蜗壳不同心度对核主泵瞬态水动力特性研究

为研究核主泵在不同工况下运行的瞬态特性,基于RNG k-ε模型采用CFX三维非定常数值模拟方法分析其在4种不同同心度下压力脉动变化规律。结果表明,改变偏心距并未改变叶轮主频,随偏心距增加叶轮内压力脉动幅值先减小后增大。各偏心距在不同工况下压力呈相似规律变化,且波动次数等于导叶数目,即叶轮内流动状态受导叶影响较大。小流量工况下脉动幅值随偏心距增加波峰出现位置逐渐向下一时刻推移,且不同偏心距下压力脉动幅值差别较大;设计工况下叶轮流道内压力脉动幅值波动明显小于小流量工况,出口压力脉动幅值远大于进口。大流量工况时叶轮内各监测点压力脉动幅值在各偏心距下从叶轮进口到出口均呈不稳定波动,波动幅值远大于设计工况。偏心距为10~15 mm时核主泵运行压力脉动最小。     

泵喷分布式脉动压力激励下泵喷艇体耦合系统振动声辐射

针对suboff艇后泵喷推进器分布式脉动压力激励下的泵喷-轴系-艇体耦合系统振动声辐射响应计算和特性分析开展研究。建立计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)模型利用剪切应力输运(shear stress transfer, SST)k-ω模型进行suboff艇后泵喷推进器表面脉动压力的计算,利用耦合有限元法(finite element method, FEM)建立泵喷-轴系-艇体耦合系统动力学模型,结合自编径向基函数插值程序获得表面脉动压力在泵喷结构湿表面的空间分布,利用边界元法(boundary element method, BEM)计算泵喷-轴系-艇体耦合系统的声辐射特性。对泵喷-轴系-艇体的耦合模态特性、传递力、辐射声功率和指向性等开展分析。结果表明:声辐射以转子表面脉动压力的贡献为主;二阶轴频以上,纵向脉动压力的贡献占优;泵喷激励下,振动声辐射主要特征频率包括激励力特征线谱、艇体的纵振模态、转子同相振动模态(呼吸模态)、转子-轴系一阶纵振模态等;导管和定子脉动压力激励下振动声辐射响应峰值出现在叶频(blade passing frequency, BPF)和2倍叶频处,量级和转子表面脉动压力激励处于同一量级,但其和转子表面脉动压力共同作用时,由于相位相互抵消,响应幅值并没有显著增大。研究结果可为泵喷-轴系-艇体耦合系统振动声辐射的控制提供指导。     

分流叶片离心泵非定常流动及动力学特性分析

为了研究在流固耦合作用下分流叶片对低比转数离心泵内部非定流动及结构动力特性的影响,以高温熔盐泵为研究对象,采用计算流体力学软件ANSYS CFX12.1和有限元软件ANSYS Workbench对有/无分流叶片的两种方案高温熔盐泵,进行了考虑泵内部流场和结构场的相互作用的双向流固耦合求解。对比分析了两种方案对泵非定常流动及结构动力特性的影响,结果表明:流固耦合作用使得各监测点的压力脉动和径向力脉动规律和幅值均发生了明显变化,说明在该类泵的流场模拟中,流固耦合作用较明显,不可忽视;分流叶片的添置减小了流场内压力脉动及径向力脉动幅值;带分流叶片转子的变形量变化梯度、等效应力变化梯度、最大变形量及最大应力值均小于不带分流叶片转子,且带分流叶片转子等效应力随时间的变化也明显小于不带分流叶片转子。即分流叶片的添置不仅有利于提高转子的承载能力,而且还有利于改善转子的变形和受力,从而提高转子的抗疲劳能力。     

基于Lighthill声类比理论的喷水推进泵不稳定流动诱导噪声的数值研究

喷水推进泵内部不稳定漩涡流态对舰船推进系统的稳定性和噪声具有重要的影响,为了研究多工况下的流动特性及流致噪声机理,采用了计算流体力学(CFD)与计算声学(CA)耦合数值模拟的方法,针对喷水推进泵的不同的运行工况进行了精细化非定常数值模拟,并与实验结果进行了验证。基于非定常数值模拟结果,将叶轮表面旋转偶极子与导叶表面固定偶极子的CGNS数据作为声源,采用BEM法开展了一系列的内声场及外声场声振耦合计算。研究结果表明:喷水推进泵压力脉动的幅值从叶轮进口处到导叶出口处逐渐减小;在额定工况下,喷水推进泵内部的压力脉动系数的最大值都出现在一阶叶频附近,叶片通过率是幅值的主要影响因素;随着流量工况减小,一些监测点在低频范围内的压力脉动超过一阶叶频处的值,成为主频;随着流量减小,喷水推进泵内部压力脉动幅值明显增大,内声场的声功率级随之上升,外声场声振耦合的声压级也随之增大,且呈现出明显的偶极子特性,本文的研究结果为舰船喷水推进泵的低振低噪设计和运行提供了理论基础。     

气液两相入流条件下离心泵内部流动诱导特性实验研究

搭建了泵送气液两相流实验台,以比转速n_s=132.2的离心泵为模型进行气液两相入流条件下的流动诱导特性研究,获得了在不同进口含气率下的外特性和压力脉动、振动信号的频谱和概率密度图。研究结果表明:气液两相入流条件下,离心泵在小流量工况时的性能对气体更加敏感;模型泵在入流含气率超过8%以后,性能急剧下降且可测试的工况范围变窄并比较紊乱,能达到的最大入流含气率为10%;气液两相入流条件下,泵出口压力脉动主频仍为叶频,叶频处幅值随着进口含气率的增大而增大,含气率越大低频区的宽频特性越明显;压力脉动信号和振动信号均服从正态分布,随着进口含气率的不断增大,压力脉动的概率密度函数(PDF)幅值逐渐减小而压力幅值跨度逐渐变宽,振动的PDF幅值呈先增大,然后减小,在进口含气率为5%时达到最小(仍大于纯水工况),然后再增大的趋势,两者均可作为流态监测的重要依据。     

大流量工况下核主泵内部不稳定特性分析

为了研究大流量工况下,核主泵内部流动不稳定特性,基于RNG k-ε湍流模型,利用ANSYS CFX对大流量工况下核主泵内部流场进行三维非定常数值模拟,分析了大流量工况下在导叶不同位置9个监测点上压力脉动的时域和频域特性。研究结果表明:由于漩涡的存在,H~Q曲线在1.0Qd~1.1Qd内出现正斜率现象。核主泵导叶流道内最大压力脉动出现在导叶进口处,随着流量的变化,主泵运行偏离最优工况越远,导叶进口处的压力脉动系数越大,在1.3 Qd工况时导叶进口处的压力脉动系数最大且为出口处的2.5倍;蜗壳壁面的径向力受流量变化影响最大,在一个旋转周期内蜗壳壁面所受到的径向力随流量的增加平均值逐渐增大,偏离额定工况越大,蜗壳壁面受到的径向力最大,导叶次之,叶轮最小。试验与数值对比分析发现大流量工况下二者吻合较好,证明该数值模型可较准确地描述泵内流场特征。     

余热排出泵内部不稳定流动数值模拟与实验研究

为了研究余热排出泵在多工况下内部流动特性,基于ANSYS CFX软件,采用SST湍流模型,对模型泵进行三维非定常数值模拟,获得了不同工况下余热排出泵的水力性能、内部流场结构和压力脉动特性,同时展开压力脉动实验研究,并与计算结果进行对比。研究结果表明:大流量(1.2Q_d)和设计流量(1.0Q_d)工况下,叶轮和导叶内部流动比较稳定,随着流量的减小叶片进口背面附近开始形成失速旋涡,流道内均发生不同程度的流动分离,且沿着流道向出口处发展;叶轮出口压力脉动主频为7f_z,受导叶叶片数影响;导叶和蜗壳出口的主频均为5f_z,主要由叶频决定;设计流量下各监测点处压力脉动系数幅值最小,越往小流量工况,幅值越大;说明在小流量工况下余热排出泵内部出现了不稳定流动现象。     

双吸离心泵压力脉动特性数值模拟及试验研究

为深入了解双吸离心泵内部非定常压力脉动特性,对一台双吸离心泵在0.6Q_d、0.8Q_d、1.0Q_d和1.2Q_d工况下的压力脉动特性进行了试验和数值模拟研究,得到了吸水室和蜗壳壁面上3个监测点的压力脉动时频域特性及泵内部压力脉动强度分布。对比试验和数值模拟的泵外特性和监测点的压力脉动功率谱密度,验证了数值模拟的准确性。结果表明:在设计工况和小流量工况下吸水室监测点处叶频是压力脉动的主频,在1.2Q_d时主频转变为轴频,且轴频的幅值随流量变化较小;因吸水室顶部漩涡较多,采用SST k-ω模型进行数值模拟未能准确预测吸水室中的压力脉动。蜗壳上监测点的压力脉动主频为叶频,其振幅随流量的增加先减小后增大,由于蜗壳内压力脉动主要原因为叶轮和蜗壳的动静干涉作用,数值模拟可以准确预测蜗壳中的压力脉动。在小流量时蜗壳出口处监测点的压力脉动主频为轴频,在设计工况和大流量时为叶频,但由于数值模拟未考虑环境因素,使得其结果与试验有偏差。蜗壳中压力脉动强度随着流量增加先降低后变大,在设计工况最低,在设计流量和大流量工况下隔舌断面上压力脉动强度对称分布。     

反向旋转双转子系统滞后特性分析

建立了考虑中介轴承非线性力的简化双转子模型,应用Matlab进行了数值计算,发现系统升、降速幅频曲线存在明显的滞后跳跃现象,并且在相同参数条件下,高、低压转子的滞后特性相似。进一步分别研究了转速比,中介轴承的径向间隙以及阻尼比对系统滞后特性的影响。研究发现转速比绝对值的增大使跳跃幅度逐渐增大但滞后区大小只有微弱的减小,并且使系统的临界转速逐渐减小,滞后区向左移动;径向间隙的增大使系统的滞后区逐渐增大但跳跃幅度几乎不变,而且对系统临界转速的影响较小;阻尼比的增大使系统的滞后区和跳跃幅度逐渐减小,并且使系统的临界转速减小,滞后区向左移动。该研究结果有助于进一步认识中介轴承对双转子系统振动特性的影响。     

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。     

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。     

Study on leakage via the radial clearance in a novel synchronal rotary refrigeration compressor

The leakage flow characteristics at the radial clearance between the rotor and the cylinder in a novel synchronal rotary (SR) refrigeration compressor were analyzed, and the oil-refrigerant two-phase leakage flow model was established. The leakage at different temperatures caused by wall velocity and pressure difference was calculated, and their influences on the total leakage were analyzed, respectively. The calculation results indicate that the leakage of the oil-refrigerant mixture decreases firstly and then increases with the increase in the temperature. However, the refrigerant leakage always decreases when the temperature increases. Moreover, the leakage caused by wall velocity has great influence on the total leakage, especially when the radial clearance is small.     

叶轮隔舌间隙对离心泵性能和流动噪声影响的试验研究

搭建了离心泵流动诱导噪声测试台,采用四端网络法声学测试模型,试验研究了离心泵性能和流动噪声随流量的变化规律,分析了空化发生时的流动噪声特性。通过研究不同叶轮切割量对模型泵外特性、流动噪声声压级和空化性能的影响,提出叶轮和隔舌之间的最佳间隙值。研究结果表明：在高效区运行时,模型泵进出口流动诱导噪声均随流量先减小,至效率最高工况点达到最小,然后上升;各流量下,随着空化余量的减小,模型泵进口噪声总声压级先缓慢增加,再迅速上升,达到极值后缓慢下降;随着叶轮切割量的增加,模型泵扬程跟叶轮直径的平方成正比,最高效率点向小流量工况偏移,临界空化余量变小;综和性能和流动噪声考虑,模型泵叶轮和隔舌的最佳间隙率为15%;在间隙值小于最佳值时,切割叶轮能显著降低噪声并提高模型泵的临界空化余量,并且对模型泵出口流动噪声的影响比进口明显。     

平衡式外啮合余弦齿轮泵结构和性能研究

基于普通齿轮泵存在流量品质差、径向力不平衡等缺陷,提出一种新型平衡式外啮合余弦齿轮泵设计方案.这种新型余弦齿轮泵,既保留了普通齿轮泵的结构特点,又具有流量品质较好、功率密度较高、中心轮所受径向力平衡和排量大等优点.研究了中心轮齿数对泵流量脉动率的影响,研究结果表明：新型余弦齿轮泵的流量脉动率只有普通余弦齿轮的1/3,提高了齿轮泵的流量品质.因此这种新型齿轮泵可拓展齿轮泵的应用领域,有一定的研究和应用价值.     

运行参数与轴流泵流体激励力的关系

泵内非定常压力脉动会引发泵体的结构振动,运行工况的变化会改变泵内流场的流动状态,从而对泵的振动特性产生影响。通过流体力学计算软件FLUENT对某台立式轴流泵内流场进行仿真计算,分别改变泵运行速度和流量两项参数,得出转速改变后,叶轮受到的力会偏离了相似理论的计算值;工作在小流量时,泵内压力脉动与叶轮受力均大于大流量工况,且叶轮区域出现流动分离现象,不利于振动噪声的控制。     

低脉动椭圆齿轮泵的多参变扭振模型及动态特性

新型椭圆齿轮泵具有低脉动、大排量的性能优势,在流体输送领域具有广阔的应用前景,针对泵的两级非圆齿轮传动机构,研究多参变激励下泵的动态特性。分析了椭圆齿轮泵的流量脉动组成,针对由非圆形转子引起的主脉动,提出了基于非圆齿轮变速驱动的平抑方法;讨论了非圆齿轮时变瞬心激励机理,建立了两级非圆齿轮传动机构的动力学模型;通过龙格-库塔法,定量地研究了在时变瞬心和刚度复合激励下泵传动机构的扭振特性,结果表明:椭圆齿轮泵传动机构产生复杂的多频响应,随偏心率,转速和泵出口压力的增加,转子上瞬心和刚度引起的振动发生不同的变化,最终导致两转子的振动加剧。     

Analysis of the flow in grooved pumps with specified pressure boundary conditions

In this study the numerical method is employed to examine the flow in pumps with spiral grooves. A methodology suitable for the use of unstructured grids is developed. In order to have the greatest feasibility, the governing equations are formulated in such a manner that the grids are allowed to rotate with the rotor. Different from common practices, pressures are specified on the inlet and the outlet boundaries. Therefore, special treatments are required to calculate the mass flow rate and the inlet and outlet velocities. The methodology developed here is assessed via comparison with existing measurements and good agreement is obtained. Examination of pump parameters reveals that in order to obtain maximum flow rate, both the spiral angle and the groove height need to be carefully determined. The force balance over the entire flow channel shows that for a fixed pressure rise across the pump, the pressure difference between side walls is proportional to tangent of the spiral angle and the groove width, but inversely proportional to the groove height and the rotor length. These relationships can roughly be seen in the calculated results.     

高效液相色谱输液泵流量脉动的研究

设计并搭建了输液泵输出流量脉动测试装置,在不同测试条件下,研究了高效液相色谱系统中常用的串联式和并联式往复柱塞泵的流量脉动。实验得到了这2种输液泵流量脉动率随流量或背压的变化趋势,并证实输液泵的流量脉动周期与凸轮运动周期接近。利用脉动阻尼器来降低流量脉动,可使2种输液泵在6.5 MPa背压下的流量脉动率降为原来的10%左右。该测试装置及方法可在高效液相色谱输液泵的设计改进过程中提供帮助。     

Study of the neutral gas flow on discharges of capacitively coupled plasma in a PECVD reactor

A two-dimensional fluid model is established to describe the argon discharges coupled with the neutral gas flow in a capacitively coupled plasma reactor. Two different configurations are designed to investigate the influence of the gas flow direction on discharges. The radial distributions of ion density and ion flux are paid for a special attention. It is found that when the gas flow is mainly axial, the ion density and ion flux increases significantly with the increase of inlet velocity, and the radial uniformity of their distributions changes little. When the gas flow is mainly radial, there are two peaks in the ion density distributions. With the increase of velocity, the left peak is weakened and the right peak is enhanced. It is also found that with the increase of the outlet pressure, both the ion density and ion flux increase greatly, but the influence of the gas flow on discharges decreases distinctly. Moreover, it is shown that the density peak moves from side to center at high pressure when the neutral gas flow is mainly in the axial direction.     

Hochvakuumpumpe gegen Atmosphäre

High vacuum pump working against atmosphere The OnTool^TM Booster vacuum pump consists of side channel and Holweck pump stages, achieves 10⁻⁵ mbar (10⁻³ Pa) pressure and works against atmosphere. Research, which is done on side channel pump stages, shows ways to increase the compression and pumping speed and to reduce their power consumption. The experiments show that rotors with radial blades machined on both sides at the periphery of the rotor have a better performance than rotors with radial blades machined only on one side of the rotor, rotors with semicircular blades or rotors with straight blades. It was also shown that the compression ratio of side channel pump stages depends on the number of radial blades at the periphery of the rotor. The compression ratio of side channel pump stages achieves its maximum at a specific number of radial blades in the rotor N_m = D · k_m because the momentum and energy transfer from rotor to gas in the side channel has its maximal value with this number of radial blades. Reduction of the axial gaps between the rotor and the stator increases the compression ratio of side channel pump stages as expected due to lower leakage along the gaps.