自吸式旋涡泵内流场数值模拟与试验研究

为了解自吸式旋涡泵的水力性能和内流场分布规律,利用计算流体力学数值模拟和试验方法对某自吸式旋涡泵的水力性能和内流场分布规律进行了对比研究。水力性能模拟结果显示,自吸式旋涡泵的扬程值随流量的增大近似呈线性降低,在设计工况点,其扬程的数值模拟与试验结果相对误差约为3%,在偏离设计工况点的小流量和大流量时,该相对误差值逐渐增大。通过内流场分析可知,自吸式旋涡泵的泵体流道内部流速分布较为均匀,其中隔舌流道进口处存在一个流速较大的区域。基于模拟结果,沿着泵体流道监测截面A、B、C、D、E进行了流道内部的流体静压分析,其结果显示,不同工况下,流体静压沿着泵体流道内部监测截面同样地近似呈线性增长,显示了流体在泵体内部的加压过程。该结果为自吸式旋涡泵的设计优化提供了有效参考。     

基于CFD的双流道泵内流特性分析

针对双流道泵小流量工况效率低、运行稳定性差等问题,通过CFD数值分析,对0.6Q_d、0.8Q_d、1.0Q_d、1.2Q_d工况下叶轮流动特性进行了压力、速度分布和隔舌处的压力脉动分析研究。结果表明:叶轮内压力分布存在明显的对称性,泵内各压力梯度所占区域随流量增加而增加,压力分布逐渐向高压区移动。叶轮截面1的速度随着流量增加而逐渐增大。在叶轮截面2内,叶轮内速度随着流量的增加而增加。叶轮进口旋涡随着流量增加而逐渐减小。流体经过截面2旋涡后,在截面3两侧流道内分别形成两个单独流动旋涡。在叶轮截面3内,叶轮流道内速度随着流量增加逐渐上升。隔舌处压力脉动具有周期性。设计工况下相邻波峰与波谷相差31.3 kPa。     

旋涡泵内纵向旋涡影响机理分析

为进一步研究旋涡泵内部流场特点,阐述旋涡内纵向旋涡对旋涡泵外特性的影响机理,本文通过试验测得某旋涡泵的流量-扬程特性曲线,并与数值计算结果相对比,验证SST k-ω湍流模型应用于旋涡泵数值计算中的准确性;通过分析6个轴向截面和15个周向截面的流场特征,研究纵向旋涡的形成和消失与压力速度变化的联系。结果表明:旋涡泵内可分为进口区、加速区、线性区、减速区、出口区和隔舌区;旋涡泵叶轮与流道的动量交换不仅仅发生在叶根和叶尖区域;线性区内纵向旋涡周期性的产生与消失使流体压力升高了总压升的85.7%;出口区和隔舌区内纵向旋涡的消失使进口区压力突降了35%,隔舌区速度突降了60%。     

螺旋离心泵不同工况下流固耦合受力分析

螺旋离心泵叶轮结构不对称性，在运行过程中所受一定的轴向力和径向力，对运行效率具有较大影响。对螺旋离心泵进行了全流道固液两相流计算，对叶轮表面压力分布、叶轮表面应力分布进行了分析，得出随着工况不断向大流量方向偏移，叶轮表面的压强逐渐增大，但叶片工作面和背面之间的压差却越来越小。流量和扬程呈负相关的关系，即流量越大，扬程越低。螺旋离心泵在运行过程中存在极大的轴向力，还受到一定的径向力。轴向力随着流量的增大而增大，扬程的增大而减小。螺旋离心泵在设计工况下运行最为稳定，越是偏离设计工况，内部流动情况越为紊乱，螺旋离心泵运行越不稳定，叶轮表面应力分布同样呈现出与流量负相关，即流量增大，叶片的应力和应变变小，在进行叶轮设计时，应在小流量工况下进行强度校核。     

混合式油气混输泵内部流动分析

为分析混合式油气混输泵内部流动情况、探索混合式叶轮结构对混输泵性能的影响，该文基于Pro/E及Fluent等软件，对混合式油气混输泵建立全三维流场。并采用Mixture多相流模型、 Standard k-epsilon湍流模型以及基于Pressure-Velocity耦合计算的Simple C算法。以理想状态的水和空气作为多相介质，通过改变含气率(GVF)等工况，分析了混合式油气混输泵的内部流动情况，以及不同外径的混流式叶轮对油气混输泵外特性的影响。结果表明：混合式油气混输泵相较于原型泵的扬程和效率得到提高，混流式叶轮内的气液分布较为均匀，随着混流式叶轮外径的增大，扬程提高越明显；在相同混流式叶轮外径下，随含气率提高，扬程逐渐下降，叶轮出口边出现气液分离，但流道内湍动能基本不发生变化。     

小流量高扬程离心旋涡泵的设计与试验研究

采用加大流量法对小流量高扬程离心旋涡泵进行了水力设计,并对自行研制的HTB-5/60型离心旋涡泵进行了与开式旋涡叶轮、复合离心叶轮及诱导轮有关的性能试验及汽蚀试验.试验研究表明:设计的诱导轮大大提高了泵的汽蚀性能,样泵的各项性能均可达到设计要求,复合离心叶轮与开式旋涡叶轮串联离心旋涡泵的理论设计是可行的.     

轮毂比对多相混输泵内流特性的影响

为了探究轮毂比对多相混输泵内流特性的影响,选取一单级压缩级在不同轮毂比下利用ANSYS CFX软件对多相混输泵的内流特性进行数值计算。结果表明:随着轮毂比增大,动叶轮出口从轮毂到轮缘的压力梯度变小,动叶轮轮毂处气体聚集程度变小,流速变快、流动现象变好;在纯水工况下,随着轮毂比增加静叶轮内旋涡和回流现象减弱,位于静叶轮出口轮缘处的最大湍动能区域变小;在进口含气率IGVF=19%时,随着轮毂比的增加,静叶轮进口轮毂处的旋涡消失,静叶轮出口处的旋涡越来越集中,位于静叶轮出口轮缘处的最大湍动能区域逐渐变大。本研究结论对多相混输泵结构的优化设计有重要的参考意义。     

炉水循环泵内部流动特性研究

炉水循环泵是机泵一体的高温高压无轴封泵,运用ANSYS-CFX软件对365WLB-965型炉水循环泵样机的内部流场进行数值模拟和试验验证。结果表明,在常温常压工况下,数值模拟与真机试验的扬程及效率变化趋势大致相同,扬程基本相符,模拟效率高于真机试验效率。在高温高压小流量工况下,叶轮内部存在少量旋涡,导叶内部旋涡较多;随着流量的增大,流动更加稳定,叶轮流域速度分布更加均匀,导叶内部旋涡越来越少;在1.2Q流量时,流动最为稳定;流量继续变大时,旋涡重新出现,但相对稳定;泵体内部流动紊乱,旋涡较多,局部存在低压区;球体截面直径减小的过程中,旋涡越来越多,旋涡随流量的增大逐渐减少,流动速度随流量的增大逐渐增大。炉水循环泵应避免在小流量区运行,可对其导叶进行优化设计来提高炉水循环泵样机额定工况下的性能。     

长短叶片离心泵的三维湍流数值模拟研究

采用全粘性三维湍流数学模型数值模拟长短叶片离心泵内流场,对比分析数值模拟计算和试验测得的水泵流量-扬程和流量-效率特性曲线;对小流量、设计流量和大流量3种工况下的数值模拟计算与PIV测量获得的内流场进行分析研究;给出叶轮出口相对液流角及出口相对速度沿叶轮周向的分布情况;结果表明,在相同流量下数值模拟计算的扬程要大于由实验测量获得的扬程,且随着流量的增大,两者之间的差异呈增大的趋势;在相同工况下,相对速度矢量方向以及叶槽内的流态基本吻合.     

叶片式气液混输泵全流道内流场特性分析

有关叶片式气液混输泵全流道内流场特性的研究还不充分,因此选取空气-水作为输运介质,基于ANSYS_CFX对一叶片式气液混输泵进行全流道数值模拟。计算域采用ICEM_CFD和TurboGrid进行了结构化网格划分。通过数值计算获取的外特性数据与试验数据进行对比,数值计算方法的可靠性得到了验证。计算结果显示,不同进口含气率下叶轮流道内的气体主要聚集在叶轮出口轮毂处的吸力面附近且随着进口含气率的增加,气体在该处的聚集程度增强,分布的不均匀度增加。9%、15%和21%进口含气率下叶轮内流体的最大湍动能分别是3%进口含气率下的1.07倍、1.53倍和1.83倍。不同进口含气率下导叶内的气体均在轮毂处聚集,且沿着流动方向,轮毂处的气体逐渐向主流区扩散。9%进口含气率下,叶轮内气体的聚集程度随着流量的增加逐渐减小,而导叶内的气体在设计流量(Q_d)时聚集程度最大,大流量(1.25Q_d)次之,小流量(0.75Q_d)最小。以上研究结果更深入地揭示了叶片式气液混输泵的内流场特性,可以为该类泵的优化设计提供参考,提高其输运效率。     

叶顶间隙对低比转数小流量泵性能的影响

为建立叶顶间隙对低比转速小流量泵性能的影响关系,采用数值计算的方法,以叶顶间隙宽s和叶轮出口宽b的比值(s/b)表征间隙大小,对不同间隙下泵的性能展开对比分析。分析发现,随着间隙的增加,泵的扬程和效率均逐渐降低,最大和最小间隙下的扬程和效率差分别达15.4%,5.5%。当间隙较小即s/b<0.2时,扬程曲线在小流量工况会出现不稳定的“驼峰”现象,在s/b>0.3后,设计工况附近效率的降幅显著增大。从流动特性来看,随着叶顶间隙的增大,间隙泄漏流对叶轮内主流区影响加剧,会诱导严重的二次流和旋涡的产生,同时间隙内不稳定流动也会产生能量损失,造成扬程和效率下降。为低比转数小流量泵的设计与优化提供借鉴意义。     

不同结构阀芯的滑阀流场CFD分析

以小通径滑阀为研究对象,针对阀芯凹角处旋涡对滑阀内部流场及性能的影响,提出了将阀芯凹角改进为圆弧型,用CFD软件Fluent对仿真模型进行稳态研究,得到了阀内流场的速度和湍动能分布规律:在开口恒定,入口流量相同的条件下,随着圆弧半径的增大,阀内最大速度和最大湍动能减小,但并不能完全抑制阀芯凹角处旋涡的产生。结合阀内流场流线图,将圆弧型结构进一步改进为斜角加圆弧型。对比分析表明,斜角加圆弧型结构可更有效平缓流场,抑制阀内旋涡的产生和发展,降低阀内湍动能的损失,提高能量利用率。     

煤液化调节阀流场演变特性的测试与分析

利用粒子图像测速技术（particle image velocimetry,简称PIV）和涡量分析原理对调节阀不同工况下的流场信息进行测量,研究了进口压力对液压调节阀速度场、涡量场及湍动能的影响。结果表明：调节阀节流口处有对冲射流,其在阀芯头部下游汇合后形成向下游的整体喷射;节流口下游的油液轴向速度先减小后增大,在喉部末尾处附近趋于稳定;在靠近壁面区域油液径向流动速度都较低,在流道中心区域流动速度较高;阀芯头部和下游流道存在由速度梯度引起的介质回流旋涡,高涡量区域主要分布在阀芯头部和壁面处,强的正涡与负涡呈2条斜形宽带分布;阀芯头部为高涡量区且具有贴壁特征,壁面附近高涡量区向下游延展;随着调节阀进口压力的增大,阀口流量、流场高速分布区域、旋涡的强度和尺度以及湍动能均随之增大。     

双流道泵输送固液介质的水力性能及磨损试验研究

为分析固液混合物对双流道输送泵性能的影响,采用平均粒径为10 mm和36 mm的固体颗粒对双流道泵在不同浓度和流量下开展输送固液两相介质的水力性能试验,并对泵的磨损进行分析。水力试验结果表明,在一定的流量下,随着输送混合物中固体颗粒浓度的增加,入口表压、出口表压、扬程及效率呈递减趋势。 与输送清水时比较,当输送固液两相介质时,随着流量的增大,轴功率上升较快,扬程的下降量在不同流量下几乎相同;效率曲线在不同流量下比输送清水时效率要低,差值随着流量的增大而增大。在同流量同浓度比工况下,泵的进出口压力、扬程和汽蚀性能在输送较大直径固体颗粒时,明显下降。通过对双流道泵磨损的分析表明,叶轮磨损部位主要在前盖板外缘、流道内偏前盖板的流道表面、压力面进口边,压力面的磨损区域呈三角形;泵体的磨损部位主要在周壁、隔舌及泵体口环处。本研究可为固液两相双流道离心泵的理论研究与设计应用提供试验依据。     

超低比转速复合式离心泵内部流动特性分析

为研究超低比转速复合式离心泵内部流动特性,以一台比转速为16、半开式复合叶轮离心泵为研究对象,应用ANSYS-Fluent19R1软件对模型泵进行三维全流场数值模拟计算,得出泵内部流场及作用在叶轮、蜗壳上的径向力分布规律。结果表明:在不同流量工况下,随着流量的增加,在隔舌附近出现较大的压力梯度;在长叶片与短叶片相间隔流道内低速区面积较大、叶轮出口处分布较多的旋涡;当流量从0.2倍增加至1.8倍额定流量时,作用在蜗壳上的径向力幅值逐渐减小,作用在叶轮上的径向力幅值先减小后增加,在1.0倍额定流量时径向力幅值达到最小,而后增大。为超低比转速复合式离心泵的设计优化提供参考。     

不同级数电潜泵失速演化及级间差异性研究

当电潜泵在小流量工况下运行时会出现失速现象,并出现一系列的负面影响,严重影响机组的安全性和稳定性。为了研究失速工况下电潜泵内部的旋涡演化及其级间差异性,文中对单级、两级和三级电潜泵进行数值模拟研究,重点讨论了设计工况、临界失速及深度失速工况下电潜泵的内外特性。结果表明：在设计工况和临界失速工况下,首级叶轮流道内部出现多个旋涡结构,次级与末级叶轮内流动顺畅。在深度失速工况下,单级、两级和三级电潜泵首级叶轮内部均存在着大尺度的回流涡,并伴随着强烈跨流道溢流现象;流道内部各种旋涡聚集糅杂形成涡团,对流道出口处产生严重阻塞。电潜泵首级叶轮进口处大尺度旋涡结构、各级叶轮同步失速以及导叶内强烈的分离涡共同导致扬程骤降,同时造成极高的能量损失。该研究为完善电潜泵设计方法提供了理论基础。     

离心泵偏工况下流动结构分布及演化特性研究

为了研究离心泵不同工况下的流动分离现象,本文以低比转速离心泵为研究对象,基于LES数值计算探索了泵内不同工况下的流动结构,利用在闭式试验台的性能试验来验证数值计算的准确性,发现泵最高效率点在1.1Qd左右,在设计流量下,LES计算误差小于1.5%。通过叶轮出口流场结构分布特点,对不同工况下的流动分离现象进行对比分析,获得叶轮扫掠隔舌过程中出口流动分离现象的变化特性,及其对叶轮内流场结构的影响。结果表明：流动分离现象表现为分离泡会在叶片表面形成回流,使叶轮出口流动呈现不均匀分布特性,加强射流-尾迹结构。特别在小流量工况下,流动分离为出口旋涡的旋转提供能量,造成出口流道大面积堵塞,堵塞面积可达55%左右,诱发小流量的驼峰现象。     

基于ANSYS／FLOTRAN CFD的碱泵设计与试验

应用ANsys／FLOTRAN CFD软件,对碱泵叶轮内三维湍流进行了数值模拟,分析了叶轮流道内流场分布规律,得出双“S”形叶轮宽流道有利于粘性介质输送的结论。采用加大流量系数法,分析叶轮各几何参数对泵的通过性能和效率的影响,并提出水力设计方法。试验结果表明,双“S”形叶轮碱泵流量一扬程曲线平稳,无驼峰,满足设计要求,为小流量超低此转速用于输送高温,强腐蚀、黏性介质泵的设计提供了设计参考。     

交错叶片对双吸离心泵性能特性影响分析

为了积极响应及实现国产化要求,对原进口泵进行整机国产化研制,通过数值模拟分析了叶轮叶片交错角度为0°、15°、30°时离心泵内的流态和压力脉动。结果表明:随着叶片交错角度的增大,小流量工况下,扬程值逐渐降低,效率值无明显变化;大流量工况下,扬程值和效率值逐渐增大;额定工况下,随着叶片交错角度的增大,压出室对称分布的两个单独流道同一位置处静压值逐渐增大,相对速度值逐渐减小,而叶片处的相对速度值无明显变化。压出室内压力脉动幅值随着叶片交错角度的增大出现明显的减弱现象。同一叶片交错角度下,随着压出室过流断面的增加,压力脉动幅值逐渐减小,隔舌位置处压力脉动幅值受动静干涉作用最大。站场运行结果表明,叶片交错角度为30°的国产泵较原进口泵振动值减小、耗能降低、泵运行平稳且效率高。     

不同打磨方法对离心泵水力性能的影响

为提高某导叶式多级离心泵额定工况的扬程,先后对导叶喉部和叶轮流道进行打磨,通过试验对比分析可知:打磨导叶喉部使得各工况效率有所提高,小流量区间扬程降低而大流量区间扬程增加;打磨叶轮流道提高了各工况的扬程,而效率基本不变。