轴流泵叶轮出口尾迹区非定常压力和速度场特性

为了分析轴流泵叶轮出口尾迹和势流交替干扰特性,基于RNGk-ε湍流模型和SIMPLE算法,对南水北调工程用轴流泵模型进行了数值计算。通过定常预测的外特性结果与试验值进行比较,验证了计算网格和湍流模型的适用性,并在此基础上计算了轴流泵叶轮出口尾迹区非定常流场特性。研究结果表明,通过轴流泵全流场数值计算结果与试验值对比,在最优工况下计算扬程相对误差为4.56%,效率相对误差为2.78%,较好反映了轴流泵内部流动特性;在小流量工况下,轴流泵叶轮出口圆周方向轴面速度存在与叶片数相同的3个主波峰和3个次波峰;随着流量增大,叶轮出口圆周方向速度分布图中的波峰与导叶叶片数相同。在小流量工况和设计工况下,叶轮出口尾迹区压力脉动时域图出现3个主波峰,随着流量增大,额外产生了3个次波峰。基于FFT变换发现不同流量工况下的压力脉动主频均以叶频为主,其他谐频以叶频为基频,呈倍数出现,且主频的幅值随着流量减小而迅速上升。     

采用ILUT预处理的BiCGstab算法及在叶轮内流计算中的应用

介绍Krylov子空间迭代算法及预处理方法。采用有限体积方法对不可压缩流动方程进行离散。对离散形成的大型代数方程组,采用ILUT为预处理的BiCGstab算法进行求解。给出ILUT预处理算法及BiCGstab算法求解代数方程组的步骤。将该算法应用于旋转叶轮内流计算,计算结果与ERCOFTAC叶轮已有的结果较为符合。数值计算表明采用ILUT配合BiCGstab算法比选择标准ILU预处理速度更快,稳定性也较好。     

叶轮轴面图参数对离心泵性能的影响

为了研究叶轮轴面图上前、后盖板圆弧半径和倾角对离心泵性能的影响,选择一台比转数为84.8的离心泵双圆弧叶轮轴面图为研究对象,基于数值模拟计算结果,采用二阶响应面模型建立了前、后盖板圆弧半径和倾角与水力性能之间近似模型,其中24组数值试验方案由最优拉丁方方法确定。结果表明:前盖板倾角对设计工况下扬程、功率和效率的影响最大。该研究成果为离心泵叶轮轴面图的优化设计提供了依据。     

离心式叶轮三维反问题设计和数值计算

为解决离心式叶轮传统设计方法主要依赖于设计者经验以及设计周期较长等问题,采用三维反问题设计方法,根据给定的流场进行叶轮形状的设计,从而提高设计过程对叶轮性能的控制能力.三维反问题设计方法基于无黏有势流假设,将三维速度场分解为周向平均速度和周期速度进行求解,实现了在二维轴面流道上叶片形状和流场的三维计算.三维叶片形状根据速度在叶片表面满足滑移条件计算得到,同时获得该叶轮形状下其内部三维流场的计算结果.采用自编三维反问题设计程序进行了离心式叶轮的设计计算,并利用三维定常湍流数值计算技术对设计结果进行了流场模拟和性能评价,流场的模拟结果与设计方法计算结果定性吻合,验证了设计方法的有效性.研究结果表明：将三维反问题设计方法和三维湍流数值计算技术结合可有效缩短设计周期,提高设计质量,并可用于各种叶轮机械的设计.     

不同前导叶时序位置下离心泵内压力脉动特性研究

【目的】寻找前置导叶的最佳时序位置,提高离心泵的综合性能。【方法】以某低比转速单级离心泵为研究对象,采用RNGk-ε湍流模型,对设计工况下前置导叶相对径向导叶在4种不同时序(前置导叶相对周向旋转0°、15°、30°、45°)位置下离心泵内部流动进行了三维黏性非定常数值模拟。【结果】随着前置导叶时序位置的增大,时均扬程和时均效率均呈周期性波动,当时均扬程处于波峰时,时均效率处于波谷,当时均效率处于波峰时,时均扬程处于波谷,最大时均扬程比最小时均扬程高1%,最大时均效率比最小时均效率高1.43%;随着前置导叶时序位置的改变,离心泵的必需汽蚀余量先增大后减小,最大必需汽蚀余量比最小必需汽蚀余量高6%,前置导叶相对周向旋转45°时,必需汽蚀余量最小,空化性能最好;叶轮和径向导叶压力脉动的主频和幅值直接受时序效应的影响。【结论】前置导叶的时序位置对离心泵的外特性、空化特性、振动特性等都有影响,综合比较分析4种时序位置下离心泵的性能差异,以前置导叶相对周向旋转45°时离心泵的水力性能最好。     

导叶叶片数对多级离心泵压力脉动的影响

为了研究叶轮叶片数与导叶叶片数有无最大公约数对多级离心泵内部压力脉动的影响,在保证设计点外特性基本不变的前提下设计了4种不同叶片数的导叶,基于标准k-ε方程,应用CFX软件对M120多级离心泵的设计点工况进行定常和非定常计算,得到次级泵体叶轮和导叶内各监测点的压力脉动时域图和频域图.结果表明:数值模拟结果与外特性试验结果相吻合,证实了数值模拟的可行性.叶轮与导叶叶片数存在最大公约数的匹配方式对多级离心泵内部静压分布有影响,主要表现为正导叶进口边周向压力分布呈现周期性分布规律.导叶内部压力脉动主要受叶轮叶片数的影响,叶频在流动诱导振动中起主导作用.导叶叶片数对多级离心泵内部压力脉动影响较大,导叶内部压力脉动幅值随导叶叶片数的增加而增大.     

高温塔底油浆泵叶轮断裂失效分析

针对高温塔底油浆泵使用一段时间后在开机时叶轮频繁发生断裂的现象,选择发生断裂现象较多的泵型,对可能导致叶轮断裂的各种因素,从断裂点的宏观检查到叶轮材料、硬度以及断裂点的金相组织的微观检验等方面进行了一系列试验,采用热冲击理论最新研究成果对该叶轮断裂失效原因进行了分析,结果表明,叶轮存在严重的铸造缺陷,热处理工艺出现了偏差,高温环境削弱了叶轮的强度,热冲击应力是导致叶轮断裂失效的主要原因,通过对叶轮结构、铸造工艺、热处理工艺、开机操作规程等方面的改进,基本解决了油浆泵的叶轮断裂问题．     

出口角对离心泵内固液两相流动影响

采用欧拉多相流模型、标准k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,应用计算流体力学软件Fluent,对3台不同叶片出口安放角的离心泵内的固液两相湍流进行了数值模拟,分析了叶片出口安放角对泵内部固液两相流场的影响.计算结果表明：在叶轮流道内,固体颗粒的相对运动方向比液相更偏向叶片压力面,大叶片出口角叶轮内两相速度的夹角较大.通过对比不同叶轮内压力分布及固体颗粒体积浓度分布,得出以下结论：大出口安放角的叶轮压力面附近聚集了更多的颗粒,导致大量颗粒与叶片尾部的压力面相撞;叶片出口安放角增大使得叶轮出口压力增大.     

多级旋涡泵内部流动特性与压力脉动的数值分析

为了揭示旋涡泵内部流场结构和非定常压力脉动特性,研制具有开式叶轮和闭式流道结构的多级旋涡泵,基于RNG k-ω湍流模型、SIMPLEC算法与块结构化网格,对旋涡泵内部流场进行数值模拟和试验验证.通过外特性数值预测验证了该旋涡泵能够满足设计参数的要求.基于CFD数值模拟技术,对旋涡泵内部流场进行数值模拟.结果表明:随着流量逐渐增大,旋涡泵扬程呈现陡降的趋势,同时叶轮叶片的做功能力变差,叶片对液体的增压能力逐渐降低.在叶轮吸入口和压出口两侧的叶片流道内部,其速度分布和湍动能分布变化梯度较大,其它叶片流道内部速度分布和湍动能分布较为相似.叶轮流道内部叶顶区域中间流道内存在1个低速区,随着流量的逐渐增大,低速区越来越小.叶轮流道内部叶根区域中间流道内存在1个速度梯度密集区,该区域湍动能较大,即叶片流道的叶根区域存在较大的损失耗散区,随着流量的逐渐增大,该损失耗散区越来越小.分析旋涡泵各特征位置的压力脉动特性发现,在叶轮叶片不同监测位置和闭式流道不同监测位置,压力脉动频率特性较为明显,即此处会诱发较为明显的水力振动和噪声.结果揭示了旋涡泵内部流场和性能的影响机理,为旋涡泵的设计提供了理论依据.     

基于正交试验及CFD的多级离心泵叶轮优化设计

以某一典型悬臂式多级离心泵为研究对象,在原模型的基础上,对叶轮进行优化设计以提高水泵的水力性能.选择叶片出口宽度、叶轮出口直径、叶片数、叶片出口角等4个参数为因素,每个因素取3个水平,基于正交试验和数值计算对叶轮进行优化,应用计算流体动力学软件CFX 14.5对多级离心泵内三维定常流动进行数值计算.结果表明:不同工况下,多级离心泵原模型的外特性试验与数值计算结果相吻合,证明了数值预测水泵性能的正确性和可靠性.按照L₉(3⁴)正交表,计算9组叶轮设计方案的额定工况时的扬程和效率,利用极差分析研究几何参数对水泵性能的影响,最终得到优化模型.通过优化模型与原模型的数值计算结果对比,证明其扬程、效率性能得到提高,并从内部流动分析提高的原因,即泵体内部无旋涡和回流,静压梯度大,流动损失小,使得泵水力性能得到提升.