离心泵流体激励力的研究：叶轮部分

研究叶轮流体激励力是进一步研究离心泵流体激振的基础之一。本文基于对单级单吸式离心泵内非定常流场的CFD计算,通过积分得出叶轮转动过程中叶轮各表面所受空间三个方向的流体和力与和力矩,并分析了各表面对合力与合力矩的贡献,最后通过测试离心泵转轴的径向振动位移以验证所得结果的正确性。结果表明,叶轮各表面流体力空间三向合力与绕三个正交坐标轴的合力矩均周期波动,其中两个相互垂直的叶轮径向流体合力均以叶轮转动一周为一个周期,其余方向合力与绕坐标轴的合力矩均以相邻叶片通过蜗舌的时间一个周期;叶片所受流体径向合力是叶轮所受径向流体力的主要来源,叶轮前盖板外表面与后盖板外表面之间的压力差决定叶轮所受轴向力的大小,前盖板流体压力分布的不均匀程度决定叶轮绕径向转矩的大小,叶片所受流体力是叶轮绕转轴转矩的主要原因。     

离心泵流体激励力诱发的振动:蜗壳途径与叶轮途径

研究蜗壳、叶轮途径流体力诱发的离心泵振动,分析CFD蜗壳内表面流体力作用下电机-离心泵-机架FEM模型瞬态响应;用Newmark-β算法分析CFD叶轮表面流体合力、合力矩作用下叶轮-转轴-支撑-机架转子动力学模型响应;并对比蜗壳、叶轮两条途径流体力诱发离心泵基座振动。结果表明,泵内表面流体压力脉动为宽频激振源,会诱使离心泵系统产生各阶模态振动;流体力通过叶轮途径诱发离心泵基座振动位移幅值谱最大峰值出现在叶轮转频处,振动加速度幅值谱最大峰值出现在叶轮流道通过频率处,而非叶片通过频率处;流体力通过蜗壳途径诱发的离心泵基座振动远小于叶轮途径诱发的振动,叶轮-转轴-支撑-机架为流体激励诱发离心泵基座振动的主要途径。     

离心泵噪声研究的综述和展望

回顾了离心泵噪声研究的国内外现状。首先总结了离心泵噪声的来源,并对离心泵噪声来源的研究进行分类评述：机械结构影响离心泵噪声的研究,包括蜗壳几何形状与叶轮影响离心泵噪声的研究;流体动力影响离心泵噪声的研究,包括对汽蚀、流固耦合与湍流诱发噪声的研究。而后从离心泵诱发噪声的数学模型推导、数值计算与试验研究三个方面对研究离心泵噪声所使用的方法进行了总结;最后讨论了目前研究存在的一些问题和今后的研究方向。     

多级离心泵流场优化及验证

流体激励力是离心泵主要振源之一。通过对离心泵流场进行优化,可有效降低泵组流体激励力,减小离心泵振动。以多级离心泵的减振降噪为研究目的,运用CFD仿真技术从切割叶轮及改变蜗壳形状两个方面对流场进行优化。通过对比优化前后压力脉动以及流场激励力变化,说明优化情况。最后考虑加工工艺要求,选择切割叶轮的优化方法,并通过机脚振动响应的变化间接验证改善效果。结果表明：切割叶轮与改变隔舌形状对离心泵叶频及其倍频下的压力脉动与流体激励力都有减小,切割叶轮后机脚响应降低了4 dB。     

螺旋离心泵转子系统动态响应数值分析

为研究螺旋离心泵转子对流固耦合作用的动态响应信息,以ZJ200-25型双叶片螺旋离心泵为研究对象,利用CFD软件CFX12.1和有限元软件ANSYS Workbench对其进行了考虑流场变载荷和结构相互作用的两场交替联合求解。得到转子受到的激励力以及位移响应频谱特点,结果表明：叶轮受到流场变载荷激励,发生了弯曲及拉伸振动;叶轮径向位移随流量增大而减小,其主频率与径向力主频率同为48.3Hz,轴向力以低频随机波动为主,但轴向位移仅在200Hz以内有较明显的响应,且振幅随频率增加而减小;叶轮质心位移在低阶频率处的振幅不高,高阶频率的振幅逐渐减小,轴向及径向位移均没有振幅过大的情况出现,说明螺旋离心泵转子正常工作时未发生共振,稳定性良好。本文研究结果对螺旋离心泵转子系统的设计改良及振动分析具有一定的参考意义。     

离心泵转子动力学模型中流体力的简化

采用叶轮流体力的简化方式可以提高离心泵流体激励诱发振动的计算的准确程度。根据达朗伯原理对试验台架建立了包含离心泵基座的四圆盘三轴段转子动力学模型;将流体力分别简化为叶轮内20 %流体质量、40 %流体质量、CFD集中力与力矩,采用Newmark-隐式算法对转子动力学模型进行瞬态响应分析。结果表明,将叶轮上流体力简化为CFD;所得集中力与力矩时;可有效得出离心泵运转过程中流体激励所诱发的基座振动。而所获得的基座振动位移与加速度幅值均远大于将流体力简化为叶轮内20 %或40 %流体质量所获得的基座振动数值。另一方面,将流体力简化为叶轮内40 %流体质量所获得的基座振动大于简化为叶轮内20 %流体质量所获得的基座振动。     

单、双隔舌对离心泵径向力特性及内部流场的影响

为了明确不同型式隔舌对离心泵内部流场的影响,利用标准k-ε湍流模型,对不同工况下单隔舌、双隔舌蜗壳离心泵外特性参数进行数值模拟及相关试验,验证双隔舌蜗壳离心泵的可行性,分析不同工况下单隔舌、双隔舌离心泵叶轮与蜗壳处径向力特性,并对蜗壳和叶轮静压分布以及流场的湍动能进行研究。结果表明:采用双隔舌蜗壳并不会对离心泵外特性造成影响;不同工况下,作用在蜗壳上的径向力均远大于叶轮上的径向力,当采用双隔舌时,叶轮处径向力略微减少,而蜗壳处则降低显著;两种隔舌离心泵叶轮内流体流动趋势相当,各处静压分布较为均匀;不同时刻下,采用双隔舌时,其蜗壳内静压分布变化更小,尤其表现在蜗壳扩散段,说明双隔舌蜗壳更利于流体流动。     

离心泵流动诱发振动特性数值计算分析

建立了一种适用于离心泵等叶轮机械流动诱发振动工程计算的数值模型和方法流程。基于URANS方程求解泵内流场,在流场非定常计算过程中输出叶轮所受时域脉动压力,将脉动压力通过FFT转换到频谱并以之作为泵组结构的振动激励源,采用隐式有限元方法进行泵组结构振动响应的计算。计算方法通过测试得到验证,可以用于离心泵流动诱发振动特性的计算评估和低噪声设计。完成了原型和改进型船用海水泵在设计工况下流动诱发振动响应的计算,分析了两型泵流场、振动激励源和振动响应等特性。计算表明,泵的改型设计显著减小泵内压力脉动以及振动激励源,改型泵振动小于原泵。     

基于流固耦合的导叶式离心泵强度分析

运用顺序耦合和双向流固耦合方法对导叶式离心泵进行了强度分析。通过顺序流固耦合方法,对叶轮进行了静应力强度分析,并与双向流固耦合方法得到的结果进行了比较。同时,对双向流固耦合结果中最大等效应力节点A和最大变形区域的节点B在叶轮旋转一周过程中的等效应力变化的时域图以及频域图进行了分析。结果表明,最大等效应力出现在叶轮前盖板、叶片背面和叶轮出口边的交界处（节点A）;叶片进口边中部以及与前后盖板的交界处和叶片出口与后盖板的交界处这些地方有应力集中,可能发生强度破坏。后盖板出口处且正好在流道中部位置变形最大（节点B）,可能发生刚度破坏。对于静力学分析,顺序耦合与双向耦合的结果基本一致。节点A的变形量小于节点B,但交变应力的幅值却远大于节点B。疲劳裂纹的扩展速度主要取决于交变应力幅值的大小,因此,在节点A处更易发生疲劳破坏。计算结果对导叶式离心泵叶轮结构优化设计提供了有效依据。     

叶片包角对泵作透平水力径向力的影响

为研究叶片包角对离心泵作透平瞬态水力径向力的影响,以一台蜗壳式离心泵反转作透平为研究对象,保持叶轮和蜗壳其他几何参数不变,应用计算流体力学软件CFX对泵作透平全流道内多工况瞬态流动特性进行数值计算,并对预测性能进行了试验验证。结果表明,作用在叶轮上的径向力,当叶片包角增加超过一定值时小流量工况下减小不明显,而大流量下减小显著。随包角增加,作用于蜗壳上的径向力减小并向第四象限偏移。叶片包角存在一个合适的取值范围,使得泵作透平运行在大流量工况下时径向力较小。     

含转轴裂纹的离心叶轮转子非线性动力学特性研究

建立了带有裂纹故障的的不平衡离心叶轮转子在非线性横向流体激振力和非线性轴承油膜力作用下的横向振动力学模型,并推导了系统的无量纲运动微分方程。运用数值积分法对系统的分岔特性进行了仿真。最后分析了横向流体激振力以及裂纹深度对离心叶轮系统动力学性能的影响。     

卫生型离心泵水力性能的参数化研究

为给卫生型离心泵过流部件结构的优化设计提供依据,采用CFD分析软件Fluent对卫生型离心泵内部流场流动进行了数值模拟和水力性能的参数化分析.给出了建模和流场分析方法,分析了泵内流体速度和压力的分布特性,基于流动模拟结果预测了水力性能.性能预测结果与试验结果吻合较好.关键结构参数对水力性能影响的计算结果表明,叶轮轴向间隙、叶片宽度、叶轮与蜗壳直径比等参数均存在最优值.研究结果对卫生型离心泵的结构改进和性能提高具有参考价值.     

固液两相流下离心泵内特性和颗粒分布的数值模拟研究北大核心CSCD

基于计算流体动力学(CFD)和数值模拟的方法,研究固液两相流下的离心泵内特性变化规律、颗粒分布和速度,从而进一步探索离心泵的磨损规律。计算结果表明,颗粒的浓度和密度对离心泵内特性存在一定的影响,总压和湍动能系数k(液相)随着θ角度增大呈现出周期性波动的现象,并且总压和湍动能系数k(液相)在不同的工作条件下的波动的规律比较相似。在不同的颗粒浓度下,蜗壳中固相颗粒浓度沿着蜗壳半径方向向外逐渐增大,其中隔舌出口附近的蜗壳内边缘处的浓度最高,且在隔舌出口附近颗粒分布较为不均匀。此外,颗粒密度对颗粒在离心泵内分布的影响较为明显。相比于大密度颗粒工况,当颗粒密度较小时,离心泵流道内颗粒分布较为均匀。颗粒速度大小和浓度的分布在叶片的工作面和背面有着明显的不同,在叶片工作面上,颗粒在叶轮进口附近易集中,在叶片背面上,颗粒在叶轮进口附近和叶片末端易集中,从而推断在叶片工作面入口上边缘处和在叶片背面的末端磨损更有可能被磨损。     

双吸离心泵正反转工况流致振动噪声研究

为深入了解双吸离心泵运行的振动噪声规律,以某一双吸式离心泵为研究对象,基于声学间接边界元法(IBEM),采用LMS Virtual-Lab分析计算平台,进行基于泵壳模态的强迫振动响应计算。然后根据泵壳模态强迫振动响应计算与声学间接边界元的声学波动方程求解耦合方程,得到双吸泵在液力透平工况和泵工况下外辐射声场的声压级指向分布和声压级分布。结果表明:偶极子声源是流体噪声的主要声源;在蜗壳隔舌处非定常脉动力是主要的噪声源;叶频及其倍频是双吸泵外辐射声场噪声的主要诱导频率;泵壳发生了共振,所以声振耦合的作用不可忽略。研究揭示了双吸泵作液力透平及泵工况内部流动诱发的外辐射声场的声振耦合计算规律,为后续减振降噪研究提供了理论基础。     

匀加速激励下的液体晃动力解析计算

针对矩形容器在匀加速运动下的液体晃动问题,采用基于非线性振动的解析方法求出容器所受液体晃动力的解析近似解,并分析其非线性效应以及加速度大小和充液率的影响作用。根据流体速度势的解析解计算边壁处的流体压力,而对于部分边壁区域的流体压力则采用线性分布的近似估计。对流体压力沿边壁做积分即可获得边壁处液体晃动力的解析近似解。计算结果表明,非线性因素并不会对容器所受晃动力产生较大影响,晃动力非线性项与加速度立方成正比;充液率的变化会使得线性晃动固有频率的数值发生改变,进而对晃动力线性项造成影响,其影响程度与固有频率曲线的变化趋势较为一致。     

固液两相流下离心泵内特性和颗粒分布的数值模拟研究

基于计算流体动力学(CFD)和数值模拟的方法,研究固液两相流下的离心泵内特性变化规律、颗粒分布和速度,从而进一步探索离心泵的磨损规律。计算结果表明,颗粒的浓度和密度对离心泵内特性存在一定的影响,总压和湍动能系数k(液相)随着θ角度增大呈现出周期性波动的现象,并且总压和湍动能系数k(液相)在不同的工作条件下的波动的规律比较相似。在不同的颗粒浓度下,蜗壳中固相颗粒浓度沿着蜗壳半径方向向外逐渐增大,其中隔舌出口附近的蜗壳内边缘处的浓度最高,且在隔舌出口附近颗粒分布较为不均匀。此外,颗粒密度对颗粒在离心泵内分布的影响较为明显。相比于大密度颗粒工况,当颗粒密度较小时,离心泵流道内颗粒分布较为均匀。颗粒速度大小和浓度的分布在叶片的工作面和背面有着明显的不同,在叶片工作面上,颗粒在叶轮进口附近易集中,在叶片背面上,颗粒在叶轮进口附近和叶片末端易集中,从而推断在叶片工作面入口上边缘处和在叶片背面的末端磨损更有可能被磨损。     

不同空化程度下离心泵流固耦合特性研究

针对离心泵空化下流固耦合问题,采用完全空化和气液两相模型,对离心泵空化进行了数值模拟计算,结合单向耦合计算方法求解了不同空化程度下转子系统的变形。分析了空化时叶轮上气泡、静压、液体相对速度分布情况以及蜗壳内部压力脉动和叶轮径向力特性,研究空化对离心泵内部流场和对转子系统变形的影响。结果表明,叶片吸力面较压力面的气泡体积和气泡区更大;随着空化的发展叶轮静压分布越不均匀;严重空化时叶轮上的气泡会堵塞流道,引起脱流现象,生成漩涡;空化导致压力脉动增强,径向力分布不规律;空化影响了离心泵转子系统的变形,空化引起的漩涡造成叶轮非轴对称变形。     

基于层约束叶片的核主泵空化特性与动力学特性研究

为研究瞬态空化工况下CAP1400核主泵动力学特性,基于层约束设计方法对叶轮叶片进行优化设计,使得产生在后盖板附近的气泡不至快速向前盖板方向发展,即将汽泡发展约束至不同层内。基于雷诺平均动量方程和SST k-ω湍流模型,通过CFX软件对核主泵空化瞬态过程进行定常和非定常数值计算,得到最优层约束叶片模型和空化发展过程中叶轮的瞬态轴向力与径向力变化,对时域信号进行快速傅里叶得到轴向力与径向力的频域特性。模拟结果分析表明:层约束叶片设计能够有效提升泵在小流量工况时的水力效率,而保持其在额定工况区域水力效率基本不变;空化瞬态过程叶轮所受轴向力指向叶轮进口,受空化汽泡带来的叶片表面压力差变化的影响较大;叶轮瞬态径向力合力周向分布规律不受空化程度的影响,而与泵本身的运行状态有关;核主泵在低频范围内径向持续振动明显强于轴向振动,且伴随空化的加剧愈加显著。     

基于模态动力学的离心风机振动特性数值研究

采用数值方法研究离心风机在流体激励力和叶轮离心力共同作用下的结构响应。离心风机在运行过程中的振动主要由流体激励力和叶轮离心力引起,传统的分析方法很难准确地模拟和预测这种流固耦合振动。首先模拟离心风机内部三维非定常流场,然后将流场分析得出的流体激励力施加到风机叶轮上,采用模态动力学方法对离心风机进行振动响应计算。研究叶片数和前盘厚度两种结构参数对离心风机振动特性的影响。结果表明,存在最佳的叶片数和前盘厚度值,使得离心风机达到较好的减振效果;增加前盘厚度有利于提高叶轮强度,但是随着前盘厚度的增加,系统振动越来越强烈,因此在叶轮设计时应充分考虑叶轮强度以及风机整机振动性能以确定最佳叶轮结构。     

离心泵蜗壳效应数值模拟与分析

利用FLUENT软件结合有限元体积法和Navier—Stokes方程,通过数值模拟方法研究离心泵蜗壳内的二维流场情况。根据分析结果表明离心泵的蜗壳壁面随着与叶轮距离的增大,受到的冲击越小。蜗壳出口处的壁面位置会存在低压区,对离心泵的内部流场造成能量损耗。利用数值模拟的方法,对离心泵蜗壳的设计优化提供了理论依据。