诱导轮和离心泵叶轮内部空化流动数值分析

为了提高诱导轮离心泵的空化性能和运行稳定性,阐明诱导轮和离心泵叶轮几何参数对空化性能的影响规律,基于空泡可压缩性影响修正的RNG k-ε模型和改进的空化模型,对诱导轮和离心泵叶轮内部流场进行空化数值计算。数值结果表明:在小流量工况和额定工况下,空化性能曲线基本一致;在大流量工况下,空化特性曲线波动相对比较严重,空化性能较差。额定流量下泵蜗壳水力损失最小,小流量工况下蜗壳水力损失最大。临界汽蚀余量时,蜗壳水力损失突升。无空化条件下,随着前口环间隙值的增大,诱导轮扬程、效率和前口环间隙泄漏量增大,泵和叶轮的扬程、效率值降低,泵的空化特性曲线的稳定性变差,使诱导轮叶片出口液流角发生偏转,导致诱导轮和离心泵叶轮内部产生周期性的交变空化流。     

航空燃油离心泵抗汽蚀优化设计及仿真

针对航空燃油离心泵工作时出现的汽蚀问题,采用正交试验法对离心泵叶轮进行优化设计。选取叶轮出口直径D₂、叶轮出口宽度b₂、叶片数Z、叶片厚度H为正交试验的4个因素,完成了正交试验并对试验结果进行极差分析,得到了以泵汽蚀余量为优化指标的影响排序,并最终获得最优参数组合。通过流场仿真对现用离心泵和优化后离心泵的泵汽蚀余量和蒸汽质量分数进行对比,优化后的航空燃油离心泵泵汽蚀余量小于现用离心泵泵汽蚀余量,且蒸汽质量分数降低了19.98%,说明优化后的离心泵抗汽蚀性能显著提高。     

诱导轮内流场数值计算及汽蚀特性分析

为得到诱导轮内部的速度场、压力场及湍流场的分布规律,在基于SIMPLEC算法上,采用了雷诺时均Navier-Stokes方程(简称N-S方程)控制方程和修正了的k-ε湍流模型,对两种结构参数的双叶片诱导轮进行了内部三维不可压湍流流动数值计算。计算结果表明诱导轮最容易发生汽蚀破坏的位置在进口外缘处,计算结果还表明增加诱导轮叶片轴向距离及导程有利于提高诱导轮的汽蚀特性。同时进行了不带诱导轮和带两种结构参数诱导轮的离心泵的外特性试验,试验结果表明离心泵在没有诱导轮的情况下较易发生汽蚀,而增加诱导轮能够明显改善离心泵的汽蚀性能,诱导轮的导程、叶片轴向长度、及其叶尖包角几何参数值等几何参数对汽蚀性能有较大影响。结合流场数值计算结果和试验研究结果,证实了通过增加轴向距离和导程等合理改变结构参数可提高诱导轮的汽蚀性能。     

中低比转速离心泵叶轮多目标优化设计

中低比转速离心泵效率普遍不高，主要因素是泵的损失过大，在减小泵的损失时，容易使汽蚀余量增大，扬程曲线产生驼峰，为提高泵效率，减少汽蚀余量，消除扬程曲线驼峰，本文论述了以中低比转速泵的能量损失最小，汽蚀余量最小及消除扬程曲线驼峰为多目标函数，以叶轮主要参数为设计变量的泵叶轮优化设计方法，通过优化，获得了满足一定扬程和流量的最优参数组合。     

前置轴流叶轮对离心泵汽蚀性能的影响

随着离心泵向高转速化发展,离心泵的汽蚀性能成为其稳定运行的重要因素。本研究在离心轮前安装一种特殊的轴流式叶轮以提高离心泵的抗汽蚀性能。轴流式叶轮的水力设计采用升力法,设计完成后用PUMPLINX软件对装有轴流式叶轮的离心泵进行数值模拟,模拟结果表明:装有轴流式叶轮的离心泵其性能参数符合设计要求,且临界汽蚀余量显著降低到安全范围内。最后对此泵做性能试验和汽蚀试验,试验后把试验结果与装有常规诱导轮的离心泵的试验结果进行对比,结果表明,在此次研究中,装有轴流式叶轮做诱导轮的离心泵其性能与汽蚀特性均符合设计要求,并且很好地改善了装有常规诱导轮的离心泵此前在结构上的问题。     

全空化模型预测离心泵汽蚀性能的准确度

文献[2]采用两相流全空化模型计算了离心油泵输送粘油的汽蚀性能,但因缺乏试验数据,故无从知道计算的必需汽蚀余量与其试验值的差别。另外,目前还没有关于利用空化模型预测泵初生空化方面的研究;同时,全空化模型预测离心泵汽蚀性能准确度的评估目前还不多见。因此,本文采用全空化模型预测文献[3,4]的试验离心泵输送水时的汽蚀性能,获得了初生空化系数-流量曲线和扬程-有效汽蚀余量曲线,探讨了泵扬程与叶轮内部汽液体积比的关系以及非凝结气体浓度、紊流模型对扬程-有效汽蚀余量关系曲线的影响。本文的计算方法、经验和结果对实际工程中的离心泵汽蚀性能的预测和流动模型的选择有借鉴作用。     

航空离心泵高效抗汽蚀优化方法

针对航空增压离心泵汽蚀问题,给出了一种效率与汽蚀双目标优化设计方法。该方法首先建立离心泵的能量损失和汽蚀余量分目标函数;其次使用遗传算法对速度系数法所设计的离心泵性能参数进行寻优;最后以CFD仿真软件为平台建立离心泵的流道模型,对优化前后离心泵的压力和速度流场进行了仿真分析,并对优化前后离心泵的流量-效率、流量-汽蚀特性进行了对比研究。仿真结果表明:设计点流量下,优化后泵的效率提高了1.2%,必须汽蚀余量降低了12.51%,其他工况均优于优化前,说明该优化设计方法是可行、有效的。     

低比转速离心泵叶轮多目标优化设计

论述了以低比转速离心泵的能量损失最小及汽蚀余量为多目标函数,以叶轮主要参数为设计变量的泵叶轮优化设计方法,通过优化,获得了满足一定扬程和流量的最优参数组合。     

离心泵的叶片进口几何形状对泵汽蚀性能的影响

为了改善离心泵内的汽蚀性能,以ZA150 -315石油化工离心泵为研究对象,在离心叶轮基本外尺寸和设计转速相同的情况下,以3种不同厚度变化规律构造3种离心泵叶轮,运用FLUENT软件进行数值模拟计算,得到了汽蚀发生时泵内部气-液两相分布规律和压力分布规律.分析表明:叶片进口段的形状影响泵的汽蚀性能.叶片进口段形状越接近流线型泵的抗汽蚀性能越好,加大叶片进口段曲率半径可以降低泵的汽蚀余量,改善泵的汽蚀性能.     

基于PumpLinx的余热排出泵汽蚀余量的仿真方法研究

阐述了汽蚀的原理与现象,提出了一种对核电厂用正常余热排出泵进行汽蚀余量仿真研究的数值模拟方法。对水力模型流体区域进行建模,并介绍了模型假设和简化、网格的生成方法、工作介质的物性以及数值模拟仿真计算方法。按ANSI/HI1.6离心泵试验要求进行仿真,通过对各流量点不同进口压力的扬程数据进行拟合计算,获得设计流量点、小流量点和大流量点扬程下降3%时的汽蚀余量NPSH3值。     

叶片包角对离心泵水力性能影响的研究

利用速度系数法研究了叶片直径、叶片出口角及叶片包角等参数对离心泵性能的影响，通过NX建立叶轮和蜗壳的水力模型，利用流体仿真软件对离心泵水力模型进行仿真计算。通过改变叶片包角的大小对离心泵性能的影响进行分析，研究结果表明：在不同流量的情况下，随着叶片包角的改变，离心泵总效率和扬程也随之变化，确定了总效率最高时的叶片包角，实现了水力模型的优化，为提高水泵的性能提供了理论依据；同时分析了叶片包角对汽蚀余量的影响，并通过试验验证了模拟仿真结果，与试验数据相比，模拟计算扬程误差在3.5%以内，模拟计算总效率误差在3.0%以内。     

引江济淮蜀山泵站立式混流泵装置模型试验分析

为确保蜀山泵站的水泵选型合理、泵装置水力性能优异,采用模型试验方法测试了立式混流泵装置在不同叶片安放角时的能量性能、汽蚀性能、飞逸特性,并进行了进水流道的压差测流试验。结果表明：蜀山泵站泵装置模型最高效率为85.30%,对应流量为326.12 L/s、净扬程为11.38 m、叶片安放角为-2°;设计工况叶片安放角为+1°,在此角度下,设计净扬程12.7 m对应的泵装置效率为84.60%、单机流量为43.37 m³/s、临界汽蚀余量为8.9 m,最低净扬程6.7 m对应的泵装置效率为72.47%,最高净扬程14.5 m对应的泵装置效率为81.63%;在最高净扬程14.5 m、叶片安放角-6°时,泵装置原型的最大飞逸转速为电机额定转速的1.91倍。     

旋流泵内部流动及吸入性能试验研究

通过萝卜水流流动和气水混输观察试验，研究旋流泵流动原理，探讨旋流泵涡室流动模型。通过对液下旋流泵进口直径D0对性能影响的对比试验，确定D0/D2的最佳比值。对旋流泵汽蚀余量曲线及汽蚀对泵扬程的影响与同比转数离心泵进行对比分析，探讨旋流泵汽蚀性能特点。     

离心泵S形叶片流动特性及水力性能分析

对离心泵而言，叶片出口角β₂是影响泵性能的一个重要参数。基于Fluent离心泵全流场数值模拟，对某型号低比转数离心泵进行了大出口角叶形的改形设计，研究了不同大出口角对离心泵水力性能的影响，并对比分析了原模型泵与S形叶片离心泵水力特性及流动特性。结果表明：离心泵扬程随着出口角的增大而增大，在出口角为90°时达到最大值。当出口角为90°时，S形叶片的水力性能最佳，在设计工况下及大流量工况泵扬程显著提升且效率有小幅度提升，但小流量工况下泵效率略有下降。S形叶片可以有效抑制离心泵叶轮内的边界层分离现象，且随着流量的增大抑制效果越明显。     

旋流泵汽蚀性能试验研究

为了了解旋流泵的汽蚀性能,分别以IS150-100-300(LXH)、IS 125-80-230(LXH)为试验对象,对两种型号的旋流泵进行多工况下的汽蚀性能试验研究。结果表明:旋流泵的有效汽蚀余量会在规定的必需汽蚀余量上下波动,这就需要进行多组试验以确保试验的准确性;在汽蚀余量较小时,扬程会有明显的减小,其原因是汽蚀堵塞了流道,导致扬程降低。此外,泵试验时振动现象明显比非汽蚀工况时更为剧烈。     

长短叶片叶轮双吸离心泵径向力数值仿真

将1200S56型单级双吸离心泵原型叶轮改型为长短叶片复合叶轮,以该改型双吸长短叶片复合叶轮离心泵为研究对象,基于CFD理论对该离心泵内部流场进行数值仿真。通过改变边界条件获得不同工况下叶轮出口与蜗壳耦合面的静压、速度分布。采用叶轮出口压力法分析该离心泵在不同工况下的径向力,并与原型叶轮离心泵径向力分析结果对比。结果表明:采用长短叶片复合叶轮使叶轮出口的静压力及绝对速度变大,增加了离心泵的扬程,有效的提高了泵的整体水力性能;短叶片的增加使该泵径向力的最小值点向大流量偏移,出现在1.2倍额定流量工况,最小值由原型叶轮的5574N减小到1494N;采用长短叶片复合叶轮改善了泵在大流量工况下的径向受力情况。     

迷宫螺旋泵性能的试验研究

对不同参数的三角形螺纹迷宫螺旋泵进行了流量、扬程、功率的性能试验,对比研究了三角形螺纹导程、牙型角、转子定子配合间隙对迷宫泵性能的影响.结合泵送原理和相似原理,推导出了配合间隙变化时,泵送流量、扬程、效率的相似换算关系,换算结果与试验结果吻合.试验同时表明:螺纹导程降低,泵关死扬程升高,流量降低,性能曲线变陡;配合间隙减小,泵扬程和效率提高.     

等螺距诱导轮内部流动的数值模拟

基于雷诺时均N-S方程和S-A湍流模型对等螺距诱导轮内部的流动进行三维紊流数值计算和分析,获得诱导轮流道内的速度场、压力场的分布规律。发现诱导轮最易发生汽蚀破坏的位置在叶片吸力面进口前缘的外缘处,相对速度的大小从轮毂到轮缘大致上是沿径向增加的,从轮毂到半径的中部相对速度的增加的幅度大于从半径中间到轮缘的增长幅度;静压从诱导轮进口到叶片尾部是增加的,但从叶片尾部到诱导轮的出口的部分区域静压会减少。并针对有和无诱导轮两种情况,对高速离心泵进行试验研究,通过试验验证了具有前置诱导轮的离心泵可以改善泵的汽蚀性能。所提出的诱导轮模拟方法对高速诱导轮离心泵的进一步研制和优化设计具有一定的指导意义。     

叶片进口修缘对离心泵汽蚀性能影响的数值计算与试验研究

为了改善离心泵的汽蚀性能,根据经验,确定了两种叶片进口修缘形式。首先通过原型泵的外特性试验,确定了能量性能和汽蚀性能曲线。基于完整空化模型和混合流体两相流模型,对原型泵运行工况下叶轮内空化流动进行全流道数值计算。预测得到原型泵能量性能和汽蚀性能曲线,与试验曲线吻合良好;同时得到汽蚀发生过程中叶轮流道内空化发展的静态特征,与理论相符。故采用相同的数值分析方法对两种叶片进口修缘后的叶轮进行分析,分析表明：进口修缘后泵的汽蚀性能得到了提高,叶片进口工作面修缘形状越接近流线型,泵的汽蚀性能越好。对较好修缘形式的泵进行试验,得到其能量性能曲线和汽蚀性能曲线,数值分析与试验研究的曲线吻合,修缘后泵的临界汽蚀余量得到改善。研究结果对离心泵汽蚀改善的方法具有一定的指导意义。     

采用环形入口壳体的诱导轮汽蚀性能研究

针对某型号液体火箭发动机离心泵所发生汽蚀问题,在基于SIMPLEC算法上,采用雷诺时均Navier-Stokes方程(简称N-S方程)控制方程、Realizable k-ε湍流模型和mixture多相流模型,对泵环形入口壳体和诱导轮进行汽蚀性能研究。在数值流场计算研究中,分析各部件对诱导轮汽蚀性能的影响,发现诱导轮及环形入口壳体内流场的不对称性降低诱导轮的汽蚀性能。通过合适调整环形入口壳体面积比以及环形入口壳体出口与诱导轮之间的距离,使环形入口壳体出口流场收缩,在加速流中获得较均匀的速度场,改善了诱导轮入口流动参数,提高了诱导轮的汽蚀性能。所采用的改进方法对液体火箭发动机离心泵的研制和优化具有一定的指导意义。