离心泵内部非定常数值模拟与压力脉动研究

利用雷诺时均方程、双方程湍流模型并结合SIM-PLEC算法对离心泵内部三维不可压湍流场进行数值模拟,得出其内部的压力分布及监测点的压力脉动情况,在模拟的基础上,进行了外特性试验,试验证明了模拟结果的正确性。研究表明:由于蜗壳的非对称性使离心泵内部流动具有非对称及非定常特性,压力以叶片旋转频率发生周期性变化;额定流量时,监测点的压力波动幅度比偏工况时脉动幅值要小。     

大型双吸式离心泵内流场空化特性数值模拟分析

为探究大型双吸式离心泵的内流场空化特性,使用CFD技术的数值计算方法,在设计工况下,选用标准κ-ε湍流模型及基于Rayleigh-Plesset方程的输运空化模型,对某大型双吸式离心泵内流场空化特性进行数值模拟,经后处理得到离心泵在不同有效汽蚀余量时内部流动的压力分布、空泡体积分数分布情况,并结合试验结果进行对比分析。结果表明,利用CFD进行三维湍流数值模拟可有效反映出双吸式离心泵内流场的空化特性,数值模拟结果与试验结果较一致,为通过CFD数值模拟方法研究大型双吸式离心泵空化特性提供了参考。     

基于湍流数值模拟的双吸泵性能预测与验证

为了提高双吸泵的性能,采用RNGk-ε方程湍流模型和标准SIMPLE算法对某双吸离心泵全流道进行了三维湍流数值模拟分析。在流场数值模拟的基础上进行多工况的流体动力性能预测,并与实验值进行比较验证,表明该方法能够较为准确地预测出双吸泵的性能曲线。数值模拟得到的双吸泵内部流动速度、压力分布等能够进一步对双吸泵的内部特性进行预测分析。通过性能预测,对指导流道水力优化设计或实际工程改型设计等发挥了重要作用。     

叶片包角对双蜗壳离心泵水力特性的影响

为研究叶片包角对双蜗壳离心泵水力特性的影响,用数值模拟的方法研究了ZHA235-250-400型双蜗壳离心泵在不同包角下外特性、内流场及蜗壳内压力脉动,然后进行了离心泵水力性能实验。结果表明:随着叶片包角的变化,双蜗壳离心泵内部压力变化较大,当包角为130°时压力分布对称性较好,可有效平衡径向力;包角的增大会减小相对液流角,使双蜗壳离心泵的扬程和效率下降;蜗壳内部压力脉动主频是叶频及其倍频,叶片包角影响蜗壳内压力脉动,隔板起始端和隔舌是蜗壳频率脉动源的主要部分;当叶片包角为130°时,各监测点处的压力脉动幅值最低,动静干涉影响最小。     

基于电磁-结构场耦合的干式空心电抗器短路电动力计算

为研究叶片数对船用离心泵性能的影响,结合CFD软件CFX对三种不同叶片数的船用离心泵作全流场定常计算。计算时选用NSL125 415/A02型船用离心泵,以清水为工作介质,基于雷诺时均N S方程和标准κ ε紊流模型,压力、速度耦合采用SIMPLEC算法进行速度分量和压力方程的分离求解。通过不同叶片数船用离心泵在设计工况下的数值模拟和对比分析,揭示了不同叶片数船用离心泵的内部流动规律,获得了叶片数对船用离心泵的扬程、效率和性能的影响程度,为船用离心泵叶片数选取提供了参考。     

固相颗粒对离心泵内部流场影响的数值分析

为研究颗粒的粒径及体积分数变化对离心泵内部流场的影响,采用ANSYS软件对离心泵进行固液两相流数值模拟分析。研究粒径变化对叶轮流道内固相体积分数分布的影响,分析粒径、体积分数变化对全流道压力的影响。结果表明:在设计流量工况下,随着粒径的增大,叶轮流道内固相体积分数整体呈减小趋势,在叶片压力面进口处固相体积分数最大,且固相颗粒逐渐由叶片吸力面偏向压力面;随着粒径、体积分数的增加,扬程降低,进口负压值增大,泵发生气蚀的可能性增加,在出口处压力降低。     

采用开缝叶片流动控制的低比转速离心泵数值模拟与试验研究

基于流动控制技术,以某型号的低比转速离心式不锈钢冲压叶轮作为研究模型,采用数值模拟和试验研究了叶片不同开缝位置(r/R)对叶轮内部能量、湍流动能及耗散率分布的影响,同时制作了开缝叶片离心泵样机模型,并进行了试验验证,分析了叶片上开缝的相对位置对离心泵的扬程及效率等外特性的影响,比较了叶片有、无开缝的性能变化。研究结果表明:叶片开缝的位置对叶轮内流体能量的分布以及获得的总压能影响较大;开缝的存在会引起离心泵内部流场的变化,在开缝的地方会产生湍动能及耗散率的突变;不同的开缝相对位置对离心泵性能影响不同,开缝的相对位置为0.875,与没有开缝叶片的离心泵相比,效率提高了1.52%,拓宽了离心泵的高效区间,在大流量时,开缝存在起到了抑制分离的产生,提高了离心泵的扬程,改善了叶轮流道中流体的流动状态。     

叶片进口边位置对小流量工况下离心泵空化特性的影响

为研究叶片进口位置对小流量工况下离心泵空化性能的影响,应用数值计算方法模拟了比转数为81的离心泵的三种模型,得到不同进口边位置的离心泵空化特性,并分析了叶轮内部流场与空化性能曲线的影响关系。结果表明,在小流量工况下,低比转速离心泵叶片进口边位置越靠前,抗空化性能较好,但严重空化后扬程衰减更快,流道直接被空泡堵塞,流道和叶片表面气泡分布较均匀,且气泡充斥流道速度较快,气泡体积分数各流道差值越小。相比较而言,叶片进口位置越靠后,气泡在流道内部和叶片背面分布不均匀,易出现噪声和振动,但在断裂空化状态,气泡并未完全堵塞流道,扬程下降速度较慢。整体来看,在小流量工况下,叶片进口边位置越靠前,离心泵的抗空化性能较好,并通过试验研究验证了模拟结果的可靠性。研究成果可为小流量工况下低比转速离心泵抗空化性能的优化提供参考。     

叶片包角对离心泵内部流场品质的影响

为研究叶片包角对离心泵整机性能及其内部流场结构的影响,对设计的叶片包角95°、100°、105°、108°的四副叶轮模型A、B、C、D进行三维流场的数值模拟,基于RNG k-ε湍流模型求解Navier-Stokes方程。结果表明:叶片包角从95°增加到108°,离心泵的扬程下降了3.83%,效率下降了0.76%;不同包角下叶轮出口区域湍动能、叶片表面静压及其载荷分布都存在差异,随着包角增大湍动能升高,叶片表面最大载荷向后偏移,叶轮A为最佳包角选择;蜗壳进口处压力和速度沿周向波动十分明显,包角的改变未能明显改变蜗壳进口沿周向的水流这种不均匀特性。     

等离子发生器燃烧过程的数值研究

用湍流扩散燃烧的简单概率密度函数模型对等离子发生器燃烧流场进行了数值模拟。其中概率密度分布采用函数,使用RNG湍流模型得到了流场各参数同平均混合分数,混合分数脉动均方值的关系图及等离子发生器内部温度、压力、速度、密度、湍动能及各种燃烧产物等一系列湍流燃烧流场的特性参数分布,为研究燃烧室等离子强化燃烧机理奠定了基础。     

叶片数对低比转速离心泵性能影响分析

振动及空化是影响离心泵性能的重要因素。为了进一步优化流道,提高离心泵的性能,在保证离心泵其他参数不变的情况下,设计了3种不同叶片数叶轮。对3种离心泵进行全流道三维非定常湍流数值模拟,分析叶片数对离心泵性能的影响。结果显示:不同叶片数离心泵在两个监测点的压力脉动主频都是相对应的叶片通过频率,次频为叶片通过频率的倍频。叶片数的变化对隔舌处的压力脉动变化影响较大。随着叶片数的增加,离心泵的扬程逐渐增大,离心泵的效率变化比较复杂,当叶片数为5时,离心泵的效率最高。随着进口压力的不断降低,离心泵叶轮所受扭矩发生变化,在临界空化余量附近,泵扭矩发生陡降。     

离心泵叶轮穿孔对空化性能的影响

为分析离心泵叶轮开孔对空化性能的影响,选取一普通离心泵作为研究对象,在进口易空化区不同位置做不同直径的贯通孔,利用CFD仿真软件,对模型进行全流道三维定常湍流空化数值模拟,研究在不同进口汽蚀余量条件、不同开孔位置和不同开孔直径对离心泵性能影响。结果表明:开孔会造成叶轮内能量损失,损失大小与开孔直径和孔内平均流速正相关;开孔对离心泵空化性能影响主要取决于流体在吸力面与压力面之间的能量差和开孔造成的能量损失之间的差值,差值为正则抑制空化,差值为负则加剧空化;扬程和效率随开孔直径先升高后下降,当穿孔直径为3 mm时,达到最大值;开孔会影响叶片吸力面压力及流场分布;综合看,在C=0. 5流面开孔优于在C=0. 9流面开孔。     

Influence of blade outlet angle on performance of low-specific-speed centrifugal pump

In order to analyze the influence of blade outlet angle on inner flow field and performance of low-specific-speed centrifugal pump, the flow field in the pump with different blade outlet angles 32.5° and 39° was numerically calculated. The external performance experiment was also carried out on the pump. Based on SIMPLEC algorithm, time-average N-S equation and the rectified k-? turbulent model were adopted during the process of computation. The distributions of velocity and pressure in pumps with different blade outlet angles were obtained by calculation. The numerical results show that backflow areas exist in the two impellers, while the inner flow has a little improvement in the impeller with larger blade outlet angle. Blade outlet angle has a certain influence on the static pressure near the long-blade leading edge and tongue, but it has little influence on the distribution of static pressure in the passages of impeller. The experiment results show that the low-specific-speed centrifugal pump with larger blade outlet angle has better hydraulic performance.     

叶片厚度分布对两级离心泵空化性能的影响

针对叶片厚度分布对两级离心泵空化性能的影响,通过对第一级叶轮叶片的厚度分布进行优化,研究其对泵外特性、压力脉动以及流体激励力的影响。结果表明：采用线性厚度分布的对称叶片时,前缘厚度对空化性能的影响最大,叶片越薄,泵的抗空化能力越强;随着尾缘变厚,压力脉动幅值向叶轮进口方向偏移,且随着叶片厚度减小,压力脉动幅值相应减小。第一级叶轮流道内的压力脉动主频为干涉叶频,保留高幅低频的宽频特征,所受空间三向力的脉动主频为2倍叶频,轴向力较小,脉动幅值较低,径向力的主要信号成分是叶频和2倍叶频。     

Cavitation in semi-open centrifugal impellers for a miniature pump

Cavitation in miniature pumps was investigated experimentally for two semi-open centrifugal impellers. Although both impellers had the same blade cross-section, one impeller had a two-dimensional blade, while the other had a leaned blade. The flows were also analyzed using a numerical model of the three-dimensional turbulent flow in the pumps near the peak efficiency point using the k-? turbulence model and the VOF cavitation model. The average cavitation performance of each impeller was satisfactorily predicted by the numerical simulations. The results show that the miniature pumps have similar cavitation performances as an ordinary-size pump, with the cavitation performance of the semi-open impeller reduced by increased axial tip clearances. Also, both the hydraulic and cavitation performance of the semi-open impeller were improved by the leaned blade. The results also show that uniform flow upstream of the impeller inlet will improve the cavitation performance of a miniature pump.     

双吸泵空化非定常数值分析

为了分析双吸泵内部非定常空化流,采用SST湍流模型及基于Rayleigh-Plesset方程的输运空化模型,对双吸泵空化流场进行定常与非定常模拟,得到了双吸泵内流场空化初生部位及空化发展情况,并设置监测点分析了空化状态下双吸泵内不同位置处的压力脉动特性。结果表明,空化首先发生于叶片吸力面头部靠近前盖板处,随着空化余量的降低,空化面积及空泡体积分数不断增大,空化继续发展后,空泡会逐渐向叶片吸力面及叶轮出口扩散,从而降低泵的扬程;在一个旋转周期内,单个叶片上的空化状态呈现出由弱变强、再由强变弱的发展趋势;随着空化余量的降低,监测点处压力脉动幅值增加,蜗壳流道内压力脉动的主频为叶频,谐频为叶频的倍数,且蜗壳隔舌处的压力脉动幅值最大。     

Pressure fluctuation generated by the interaction of blade and tongue

Pressure fluctuation around the tongue has large effect on the stable operation of a centrifugal pump. In this paper, the Reynolds averaged Navier-Stokes equations (RANS) and the RNG k-epsilon turbulence model is employed to simulate the flow in a pump. The flow field in the centrifugal pump is computed for a range of flow rate. The simulation results have been compared with the experimental data and good agreement has been achieved. In order to study the interaction of the tongue with the impeller, fifteen monitor probes are evenly distributed circumferentially at three radii around the tongue. Pressure distribution is investigated at various blade positions while the blade approaches to and leaves the tongue region. Results show that pressure signal fluctuates largely around the tongue, and it is more intense near the tongue surface. At design condition, standard deviation of pressure fluctuation is the minimum. At large flow rate, the increased low pressure region at the blade trailing edge results in the increases of pressure fluctuation amplitude and pressure spectra at the monitor probes. Minimum pressure is obtained when the blade is facing to the tongue. It is found that the amplitude of pressure fluctuation strongly depends on the blade positions at large flow rate, and pressure fluctuation is caused by the relative movement between blades and tongue. At small flow rate, the rule of pressure fluctuation is mainly depending on the structure of vortex flow at blade passage exit besides the influence from the relative position between the blade and the tongue.     

叶片包角对低比转速离心泵固液两相非定常流动的影响

为了探索叶片包角在固液两相流下对低比转速离心泵非定常特性的影响,利用ANSYS CFX软件采用Mixture多相流模型对4种不同叶片包角离心泵的固液两相湍流进行了非定常数值模拟,分析了叶片包角对离心泵瞬时扬程、压力及压力脉动的影响。研究表明:随着叶片包角的增大,瞬时扬程会降低,并且降低速度越来越快;叶片包角每增大10°,瞬时扬程的波动时间延迟0. 000 52 s。随着叶片包角的增大,叶片工作面与叶片背面的压力会降低。叶片包角每增加10°,固液两相流时离心泵的压力脉动时间均向后延迟0. 007 s。不同包角下的主要脉动幅值均出现在转频处。颗粒浓度为0. 02和0. 05时,压力脉动最小值均出现在叶片包角值为140°时;当颗粒浓度为0. 1时,脉动幅值随着叶片包角的增大而减小,叶片包角从130°增加到160°时,此时的压力脉动受到叶片包角的影响最为严重,脉动幅值减小了14. 52%。因此,在高颗粒浓度下适当增加叶片包角可以改善固液两相离心泵的压力脉动。