旁通装置控制离心泵空化特性的数值模拟与试验

为了研究旁通水路对离心泵空化性能的影响规律,以一台比转速为32的低比转速离心泵为研究对象,在蜗壳第八断面靠进口侧位置处至吸入段搭建一旁通管路。采用修正的SST k-ω湍流模型和Kubota空化模型,在不同空化数下,对原型泵和带有旁通水路的离心泵进行三维非定常数值模拟,并同试验结果进行对比。结果表明:低比转速离心泵在搭建旁通水路后运行时扬程和效率均有小幅下降,在设计工况下,试验值中扬程下降2.30%,效率下降3.07%,模拟值中扬程下降3.10%,效率下降1.80%。空化初生及发展阶段,旁通水路可以有效增大近壁湍动能,改善压力分布,抑制空泡增长及脱落,改善流场结构;扬程断裂后,旁通水路不能有效抑制空化反而加剧了其严重程度。旁通水路对其涉及流域内压力脉动造成小幅扰动。     

离心泵瞬态空化流动及压力脉动特性

基于RNG k-ε湍流模型及输运方程空化模型,考虑空化流动可压缩性影响修正湍流模型,考虑湍流压力脉动对饱和压力影响修正空化模型,对小流量工况离心泵瞬态空化流动进行数值模拟,计算所得扬程随进口压力变化曲线与试验结果吻合较好,能较准确预测离心泵在空化临界点扬程陡降过程。在离心泵叶轮流道中间与叶片压力面、吸力面布置监测点,对比分析非空化、空化时叶轮内压力脉动特性。结果表明：叶轮内压力脉动主频为叶轮转频;在叶轮流道及叶片吸力面,叶轮内压力脉动最大幅值由进口至出口逐渐增大,而在叶片压力面,压力脉动最大幅值在叶片进口4/5处最大。空化流动各监测点压力脉动最大幅值大于非空化,在流道进口处约为非空化时2倍。受蜗舌结构影响,叶轮内各流道空化区域分布不均匀。     

轴流泵叶轮内空化流动的计算研究

首先通过轴流式模型泵外特性试验,确定了汽蚀性能曲线。基于完整空化模型和混合流体两相流模型,对轴流式模型泵设计工况下叶轮内空化流动进行全流道数值计算。选择空化开始发生、临界汽蚀点以及空化严重时3个工况比较分析叶轮内空化流动的发展情况。计算获得了不同汽蚀余量时叶片背面静压、空泡体积组分分布和不同轴截面上的空泡体积组分分布。当叶轮流道内发生局部空化时,不会影响到泵的能量性能;空化严重时,翼形叶栅的过流面积受到严重堵塞,泵的能量性能严重下降。计算结果与外特性试验相吻合,较好地揭示了轴流泵叶轮内的空化流动的静态特征。对比计算扬程和效率确定了空化的发展阶段,对于保障轴流泵稳定运行有一定指导意义。     

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。     

离心式上充泵空化特性分析

为研究核电站离心式上充泵的空化特性,专门研制了首级样机。应用PRO/E和ICEM分别对水力部件进行三维造型和网格划分。将空化细分成空化初生,空化发展,临界空化和断裂空化四个阶段。基于SST k-ω湍流模型,采用ANSYS CFX进行了空化数值模拟。结果表明:伴随着空化的发生,叶轮内沿径向位置的汽泡数量迅速增加,汽泡体积分数也越来越大。空化发生到一定程度时,叶轮内出现漩涡并且面积不断增加。空化初生时的压力脉动较为规律,叶轮与蜗壳动静干涉起主要作用;随后空化逐渐成为控制泵内部压力脉动规律的主要因素。最大流量工况点模拟值与试验值的扬程误差为2.1%,汽蚀余量误差为3.5%。数值计算结果与试验结果的变化趋势相同,揭示了上充泵在不同空化状态下的内部流场变化规律。     

绕回转体初生空化流场特性的实验及数值研究

该文采用实验与数值模型相结合的方法对绕回转体的初生空化流场进行了分析,研究了头型对初生空化流场特性的影响,数值模型中,为了精确捕捉由于分离流动而产生的漩涡结构,湍流模型采用了一种基于空间尺度修正的滤波器模型(FBM),实验中,采用高速录像技术观察了初生空化形态,并应用粒子测速系统(PIV)测量了相应工况下,初生空化流场的速度及涡量分布,研究结果表明:头型对绕回转体的初生空化流场具有显著的影响,不同回转体的初生空化数随着肩部曲率突变增大而逐渐增大,在初生空化工况下,平头和锥头回转体肩部的高剪切流动区出现了不规则的漩涡分离结构,初生空化首先在该分离区域内产生,而不是发生在回转体的物面上或在物体邻近处,此时,初生空化流场体现出明显的漩涡脉动特性,流场中的低速高脉动区域对应于空化核心区,涡量主要亦集中在该漩涡分离区域内,对于圆头回转体,其初生空化流场比较稳定,“指状”的片状空泡附着在回转体表面上。     

浅谈离心泵的汽蚀与防止措施

汽蚀是一中十分有害的现象,特别是对离心泵,发生汽蚀时,产生噪音和振动,并伴有流量、扬程和效率的降低,有时甚至不能运转。本文讨论了离D泵叶轮人口处发生的汽蚀问题并提出了防止离心泵发生汽蚀的措施。     

叶轮空蚀状态下离心泵振动特性分析

空蚀是指空化过程中产生的空泡溃灭引起过流表面材料损坏的现象。为研究离心泵叶轮空蚀后的振动信号特征,选用IS-50-160-00单级单吸离心泵为试验对象,基于虚拟仪器技术搭建试验泵系统。测得离心泵空蚀条件下的振动信号,采用均方根(RMS)分析、峭度(K)分析两种统计方法对发生空蚀后的离心泵振动信号的平均能量、冲击波能量进行分析,采用短时傅里叶变换(STFT)分析了振动信号的时频域特性。分析结果表明:空蚀条件下整体来看基座方向和轴向方向振动幅值较大且都是无规则振动,而横向方向和纵向方向上的振动信号振幅相对较小;振动信号的能量随着流量的增大呈现先减小后平稳再增加的趋势,空蚀增加了振动信号的能量值;空蚀加剧了液体对离心泵的冲击使得振动信号峭度值增加,且基座方向峭度值大于3可作为空蚀故障的诊断参考标准;通过时频谱分析可知空蚀发生后流体可能对离心泵存在冲击波及冲击波导致的脉冲信号,且空蚀后产生了高频振动信号,高频带的振动信号可为离心泵空蚀故障诊断提供参考。研究叶轮空蚀后离心泵振动信号的特征有助于及时发现离心泵空蚀故障的发生,从而调整运行参数,以免造成严重后果。     

Bezier函数型径向弯叶片对电站锅炉给水泵空化性能影响研究

为满足1000 MW超超临界电站锅炉给水泵大容量高参数的设计要求,通过CFD技术对锅炉给水泵叶轮的空化性能进行数值研究．提出一种基于Bezier 函数思想的径向弯叶片几何参数设计方法,并引入正弯叶片和反弯叶片两种叶片径向弯曲结构．结果表明：直叶片必需空化余量为22.8 m,与试验值的绝对误差仅为0.2 m,预测结果具有一定的精度;反弯叶片必需空化余量为22.3 m,空化性能最好;正弯叶片在叶片进口处压力面最先出现空泡,吸力面空化面积最大,而反弯叶片吸力面空化面积最小;3种径向弯叶片空化后在沿叶高中间流线相对位置0.2处叶片表面存在最大压差,可能导致叶片局部发生断裂．     

基于密度修正的滤波器模型在轴流泵叶顶区空化数值模拟中的应用与验证

为了准确揭示轴流泵叶轮叶顶区的流场结构和空化形态,选用某一模型轴流泵进行数值模拟和空化可视化试验研究。研究结果表明,基于密度修正的滤波器湍流模型(Density Correction Method Based Filter Based Method,DCMFBM)可准确预测汽蚀余量NPSH值,预测最大误差比SST k-ω模型小3%;在小流量工况下,叶顶泄漏流和泄漏涡在叶顶区充分发展,随着流量的增大,泄漏流向叶顶中后部发展,且泄漏涡与叶片吸力面的夹角减小,泄漏流对相邻叶片压力面的影响减小;叶顶区轴向速度先减小后增大,泄漏流进入间隙时在压力面拐角处发生流动分离,在叶顶端面附近卷吸形成角涡,在离开间隙区前泄漏流又会重新附着在叶顶端面上;湍动能呈现先增大后减小的趋势,且峰值随着弦长系数的减小而增大。通过空化性能曲线和叶顶泄漏涡的空穴形态对比分析,验证了DCMFBM湍流模型的适用性。从高速摄影结果可见,随着空化的发展,叶轮叶顶区泄漏流空化、射流剪切层空化以及泄漏涡空化共同构成三角形云状空化结构,且叶片尾缘存在空泡脱落,揭示了叶顶泄漏涡不稳定的空化特性。     

弱可压缩性对液氢输送泵性能影响的数值研究北大核心CSCD

为考虑液氢的弱可压缩性,基于真实流体物性的PR方程,通过CFD仿真对高速液氢离心泵不同转速下空化断裂前的工况进行了数值模拟,对比分析了不可压缩流动和弱可压缩流动两种流动状态下的未空化高速离心液氢输送泵内流场分布、液氢泵扬程和效率等性能。研究结果表明,液氢工质的弱可压缩性不可忽略,将对泵内流场分布和能量耗散有显著影响,最终使泵的效率和扬程的降低。     

离心泵蜗壳内非定常流动特性

基于修正的RNG k-ε湍流模型和输运方程空化模型,对离心泵内部非空化和空化的非定常流动进行了数值模拟,计算结果与试验结果吻合较好,验证了数值模型和计算方法的准确性。在离心泵蜗壳内布置了5个监测点,分析了蜗壳内非空化和空化工况时流动特性。结果表明:离心泵非空化和临界空化工况下,蜗壳内压力脉动的主频为叶片通过频率145 Hz或290 Hz,而在充分发展空化工况下,压力脉动的主频非常低,可能原因是空泡剧烈的脱落及溃灭引起的。三种工况下,离心泵蜗壳第2断面附近的压力脉动最大幅值均远大于其它监测点,原因是此处存在较强的二次流,出现了两个非对称反向旋涡,两个旋涡的涡心位置、形状、强度随时间不断变化,对流动产生较强扰动,诱发强烈的压力脉动。     

水泵叶轮流道宽度对离心泵性能的影响分析

为研究不同的出口宽度对离心泵非稳态特性的影响,该文以66比速的离心泵为主要试验目标,在不改变设计项目的其他几何参数的情况下,对离心泵的出口宽度11mm、12mm、13mm、14mm和15mm进行了计算,并对其外特征、内流场以及压力涟波等外特征进行了解析。研究发现,离心泵的外形特征与叶轮的出口宽度有关,其输出频率越大,扬程也就越大。在工程设计条件下,只有得到最优的叶轮出口宽度,才能达到最大的效率,即b=14mm。当增加出口高度后,齿轮、蜗壳的压强会相应增加,流动通道中的低速区域会随之增大,湍动能也会随之降低。蜗壳流道上的监测点压力脉动值随叶轮出口宽度的增大而增大。而在出口宽度增大的情况下,输出压力波动的幅度也增大。压力脉动的幅度随出口宽度的增加而降低,当b=14mm时,其振幅最小。该文对试验数据的综合分析,得到了最佳的叶轮出口宽度,可为66比转速离心泵的水力设计提供参考。     

无阻塞潜水磨碎泵的空化及压力脉动特性研究

由于磨碎泵在实际运行中刀盘的流道容易发生堵塞,本文主要模拟磨碎泵静刀盘的刀盘流道堵塞情况对磨碎泵性能的影响,该模拟基于ANSYS-CFX14.0软件分别对无阻塞潜水磨碎泵模型进行定常和非定常计算,并对无阻塞潜水磨碎泵的外特性进行了试验验证。分别堵塞磨碎泵静刀盘流道的1/4、1/3、1/2,通过对不同的流道堵塞工况分析发现:随着流道堵塞程度的增加,潜水磨碎泵的扬程整体下降,潜水磨碎泵的功率整体下降,效率降低,且最高效率点向小流量区域移动,可发现当堵塞静刀盘流道的1/4、1/3时,对磨碎泵的扬程、效率和功率的影响不大,堵塞1/2时,磨碎泵的扬程和效率下降明显,即堵塞不严重的工况下,磨碎泵的水力性能所受影响很小;随着流道堵塞程度的增加,刀头附近的空化程度在加剧,当堵塞比达到一定程度时,叶轮进口背面也开始发生空化;静刀盘流道内压力脉动脉动能量最大,且随着远离静刀盘流道位置的脉动能量降低,动静刀盘的动静干涉作用是影响动刀盘和靠近静刀盘流道的监测点压力脉动的最主要因素,且随着流量的增加,各个监测点主频幅值均有所降低。     

水下通气超空泡航行体结构屈曲可靠性分析

在水下一定深度处高速运行的超空泡航行体,其所受轴向力非常大,同时受通气空泡环向压力,容易发生结构屈曲问题。考虑到结构自身参数和通气空化数的不确定性,有必要对航行体舱段结构进行屈曲可靠性分析。该文将航行体环向加肋舱段简化为变厚度圆柱薄壳,运用半解析有限元求解临界屈曲载荷系数,并采用随机有限元与有限步长迭代法相结合求屈曲可靠性指标。算例结果表明:屈曲可靠性指标随环肋个数增加而有较大增幅且在两端简支条件下受面内轴向约束影响较大,并随航行深度的增大呈下降趋势。控制薄壳厚度、弹性模量和环肋厚度的不确定程度可提高屈曲可靠性指标,而通气空化数的不确定程度变化对屈曲可靠性指标影响较为复杂。     

受限空间内瓦斯爆炸障碍物附近流场结构演化实验研究

为研究受限空间内瓦斯爆炸障碍物附近流场结构演化,通过实验室中尺度激波管道设置压力和火焰传感器以及激光纹影系统,在玻璃视窗处设置阻塞率为21.56％的障碍物,改变障碍物数量,对比不同工况下火焰传播、压力变化、激波运动、流场变化,分析障碍物对受限空间内瓦斯爆炸流场演化影响.实验研究发现:障碍物对于瓦斯爆炸激励效应不可忽视,加入单一障碍物使最大爆炸超压增加32.3％;最大火焰传播速度增加115.4％.在障碍物数量一定时,障碍物对瓦斯爆炸激励效应与障碍物数量呈正相关关系.同时发现障碍物对瓦斯爆炸激励效应主要表现在障碍物周围区间内.激励效应主要机理是障碍物存在增加了障碍物附近湍流强度,使得火焰拉伸形变,增大了火焰锋面面积,加速了化学反应进行.     

侧壁式压水室离心泵小流量非稳态旋转失速特性

用数值计算方法研究具有特殊结构的侧壁式压水室离心泵,分析小流量工况时模型泵的非稳态旋转失速特性,用快速傅里叶变换(FFT)获得压力脉动信号的频谱特征。结果表明,小流量工况时模型泵的扬程曲线呈驼峰状,压水室不同位置处压力分布不均;受叶轮旋转产生的非稳态作用影响,叶轮不同叶片流道内流动结构差异较大。不同流量下,叶轮内部分离涡结构诱发的激励频率各异,0.4ФN工况时模型泵压力脉动频谱图出现0.5fR及高次谐波频率,压力脉动最大幅值出现于4fR频率处;0.2ФN流量时非定常流动结构会诱发0.18fR及高次谐波频率;0.05ФN流量时压力脉动频谱图同时出现0.1fR、0.28fR两种激励频率。旋转失速现象出现时,频谱图中叶频处压力脉动幅值不再起主导作用。     

声振耦合作用下叶片出口斜切对离心泵噪声的研究

为研究声振耦合作用下叶片斜切对离心泵内外声场的影响,以一台比转速n_s=67的离心泵为研究对象,在保证叶轮前后盖板和蜗壳几何参数不变的情况下,只对叶片出口边进行斜切,同时基于RNG k-ε湍流模型和声学边界元/有限元（BEM/FEM）方法分别对离心泵进行全流场和声场计算。研究结果表明,对叶片出口边进行斜切,隔舌附近处压力脉动波动会呈现一定的周期性,叶轮出口的流场波动以及离心泵内外声场声压级都会随着斜切角度的增大而逐渐减小,内外声场声压级都在叶频处达到最大,随着频率的增大,声压级衰减程度增加,外声场声压级最大值主要集中在离心泵出口右上方附近。综合考虑离心泵能量性能和流场噪声,当叶片出口斜切角度为30°时,离心泵综合性能最佳。     

离心泵变工况过渡过程瞬态水力特性研究

为研究离心泵汽从设计工况向非设计工况过渡过程的瞬态水力特性及内部流动机理,通过pro/E软件对离心泵内部流道进行三维造型,利用雷诺时均N-S方程和 两方程及SIMPLEC算法,应用计算流体力学软件CFX对离心泵叶轮流道内的变工况瞬态流动特性进行数值模拟计算,研究分析离心泵在进口压力连续下降时其内部的汽蚀特性进行数值模拟,并与试验结果进行对比, 结果表明：数值模拟结果与试验结果的变化趋势一致。流场分析表明：变流量过渡时,叶轮流道内的压力值没有明显增大,但压力变化幅度随流量的变化而增大;向大流量过渡时,流量增加对叶片瞬态载荷影响不大,而向小流量过渡时,由于二次回流等因素的存在对叶片瞬态载荷影响很大;由设计工况向汽蚀工况的过渡过程中,在临界汽蚀余量时,受到气泡相的影响叶片的瞬态载荷变化较大,特别是进口处叶片载荷瞬态变化更大;压力值与其幅度都出现急剧下降;作用在叶轮上的径向力大小和方向也急剧增大。     

周向槽对半开叶轮离心泵流动特性的影响研究

离心泵内的不稳定流动现象会产生压力脉动,为了改善半开叶轮小流量工况下的内部流场和压力脉动,通过在前盖板上布置周向槽,分析了周向槽对叶轮内部流动特性和压力脉动的影响。结果表明,周向槽为泄漏流提供了周向通道,泄漏流能够从槽内快速通过,降低了泄漏流的驱动力,使得主流与泄漏流的交界面向叶片尾缘移动;靠近叶顶间隙叶片进口相对液流角和低速区面积减小,轴向速度增大,泄漏流导致的不稳定流场和阻塞现象减弱,近失稳工况点对应的流量向小流量工况偏移;周向槽不仅改善了前缘溢流,使得叶轮内低频压力脉动幅值下降,而且消除了叶片前缘泄漏流形成的回流及其诱发的2.2f_n特征频率。研究发现周向槽能够通过有效抑制不稳定流动及其诱发的压力脉动来改善离心泵小流量工况的运行稳定性。