轴流泵叶顶泄漏涡及其空化的数值模拟与可视化试验

为了研究叶顶泄漏涡的三维结构及其空化特性,该文以某一轴流泵模型为研究对象,利用修正的滤波器模型(Modified Filter-based Model,MFBM)对轴流泵叶顶间隙流动进行数值模拟,并与试验进行对比。结果表明修正后的湍流模型可以很好地预测泵的水力性能和空化性能。该文通过轴向速度和湍动能分布,详细地解释了不同工况下叶顶间隙内的流场结构。利用最小张量法则,可以判别叶顶区的空化初生现象,且结果与利用最大旋涡准则预测的涡心涡量和压力分布相一致。通过叶顶区的三维涡量分布,揭示了叶顶泄漏涡的三维卷吸过程,表明了叶顶泄漏涡的空间结构。利用数值模拟和可视化试验,说明了叶顶空化涡的类型及其演变过程,尤其是叶片出口处几乎垂直于叶片吸力面的大尺度空化云结构,其初生机理及其诱导的流动失稳等现象将是今后研究的重点。     

不同叶顶间隙下斜流泵轮缘压力脉动特性的数值分析

为了阐明斜流泵小流量工况下近叶顶间隙区域的压力脉动特性,揭示不同叶顶间隙RTC对斜流泵瞬态运行稳定性的影响,对斜流泵模型进行非定常数值模拟。选取叶顶间隙RTC分别为0、0.5、1和1.5 mm的4种方案,基于LES大涡模拟、SIMPLEC算法与结构化网格,通过压力脉动频谱分析,了解RTC与近叶顶间隙区域压力脉动的内在关系。结果表明,RTC引起的泄漏流与主流掺混加剧了叶顶间隙区域流动的不稳定性,降低了叶片的做功能力;较大的RTC可以有效减少叶顶间隙区域的高频压力脉动,但引起的泄漏流加剧;随着RTC的增大,叶轮近壁区压力脉动平均值逐渐减小,水力性能下降。斜流泵设计时,选取适当小的RTC可以提高斜流泵的整体水力性能。     

立式轴流泵装置叶轮间隙泄漏流动与受力稳定性研究

为了研究不同叶顶间隙对轴流泵泄漏流动特性的影响,采用SST k-ω湍流模型,对立式轴流泵原型进行三维数值模拟计算,分析泄漏流动对叶片表面压力分布和泵装置叶轮受力特性的影响。计算结果表明,随着流量的增大,轴流泵叶顶泄漏涡的发生位置逐渐向叶片尾缘处移动,随着流量的增大,叶片前缘压力面处出现泄漏涡,叶片表面压力差最大值也从叶片前缘处逐渐向叶片尾缘处移动。通过叶轮受力特性分析可知,设计流量工况下间隙尺寸对叶轮径向力的变化影响较小,非设计流量工况下,随着间隙尺寸的增大,叶轮受到的径向力波动幅度逐渐增大,可能对轴流泵的稳定运行造成影响。     

离心泵叶顶泄漏涡结构特性研究

叶顶间隙产生的泄漏涡会对半开式离心泵性能产生不利影响,为了探究不同流量工况下泄漏涡结构及其运动轨迹的变化规律,本文采用SST k-ω湍流模型对半开式离心泵进行全流道数值模拟,分析了泄漏涡的结构特征和泄漏流速度分布,改进了泄漏涡运动轨迹预测模型。结果表明,数值模拟值得到的外特性与试验值吻合较好;叶顶泄漏流相对速度的弦向分量的最小值出现的位置与泄漏涡的初始位置重合,并且随着流量的减小向上游移动。叶片进口边负的弦向分量导致回流的形成,而法向分量的增大是导致小流量工况前缘溢流和大流量工况叶片尾缘二次泄漏流的根本原因。叶顶间隙内速度梯度较大的泄漏流会引发高熵产,并且与主流混掺形成泄漏涡,在泄漏涡周围同样引发高熵产,高熵产区面积随着流量的减小而增大。改进轨迹预测模型用叶顶间隙进口的平均速度代替了原先叶轮进口平均速度,扩展了预测范围,减小了预测结果的误差,说明改进模型能够很好地预测泄漏涡核的迁移轨迹。     

叶顶间隙对轴流泵轮缘泄漏流动影响的大涡模拟

为揭示不同尺寸叶顶间隙下轴流泵轮缘区湍流特征,采用大涡模拟方法对轴流泵在设计流量下的内部非定常流动进行了数值计算,分析了5种叶顶间隙下泵轮缘间隙区的流场结构。通过泵外特性参数预测值与实验结果的对比,证实本文所提出的方法可较准确反映泵内流动特征。结果表明:随轮缘间隙增加,泵扬程、功率和效率均呈下降趋势;叶顶间隙内泄漏流速度沿径向逐渐增大;随间隙尺寸增加,轮缘间隙主泄漏涡强度及与叶片夹角均增大,泄漏涡的非稳定性增强;当间隙δ/D2大于1.0‰,间隙主泄漏涡发展至相邻叶片正面;当δ/D2大于1.5‰,叶顶间隙内出现间隙分离涡,间隙区形成多个次泄漏涡,其影响范围随间隙尺寸的增加而增大。     

混流泵瞬态加速流空化的数值模拟与实验研究

该文针对名义比转速为800的某一混流泵模型,采用shear stress transport(SST)k-ω湍流模型和Zwart空化模型,通过自编程序控制转速和流量变化,实现了启动过程空化流的精细化数值模拟;研究了加速流过程叶轮内瞬态空化的演变过程,并结合高速摄影实验验证了数值模拟结果的准确性;定量分析了混流泵加速流过程中叶轮内空泡总体积的变化规律。研究结果表明,混流泵加速流空化主要表现为四个阶段:无空泡阶段、空泡增长阶段、空泡减少阶段和空泡稳定阶段。叶顶区的初始空化为刮起涡空化,随后泄漏涡(TLV)空化出现并逐渐发展,到加速完成时刻与刮起涡空化和间隙空化结合形成三角形空化云,并逐渐往叶片尾缘移动;吸力面(SS)上的片状空化演化主要分为增长阶段和消散阶段,其中冲角的变化是造成这一现象的直接原因。当冲角为正值时,在SS面上片状空化发展,冲角为负值时,SS面上低压区逐渐消失,片状空化区域逐渐减小和消散。     

大攻角下翼型间隙泄漏涡特性研究

叶片与转轮室壁面之间的间隙在很多轴流式旋转机械中都存在,间隙泄漏涡(TLV)及引发的空化现象会导致旋转机械效率降低和机械振动等不良现象,影响到机组的运行稳定性。该文通过数值模拟的方法,选择NACA0009单个翼型,研究12°大攻角条件下不同间隙宽度对间隙泄漏流与泄漏涡形态的影响,并采用实验结果对数值仿真得到的翼型尾部流场进行了验证。数值计算结果表明,改变间隙宽度除影响到泄漏涡的轨迹外,对间隙附近的涡量、速度和泄漏涡的形态等方面都会产生影响;相比于大间隙,小间隙时的泄漏涡沿翼型的发展更复杂和不稳定。此外,通过流场分析阐明了泄漏涡轨迹及涡核附近速度变化的原因。该研究可为偏工况下轴流式旋转机械叶顶间隙泄漏流特性的研究提供参考。     

双吸泵小流量工况下的空化特性研究

为研究双吸泵在小流量工况下叶轮内部空化特性,同时进一步说明小流量工况相比于设计工况时的空化特性差异,结合均质两相流模型和SST k-ω湍流模型,对双吸泵小流量工况和设计工况下的全流道空化流场进行数值模拟,以分析不同流量工况下空化分布与发展情况,以及空化对各叶片载荷造成的影响。研究结果表明:适当减小双吸泵进口流量,有助于改善双吸泵的空化性能;在小流量工况下空化首先发生于叶片吸力面头部靠后盖板附近,而且此处的空泡体积分数最大,这一空化特征同设计工况有所差异;随着NPSH的降低,叶轮内空化不断加强,但是小流量工况下的空化强度始终不及设计工况;不同空化状态会导致叶片吸力面压力的变化,从而表现为叶片表面载荷分布的变化。     

高速潜水轴流泵大流量工况的空化特性

为了研究大流量工况下高速潜水轴流泵的空化特性,基于ANSYS CFX软件,选取Zwart、Kunz以及Schnerr-Sauer 3种空化模型进行大流量工况下高速潜水轴流泵外特性和泵内空化流动特性数值模拟。结果表明:大流量工况下Schnerr-Sauer空化模型预测的外特性变化趋势与试验值最为吻合,相较于另两种空化模型,Schnerr-Sauer空化模型模拟的叶片背面空泡体积分数较高;空化严重区域主要出现在叶片背面进口附近以及叶顶,同一空化数下,流量越大,叶片空化状况越严重;叶片载荷分布由叶片进口边到出口边呈先增大后减小的趋势;各流量下空泡首先出现在叶片背面进口前缘位置,随着空化数的减小,空泡体积分数沿着主流方向朝叶片后缘不断增大直至空泡占据整个叶片背面;叶片背面处的三角形云状空化尾缘空穴极不稳定,随着叶轮旋转,尾缘处空泡微团逐渐脱落,朝着相邻叶片不断移动,对相邻叶片的工作面产生侵蚀破坏,导致叶片载荷发生变化,对轴流泵水力性能产生影响。     

叶顶间隙对气液混输泵水力性能的影响研究

该文以气液两相三级混输泵为研究对象，基于数值模拟研究了不同含气率下叶顶间隙对混输泵外特性、内流场、载荷分布及气相分布的影响，并通过与实验对比验证了数值模拟是可靠的。主要结果表明：随着叶顶间隙增大，混输泵扬程和效率均呈现下降趋势，纯水工况相较20%含气率工况下降幅度更加显著；虽然叶顶泄漏现象随着间隙值的增大逐渐加剧，但20%含气率时大间隙下叶顶间隙内流动比小间隙模型更加平稳；叶顶间隙使得叶片表面压力分布发生变化，含气率小于10%时，随着间隙值的增大叶片表面静压逐渐降低。当含气率大于10%以后，其变化较为混乱；合理的叶顶间隙能有效改善叶轮内的气相分布。就该文所研究的混输泵而言，叶顶间隙小于0.28%D(叶轮直径)时，随着间隙值增大叶轮内的气相分布越均匀。