周期性波动;叶片和导叶间动静干涉是影响压力和扭矩波动的主要因素。该研究结果为改善泵体结构设计,提高多级泵的使用稳定性提供依据。     

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2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。该研究基于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。     

离心泵边界层网格的实现及应用评价

为了定量研究网格质量对离心泵数值模拟计算精度的影响,以结构化网格为例,从网格数量、近壁区网格加密和网格拓扑块生成方法3个方面系统研究了离心泵边界层网格的构建和应用评价过程。在网格数量无关性分析的基础上,生成了3套不同质量的边界层网格,并分别采用标准k-ε模型、RNGk-ε模型、标准k-ω模型和SSTk-ω模型模拟了比转速为103的单级单吸离心泵的内外特性。将数值模拟结果和试验结果对比,发现具有边界层网格的模拟结果与试验值更为吻合,设计工况下,粗边界层网格基于标准k-ε模型的扬程预测精度比无边界层网格的模拟结果提高了1.19%。评估了边界层网格质量与湍流模型的关系,发现湍流模型的选择和边界层网格的质量密切相关,网格节点到壁面的最近距离Y+在200左右基本能满足k-ε湍流模型对近壁区网格质量要求,而选用k-ω模型时,至少保证Y+≤100。     

基于粒子图像测速的离心泵叶轮内流动分离测试与分析

离心泵在小流量工况下运行极易产生流动分离,严重影响泵的运行稳定性。为了揭示离心泵小流量工况下叶轮内流动分离的变化规律,对一比转数为73的离心泵小流量工况下叶轮内部流动进行了PIV测试和分析,并以流动偏移角和回流强度为参数对测试结果做了量化分析。不同工况的测试结果表明,0.6Qd工况下叶轮内开始出现流动分离,到0.2Qd工况下流动分离已发展充分;随着流量的降低分离泡向流道中部和出口方向移动发展。0.2Qd工况下不同相位的试验结果显示叶轮流道接近隔舌时会出现分离泡,经过隔舌后分离泡迅速发展,远离隔舌后分离泡逐渐消失。流动偏移角的量化分析能够准确反映出叶轮流道内分离泡的数目;回流强度的量化分析表明叶片旋转过隔舌135°后,动静干涉对流动分离的作用明显减弱。     

困油压力对齿轮泵流量脉动的影响分析

为考量困油压力对外啮合齿轮泵流量脉动的影响,以无侧隙和对称双矩形卸荷槽为例,基于泵排油区域封闭容积的精确计算,并结合困油压力的仿真与验证,给出了理想与实际两状态下瞬时流量的计算公式,并分析了流量脉动所涉及到的相关性能指标。结果表明,相对于无卸荷槽情况,理想状态下的卸荷槽能够极大地改善泵的流量脉动,案例参数下的平均流量提高了12.34%;流量不均匀系数降低了85.09%;在考虑困油以及相关泄漏量的情况下,有卸荷槽的流量脉动品质虽然比理想状态下有所下降,但仍比无卸荷槽时有很大的改善,案例参数下的平均流量提高了6.73%;流量不均匀系数降低了73.90%;高速时虽然存在较大的困油压力,但该压力却有利于流量脉动的改善,案例参数下的困油压力峰值虽高达9.7 MPa,但流量不均匀系数却降低了87.61%等。因此在流量脉动的计算中考虑困油因素很有必要,其结果也将更可靠更精确。     

离心泵压水室内部定常和非定常流动PIV测量

为研究离心泵压水室内的流动特性,利用PIV技术在内同步和外同步模式下分别测量了其内部的定常和非定常流场,详细分析了压水室内部流动现象和流动规律。结果表明,压水室内速度沿轴向分布均匀,随圆周角增大而减小;在叶轮和压水室的交界处,存在清晰的速度分界线;受蜗舌的分流作用,部分流体回流入叶轮流道,扩散管入口处速度显著降低;压水室内部周期性非定常流动规律明显,第VIII断面上,速度的大小和波动幅度沿径向均呈减小趋势,周向速度的波动与叶轮流道内部高速流区的位置有关,而径向速度的波动主要受叶片干扰和哥氏力的影响。研究结果为压水室设计以及离心泵内部流动的试验研究提供了借鉴。     

基于奇点分布法的轴流泵叶片翼型设计与计算

为将奇点分布法这一有优势的流体机械叶片翼型设计方法应用于轴流泵叶轮叶片设计,以平面势流理论及数值计算为基础,推导了基于适合轴流泵叶片翼型边界条件的漩涡密度函数的系统应用性计算公式,所获结果将准确确定各翼型骨线关键节点位置,它们形成的翼型骨线在满足给定设计点泵的性能参数的同时,还能形成要求的流动奇点与驻点,由此产生流动损失最小的叶片翼型。以该方法改型设计的一台轴流泵的型式试验表明,设计泵在设计点的效率由原来的78%提升到85%,特性曲线符合要求。该研究深化了轴流泵叶轮叶栅流动理论,将奇点分布理论转化为轴流泵叶轮翼型的实用设计方法,为设计技术人员提供了开发新产品的工具。     

离心泵内部非定常压力场的数值研究

为研究离心泵内部压力随叶轮旋转的变化,采用FLUENT提供的滑移网格技术对设计工况下离心泵内的非定常流动进行了数值计算,分析了离心泵内部非定常流动的规律。结果表明：离心泵内部流动的非对称特性和非定常特性明显;离心泵出口和叶片进口压力的波动对离心泵性能影响较大;在蜗壳中部截面S2和蜗壳出口截面S3上,静压的波动主要受叶片和蜗舌相对位置的影响,而动压的波动主要受叶片和截面相对位置的影响;两截面上沿蜗壳径向静压增大,动压减小;沿蜗壳周向静压随圆周角的增大而增大,而动压略成下降趋势。该分析为研究离心泵内流现象,降低离心泵的汽蚀、振动和噪声提供了有益的借鉴。     

可逆式水泵水轮机“S”形区域内部流场特性分析

抽水蓄能电站在现代社会中发挥着越来越重要的作用,也是衡量一个国家能源利用效率和清洁能源使用率的重要指标,但其装设的可逆式水泵水轮机全特性曲线上的"S"形区域,给机组的稳定运行带来了巨大的挑战,会出现启动成功率低、工况转换和并网困难等一系列问题,致使难以最大程度的发挥抽水蓄能电站的作用。该文以宝泉抽水蓄能电站的1#水泵水轮机为研究对象,通过"S"形曲线的试验值和计算值的对比,证明了通过CFD计算确能反映机组"S"特性的基本特征;通过对2个开度下4个工况的数值计算,分析了蜗壳与固定导叶、活动导叶与转轮以及尾水管内的流线分布情况;通过对10个导叶开度下飞逸工况的数值计算,对比分析了水头变化与"S"特性之间的关系;基本掌握了机组内部流道流态的变化趋势和规律,指出了涡流造成的流道拥塞是形成"S"特性的重要原因;说明了可通过后期干预和改善水力设计来消除或减小"S"特性的影响,并分析了两者各自的特点;提出了当前可行的运行建议,为机组的稳定运行和"S"特性的深入研究提供了技术支持。     

离心泵气液固多相流动数值模拟与试验

为研究离心泵输送含有气固液多相时内部的流动情况,采用Pro/E三维造型软件进行几何造型,基于ANSYSCFX软件应用雷诺时均方程、双方程湍流模型,并结合SIMPLEC算法对其内部三维气固液多相流各相流动规律进行数值计算,将计算结果与试验结果进行对比结果表明:受气相所产生旋涡的影响,固相体积分数在径向量纲位置r/R2为0.4时达到最大值后直线急剧下降,下降至一定值后开始波动变化,而气相体积分数在径向量纲位置r/R2为0.4时较小,从径向量纲位置r/R2为0.4以后急剧增大。气、固两相互相影响对方颗粒的分布。气相主要集中在叶片工作面的中间位置,气相的存在使叶轮流道内产生旋涡,影响叶轮流道内的能量交换与传递;固相在没有旋涡的流道内是紧靠叶片表面运动的,在有旋涡流道内主要是随着旋涡旋转方向进行流动,固相所占比值的增加对流动轨迹的影响并不明显。对气液固多相流的深入研究和应用提供了有价值的参考。