离心泵内部不稳定流动的PIV测试

以一台比转数为74的离心泵为研究对象,首先通过外特性试验发现当流量约低于18 m3/h后,泵的扬程随流量变化非常小,然后采用PIV技术探索了该扬程曲线下叶轮流道内不稳定流动涡的发生、发展规律。试验结果表明:不稳定流动在0.6QBEP工况开始产生,直到0.4QBEP工况得到发展,最后在0.1QBEP时几乎扩展到整个叶轮流道;叶轮旋转过程中,靠近蜗壳隔舌处的叶轮流道内流动最不稳定,也是最先出现分离涡的流道;随着流量的降低,附着于叶片工作面的分离涡逐渐增多、汇聚,不断发展的漩涡向流道出口移动的同时,也偏向于流道中心。     

考虑旋转和曲率影响的SST k—ω湍流模型改进

分析了离心泵中常用湍流模型的优缺点,采用考虑旋转和曲率影响的RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型分别对SST k-ω湍流模型进行了改进,生成了两种新的湍流模型.以开源代码库OpenFOAM作为平台对改进的湍流模型实现了程序化,应用新的湍流模型分别对-低、中、高比转数的离心泵进行数值计算,并将修改前后的数值计算结果与试验结果从能量性能的角度进行了详细对比.分析结果表明,改进后的湍流模型能成功用于离心泵内流计算中,且计算精度较修改前更接近于试验值.     

叶片几何参数对管道泵径向力及振动的影响

为了解决一台比转数为221的管道泵振动问题,在保证能量特性具有较好一致性的前提下,通过优化叶片几何参数Z,β2,β1减小振动烈度．采用CFX数值计算软件分别对不同工况下优化前后的管道泵内部全流场进行非定常数值模拟,研究叶片几何参数Z,β2,β1对管道泵压力脉动、径向力及振动的影响．计算结果表明：叶轮A的压力脉动、径向力及径向力脉动强度均大于叶轮B,叶频及其谐波是压力脉动的主要激励频率．同时,为了进一步研究由叶片几何参数的改变引起的压力脉动及径向力的变化对振动的影响,通过振动试验测量了带有叶轮A,B的管道泵振动速度.结果表明：在不同工况下,叶轮A的振动强度大于叶轮B,叶频及其谐波是管道泵振动的主要激励频率．对比数值计算结果和试验结果可以看出,压力脉动较大、径向力及径向力脉动较为剧烈的叶轮A,其振动强度也较强;优化后的管道泵在04Qd到13Qd 工作范围内,振动速度小于18 mm／s,满足振动标准．     

喉管与喷嘴截面积比对射流式鱼泵输送性能及鱼损的影响

为探究喉管与喷嘴截面积比对射流式鱼泵输送性能及鱼损的影响规律,该文设计了喉管与喷嘴截面积比分别为1.75和3的射流式鱼泵,以鲫鱼为试验对象进行鱼类输送试验,获得了不同喉管与喷嘴截面积比射流式鱼泵的输送能力及单位质量能耗,并采用表观损伤统计、解剖和血清指标检测等方法分析了射流式鱼泵喉管与喷嘴截面积比对鲫鱼损伤的影响。研究结果表明:在相同被吸流体流量工况下,喉管与喷嘴截面积比较小的射流式鱼泵输送鱼类能力较强,且单位质量能耗较低。试验中喉管与喷嘴截面积比为1.75的射流式鱼泵输送鱼类能力达到1913kg/h,而单位质量能耗仅为1.51 kW?h/t。鱼类损伤的主要类型是局部鳞片少量脱落(轻度损伤),约占所有过泵鱼类的10%。在相同被吸流体流量下,喉管与喷嘴截面积比较小的射流式鱼泵中鱼类轻度损伤率较高,而喉管与喷嘴截面积比对重度损伤率影响较小;喉管与喷嘴截面积比较大的射流式鱼泵在输送过程中对少数鲫鱼肝脏造成的损伤较严重;而不同喉管与喷嘴截面积比射流式鱼泵输送过程均会对鲫鱼肾脏造成影响,但是这种影响在24 h内可以恢复到未过泵时的水平。综合考虑输送能力及鱼损情况,喉管与喷嘴截面积比为1.75的射流式鱼泵更适合鱼类输送。研究结果可为射流式鱼泵推广应用提供支持并可作为其优化设计的参考。     

管道泵不稳定压力及振动特性研究

为了找到引起管道泵振动的原因,该文研究了一比转速为59的管道泵叶轮-蜗壳的动静干涉所引起的压力脉动现象,及其对泵振动特性的影响。该文通过对比数值计算方法与试验方法获得的能量特性曲线,验证了计算模型的有效性;在此基础上分析管道泵蜗壳内的脉动压力场,通过数值计算有效研究了蜗壳周向不同位置处43个监测点在不同流量下的压力脉动幅值,特别在叶片通过频率下,蜗壳内的压力脉动特征与流量及蜗壳内监测点位置的关系。同时,通过振动试验,获取泵4个监测区域内25个监测点在不同流量下的振动幅值,通过快速傅里叶变换对振动信号进行频谱分析。计算和试验结果共同表明,隔舌区域的压力脉动幅值最大,叶片通过频率210Hz是压力脉动的主导频率;压力脉动及泵振动均在叶片通过频率下达到最大峰值,进一步论证了叶片通过频率是管道泵产生振动的主要频率值,由该频率引起的压力脉动冲力是管道泵产生振动的主要作用力;泵的压力脉动幅值和振动幅值均高于设计工况;4个监测区域内的振动幅值从大到小依次为:管道支撑,电机,泵体,底座。研究结果可为管道泵低振动的设计提供参考。     

单叶片离心泵蜗壳内二次流的非定常特性研究

单叶片离心泵蜗壳内易形成二次流旋涡,容易诱发高幅值的压力脉动,严重时还会降低水泵运行的安全稳定性。基于SST k-ω模型,对单叶片离心泵在典型工况下的非定常流动进行数值模拟,得到了其内部流场和压力脉动特性。结果表明,数值计算结果与实验结果基本一致。对压力脉动特性进行分析,发现在不同流量工况下,泵内流场均表现出明显的周期性变化的压力脉动特性,蜗壳第一断面压力脉动强度最低,第二断面压力脉动强度最高。压力脉动的主频均是叶片通过频率,随着流量的增加主频幅值呈现减小的趋势。进一步对单叶片离心泵的蜗壳内二次流的非定常特性进行分析,发现不同流量工况下,蜗壳内均出现二次流旋涡,并随着叶轮旋转也呈现出周期性变化。蜗壳内的横向速度在额定流量下较小,在非额定流量下显著增大。该研究可为单叶片离心泵机组运行稳定性提供一定参考。     

离心泵内部四面体网格的优化算法

归纳了四面体全自动网格生成时产生的畸形单元的类型,提出通过数值计算判断不同的畸形单元类型的准则,并分析了离心泵模型网格剖分后产生的畸形单元的类型、分布及原因.通过对现有网格质量函数的研究并考虑边质量约束推导出错误函数,采用错误函数作为基于优化算法光顺的目标函数,通过应用变尺度法（BFGS）求解错误函数最小值问题对四面体网格进行光顺.将改进的基于优化算法的光顺与智能Laplacian光顺和交换技术相结合,用以解决前沿推进法（AFT）和Delaunay三角化方法产生的畸形单元问题.通过某离心泵算例进行验证,结果表明,优化后的网格质量趋近于0的最差单元基本被消除,同时网格的整体质量也得到显著提高,该算法可以很好地应用在离心泵内部四面体网格的优化中.     

双流道泵内压力脉动的CFD计算及测试

基于计算流体动力学软件Fluent,应用滑移网格技术,对一比转速为99的双流道泵在设计工况下的内部流场进行非定常计算,得到不同时刻叶轮和蜗壳内监测点的压力脉动规律.计算结果表明叶轮流道内不同位置处点的压力波动在一个周期内呈现周期性变化规律,同时从进口到出口逐渐升高,压力出现波峰和波谷的时间间隔大致相同.蜗壳流道内,离隔舌位置越近,压力波动越大,蜗壳出口的压力波动呈周期性变化规律,关于基圆中心对称的两个点的压力波动规律非常相似.利用虚拟仪器技术和水下压力传感器测量了蜗壳出口处的压力脉动,对比结果表明数值计算结果与试验压力结果基本一致,满足压力脉动预测的要求.     

不同比转数离心泵设计工况下湍流模型的适用性研究

应用离心泵数值模拟中常用的5种湍流模型,使用Fluent软件对5台不同比转数的离心泵在设计工况下的内部流动进行了叶轮蜗壳耦合数值计算.基于数值模拟结果,对这5种湍流模型进行了对比性研究.研究表明:在设计工况下,5种湍流模型的计算结果与试验值都存在不同程度上的误差;在低比转数离心泵和中等比转数离心泵中.RNG κ-ε模型的计算结果与试验值较为接近,而对于高等比转数离心泵,SST κ-ω模型的计算结果相对于其他模型来说较为理想;5种湍流模型所计算出的中间截面处的涡量大小和湍流强度分布都比较相似,但也存在不同程度上的区别,其中RNGκ-ε模型相对于其他模型来说差异最为明显.