核用屏蔽泵冷却循环系统的辅叶轮泵性能优化

核用屏蔽泵采用与主叶轮同轴旋转的辅叶轮为机组冷却循环提供动力。因辅叶轮是采取在推力盘开孔的结构形式,结构尺寸受到推力盘的限制,其流道设计不仅必须满足机组冷却循环的要求,而且要保证结构强度和加工方便的需要。以某核用屏蔽泵辅叶轮泵为原型进行优化,通过组合4种不同出口安放角和3种不同孔数的辅叶轮,采用基于多工况三维数值模拟的性能预测方法对比分析出口安放角和孔数在变流量工况下对辅叶轮泵性能的影响。结果表明:辅叶轮孔出口安放角的变化会影响辅叶轮泵的性能,适当减小辅叶轮孔的出口安放角能提高辅叶轮泵的扬程和效率,使蜗壳的流动趋于更加稳定,并减小了蜗壳的水力损失;辅叶轮孔数的增加能有效提高辅叶轮泵的扬程;当45°出口安放角与8孔搭配时,辅叶轮泵的性能最佳,扬程比原始方案提高3.2 m,效率提升2%;出口安放角及孔数的选择搭配有利于辅叶轮高效稳定运行。     

出口管角度对炉水循环泵性能的影响

运用ANSYS-CFX计算不同出口管角度的炉水循环泵外特性曲线,并通过样机实验验证了数值模拟的准确性,分析了不同出口管角度对炉水循环泵内部流场和压力脉动的影响。结果表明:出口管角度为90°、100°和115°时,泵体内部流动较为平稳;130°时,出口管内流动较为紊乱,死水区较多。出口管角度为130°时,扬程和效率有明显下降,扬程减小约2.3 m,效率下降约2.2%。不同出口管角度下,叶轮流域压力脉动差别较小;角度为90°、100°和115°时,导叶流域压力脉动变化相近;当角度达到130°时,导叶流域压力脉动幅度明显增大。炉水循环泵出口管设计角度不宜超过130°。     

叶轮斜切对导叶式离心泵特性的影响

为改善试验离心泵扬程曲线驼峰,斜切叶轮16.4°,通过试验探索泵扬程、效率、轴功率的变化,同时利.用标准SST湍流模型对主要工况Q(Q为额定流量)、0.7Q进行非定常数值模拟,研究叶轮斜切对泵压力脉动和叶轮径向力的影响。试验结果表明,叶轮斜切后各工况扬程均有下降,驼峰区减小;效率有所提高,在0.6Q附近效率增大最多(约2.1%);轴功率曲线整体下移,其中大流量区间轴功率减小更多。数值模拟结果表明,叶轮斜切前后的压力脉动主频均为叶片通过频率,斜切叶轮降低了各工况主频和高频的幅值;1个叶轮.旋转周期内的径向力变化轨迹与导叶叶片数有关,且不论叶轮斜切与否,Q工况径向力大于0.7Q,叶轮斜切使两工况的叶轮径向力下降约41%。     

基于响应面法的圆盘泵叶轮优化研究

为了提高圆盘泵的水力性能,以径向直叶片圆盘泵为研究对象,结合计算流体动力学方法(CFD)与响应面分析法,研究叶轮结构参数对泵扬程和效率的影响。以叶片高度、叶片数量和盘间距为优化设计变量,泵的扬程和效率为响应变量,基于Box-Behnken样本点设计法进行三因素三水平设计,建立17组样本点。通过ANSYS CFX数值计算软件对各个样本点的设计模型进行数值模拟,并基于二阶响应面回归方程拟合了叶轮结构参数与扬程和效率之间的关系表达式。研究结果表明:叶片高度、叶片数量和盘间距均对泵的水力性能有明显的影响。多因素交互作用中叶片高度和盘间距的组合影响最为显著。通过响应面方程找到了最优参数组合,优化后的圆盘泵扬程在各流量工况下平均提升了22 m,最高效率提升了15%。     

多级离心泵首级叶轮内部流动的数值模拟

为了解多级离心泵首级叶轮内部流动特性,基于N-S方程和标准κ-ε湍流模型对三长三短复合叶轮和四长四短复合叶轮内部流动进行了数值模拟,获得了两种叶轮在额定工况及非额定工况下的内部流场分布并进行了分析。结果显示,四长四短叶轮可改善叶轮内部流场、提高叶轮吸力面压力,进一步阻止小流量下的脱流现象,有效提高了整个泵的扬程和效率及高效区。     

叶轮与隔流板间隙对射流式自吸离心泵性能的影响

为分析射流式自吸离心泵叶轮与隔流板间隙对其性能的影响,采用数值模拟的方法得到了5种该间隙下泵外特性曲线、自吸过程泵内部气液两相分布及流动情况,分析表明:随间隙增大,泵的扬程和效率上下波动较小;叶轮内含气率、导流器出口及泵体出口的气相质量流率随间隙增大而下降。兼顾考虑外特性、自吸性能、加工及装配工艺,确定叶轮与隔流板的间隙为1.0 mm最为理想。样机试验表明:设计点扬程34.21 m,效率55.29%;自吸高度为5 m时,自吸时间45 s,满足设计要求。     

基于正交试验的纸浆泵叶轮排气孔参数设计及试验

采用正交试验的方法对纸浆泵叶轮上排气孔参数进行设计。通过数值模拟性能预测、研究分析,确定排气孔参数对性能影响的主次关系。采用综合性能评价函数确定排气孔参数最佳方案:排气孔个数Z_d为8,直径D为20 mm,径向距离R_1为130 mm,周向位置θ为15°。如通过样机试验得到优化后纸浆泵的性能特性,研究发现流量在0.8Q、1.0Q、1.2Q时,优化后的扬程、水力效率和气液分离效率分别提高了5%、7%和20%,排气孔参数优化后气液分离效果尤为明显,满足设计要求。     

煤泥水泵两相流模拟分析

利用Fluent14.0软件对煤泥水泵进行三维两相流数值模拟分析,分析结果表明:随着无烟煤粒径的增大,叶片工作面头部靠近前后盖板两侧的压力集中现象更加明显,蜗壳部位的磨损也随之增大。考虑到上述问题的存在,对叶轮叶片数进行改变,由8叶片改为5叶片,煤泥泵的磨损情况得到了很明显的改善,改型后扬程最多提高了5.5%,效率最多降低了3.7%。     

基于CFD技术的旋流泵优化设计与试验研究

为了提高旋流泵的扬程与效率,基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,应用三维无结构四面体网格及Simplec算法,利用计算流体力学软件Fluent对3种不同高度差叶片旋流泵的水力性能进行了数值模拟,得到其内部流场的速度分布和压力分布情况,揭示了旋流泵在不同叶片高度时的运动规律,并对数值模拟结果进行了试验验证.结果表明:旋流泵内部存在较强的纵向旋涡和轴向旋涡,高低叶片可以改善旋流泵内部的流动情况,提高旋流泵的扬程与效率.试验研究证明了模拟结果的正确性,当旋流泵叶片的高度相差8%左右时,扬程提高0.15 m,效率提高约3%.     

叶片进口安放角对离心泵性能影响

为全面了解进口安放角对离心泵性能的影响,在型号为DFG150-9离心泵叶轮水力模型基础上添加正负冲角,获得6组叶片模型,利用RNGκ-ε模型考虑湍流影响,采用均质多相模型和Rayleigh-Plesset方程考虑空泡生长和溃灭,对6组模型进行三维定常湍流数值模拟,并对效率、扬程和空化余量等进行预测和对比分析。结果表明,添加负冲角,泵效率下降很多,效率曲线向小流量方向偏移,且加速泵抗空化性能恶化;添加0°～15°冲角,所加正冲角越大,小流量区效率越低,大流量区效率越高,且效率曲线向大流量方向偏移,对泵空化性能影响不明显;当正冲角添加至20°时,泵抗空化性能急剧下降,泵效率下降很多。     

低比转速多级泵间隙尺寸改变对内部流场及其性能的影响

为研究低比转速多级泵间隙尺寸的改变对内流场及其性能的影响,应用CFX软件对带间隙模型泵进行数值模拟,设计了12个间隙组合模型,分析了泵的外特性、间隙泄漏量、叶轮出口与导叶进口速度压力的变化规律。结果表明,随着间隙尺寸的增加泵扬程和效率均有所下降;叶轮口环的泄漏来自遭到撞击改变方向的叶轮出口流体,导叶口环的泄漏来自次级叶轮进口的流体;间隙对泵的影响程度依次为叶轮口环导叶口环叶轮与导叶的运转间隙;叶轮出口流出的液体进入导叶时极大地阻断了叶轮泵腔之间与叶轮导叶轴向间隙的流体交换。数值模拟结果较估计值仍然偏高,数值模拟对单一模型的准确度有待商榷,说明多组模型对比十分必要。研究成果为进一步深入分析奠定了基础。     

熔盐泵空间导叶与叶轮的径向安装间隙对泵性能影响研究

为了探究空间导叶和叶轮之间的径向安装间隙对泵性能影响规律,选择某VS1型太阳能高温熔盐泵首级部分作为研究对象,在其他几何参数不变的前提下,以原导叶和叶轮径向间隙值为基础,通过沿径向逐次改变导叶进口和叶轮之间的相对位置,共设计了6组不同间隙下的导叶-叶轮组合方案,基于CFD方法对6种间隙方案(1.5～6.5 mm),进行了全流场数值模拟,并试验验证了数值算法的可靠性。研究表明：导叶与叶轮径向安装间隙对泵扬程和效率在不同工况下的影响具有显著差异性,存在较优间隙使泵性能整体最佳,间隙过大、过小时都会致使其性能劣化;与原间隙2.5 mm时相比,合适的间隙可使叶轮出口和腔体间隙处的主频压力脉动幅值分别降低20.6%和36.4%,泵内介质流动稳定性提升;导叶内流道压力梯度和腔体涡核心分布随间隙改变呈不同变化态势,间隙为4.5 mm时,导叶内流道压力梯度变化更为均匀有序,腔体内涡的范围和强度较其它方案削弱明显,泵内流态最优。     

高比转数双吸离心泵叶轮切割内部流场数值模拟

为深入分析叶轮切割对高比转数双吸离心泵内部流动状况及性能的影响,采用数值方法对三台高比转数双吸离心泵进行了叶轮切割研究,对每台泵所装叶轮均进行4次切割;预测得到了泵的H-Q、η-Q、P-Q特性曲线与内部流场压力、速度等参数的分布云图及其随叶轮切割的变化情况,根据性能预测结果得到了最优工况下叶轮的切割指数。结果表明,当叶轮逐步切割时,泵的流量、扬程、轴功率均逐步降低;切割量较小时,泵的效率基本不变;随着切割量的增大,泵的效率开始下降,当切割量达到15%时效率下降明显;随着叶轮直径的逐步减小,泵内部压力场及速度场分布不均匀性增加;由数值计算所求得的切割指数与传统切割公式中的切割指数存在不一致性。     

Loss analysis and design optimization of a small scale mixed-flow pump turbine using the orthogonal method

为了研究各部件对小型混流式水泵水轮机水泵工况和水轮机工况下水力性能的影响,对一小型水泵水轮机进行不同流量下的全流道数值模拟,针对两工况下总压损失集中的叶轮进行正交设计优化。应用L9（3⁴）正交表,选取4个叶轮关键设计参数,以水泵工况扬程偏离率、效率和水轮机工况效率作为目标,进行4因素3水平的正交设计,并通过全流道数值模拟方法和极差分析方法进行选优。结果表明叶片出口直径对泵和水轮机工况性能影响最大,优化后水泵设计工况效率提高了1.06%,水轮机设计工况效率提高1.62%,其相应最优工况点因包角增加而向小流量工况移动。     

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。     

分流叶片进口直径对离心泵空化特性影响

为探究分流叶片对离心泵空化性能的影响,以IS80-50-200模型泵为研究对象,在模型泵上设计添加了3种不同进口直径分流叶片,利用CFD软件对离心泵进行全流道三维定常湍流空化数值模拟,分析不同汽蚀余量对离心泵空化特性和叶轮内部流场的影响,探究叶轮空化初生和发展规律。结果表明:添加分流叶片后,泵的扬程、效率均有一定程度的提高,且分流叶片的进口直径对扬程和效率的影响不大;泵的H-Q曲线驼峰减弱;泵的抗空化性能均有提高。在研究的水力模型中,当离心泵短叶片进口直径为0.8D2时,泵的抗空化性能最好。添加分流叶片后,长叶片两侧压差减小,叶轮进口处的低压区范围变小,有利于提高泵的抗空化能力。     

叶片数对离心泵瞬态空化特性的影响

为研究叶片数在离心泵设计工况下对瞬态空化特性的影响,基于SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,以3种叶轮叶片数的离心泵为研究对象对其内部空化流动进行三维非定常数值模拟。结果表明:对于3组不同叶片数(Z=4、5、6)的叶轮,随着叶片数逐渐增加,离心泵扬程增加,但效率无明显差异;不同叶片数离心泵的空化特性曲线不同,临界空化点压力以及扬程断裂值不同,3种叶轮方案在无空化时的扬程分别为44.8、41.8和39.2 m,扬程断裂的相对值分别占其扬程的27%、25%、32%,即Z=5的叶轮离心泵扬程下降最少;在叶轮的一个旋转周期内,随着时间的增大,Z=4的空泡体积逐渐增加,Z=5和Z=6的空泡体积逐渐减小;叶片数较少时,叶轮流道内相对轴面漩涡运动剧烈,流体的绝对速度降低,造成泵压头的衰减,加速空化发生。     

导叶叶片数对离心泵特性的影响

在比转速n_s=71的离心泵研发过程中,针对叶片数z=5的叶轮,为选择适宜叶片数的导叶,采用CFX软件对单级研发泵进行非定常数值模拟研究,分析了不同工况下导叶叶片数分别为6、7、8时泵的外特性、压力脉动和叶轮径向力,针对小流量工况径向力的较大差异,进一步对比了叶轮内流场。结果表明,减少导叶叶片数可提高较大流量工况的扬程和效率,但可能导致小流量扬程下降;小流量区间导叶叶片数对压力脉动的影响较为复杂,而较大流量工况增加导叶叶片数有益于改善压力脉动;此外,导叶叶片数越多,非额定工况的叶轮径向力越小,特别是在小流量工况,增加导叶叶片数提高了叶轮流场的均匀性,径向力缩小约4倍。最终对整体性能较优的7叶片导叶进行排产和试验,其中扬程计算误差不超过5.9%,表明数值模拟结果具有一定精度。     

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。     

颗粒体积分数对天然气水合物多相混输泵内流特性的影响

为研究颗粒体积分数对天然气水合物多相混输泵内流特性的影响,基于ANSYS CFX软件采用非均相模型和particle模型,选用甲烷水合物颗粒体积分数为5%、10%、15%和20%的海水为介质,对多相混输泵流场进行数值模拟。结果表明：当颗粒体积分数较低时多相混输泵叶轮和导叶内旋涡较小,但随着颗粒体积分数的增加多相混输泵叶轮和导叶内轴向旋涡逐渐增大;在叶轮流道内颗粒分布较为均匀,而随着颗粒体积分数的增加,导叶内较大的旋涡影响导致颗粒在导叶内出现明显的聚集现象,在导叶叶片表面颗粒主要聚集在吸力面前半部分,其分布区域远大于压力面,即导叶吸力面更易受到磨损;随着颗粒体积分数的增加,多相混输泵的扬程和效率均逐渐降低。