叶片包角对中比转速离心泵水力振动的影响研究

为了研究叶片包角对中比转速离心泵水力振动的影响,以一台比转速为103的中比转速离心泵为研究对象,探讨叶片包角分别为116°、122°、128°的3种离心泵在不同的流量工况下的外特性特征,设计流量下叶轮流道、蜗壳流道内监测点的压力脉动特性。研究结果表明:存在一个最佳的叶片包角122°使中比转速离心泵的扬程和效率最高,且最佳效率点向大流量点偏移;叶轮流道内各监测点的压力脉动随叶片包角的增大而逐渐降低,而各压力脉动幅值随叶片包角的增大而逐渐增大;蜗壳螺旋段内的压力脉动值沿流体流动方向逐渐减弱;随着叶片包角的增加,蜗壳流道内监测点的压力值逐渐增大,隔舌监测点和出口处监测点的压力脉动幅值也同步增大,而蜗壳螺旋段内监测点的压力脉动幅值逐渐减小。综合考虑适当地增大叶片包角可以减小离心泵的水力振动。     

基于熵产理论的水泵水轮机泵模式水力损失分布

基于熵产理论,研究原型水泵水轮机在泵模式不同流量工况下的水力损失空间分布及不稳定流动诱导的主 要水力损失存在的位置和变化。结果表明：随着流量增加,总熵产与压差法水力损失变化一致,先显著减小后逐 渐增大。间接熵产、直接熵产和壁面熵产与总熵产的变化趋势一致,且间接熵产和直接熵产占主导地位。间接熵 产和直接熵产的分布与湍动能的分布基本一致,但直接熵产更靠近主涡区,而间接熵产在流场中具有更宽的分布 范围。水泵水轮机流动区域内的水力损失位置强烈依赖于流动条件。小流量工况下高水力损失主要源于无叶区 的高速环流、活动导叶区的旋涡以及尾水管弯肘段和直锥段的壁面分离,而蜗壳的水力损失较小。最优工况下的 水力损失较小,主要源于叶片尾迹和少数固定导叶流道的旋涡。大流量工况下高水力损失主要源于水流对活动 导叶的冲击和不稳定流动在固定导叶区的扩散,以及蜗壳进口处周向间隔分布的旋涡和高速流动,而尾水管的水 力损失极小。     

中比转速离心泵小流量工况下压力脉动特性

采用Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型,对不同流量工况下离心泵内部非定常流动进行了数值计算,计算得到的离心泵外特性与试验结果吻合较好。数值模拟结果表明,不同流量工况下叶轮内压力脉动具有明显的周期性变化,压力脉动强度随着流量的减小而增强,叶片压力面脉动强度更加剧烈,叶轮旋转频率始终占主导作用。由叶轮进口至出口,叶片压力面和吸力面压力脉动最大幅值均渐渐增大。相同监测点的压力脉动最大幅值在30%设计流量工况时最大,约为设计流量工况下3~4倍。随时间叶轮流道内存有旋涡的产生、发展、脱落的周期性变化过程,这是造成离心泵运行效率低、压力脉动副值增大、脉动波形紊乱的主因。     

自吸泵内能量损失及非定常流动特性研究

自吸泵由于其特有的气液分离腔和回流孔结构使得其内部流动更为复杂,本文针对自吸泵内能量损失及非定常流动特性开展实验和数值研究。通过开展模型泵水力性能实验,发现数值计算结果与实验结果具有较好一致性。利用熵产理论和Q准则定量分析了不同工况下自吸泵内不同区域的能量损失特性及涡核分布特征,结果表明:泵内熵产分布特征与水力损失分布特征基本一致,叶轮、蜗壳和气液分离腔是自吸泵内能量损失的主要区域。蜗壳内部的压力脉动强度在靠近隔舌区域较大,蜗壳中段处变弱,蜗壳出口扩散段处又进一步增强。在小流量工况下,叶轮和蜗壳内部涡核分布面积较大,涡核主要分布在叶轮的进口处和出口处。     

隔舌安放角对离心泵的水动力特性影响研究

为了研究螺旋形蜗壳内部流动规律以及不同隔舌安放角对离心泵内部流动特性的影响,基于ANSYSCFX14.5对5种不同隔舌安放角的离心泵模型进行了定常与非定常计算和数据分析,并对离心泵的水力特性进行了实验验证。分析结果表明,随着隔舌安放角的增大,离心泵的高效区明显加宽,但是设计工况附近的水力性能稍有下降,其中在大流量区域,隔舌安放角的作用比较明显;隔舌安放角的不同主要对非设计工况下离心泵内部流体流态影响较大,其中在小流量工况时,随着隔舌安放角的变小,叶轮各流道内的流体流态分布的对称性明显改善,在大流量工况下,随着蜗壳隔舌安放角的减小,蜗壳出口段垂直截面方向的速度梯度变大;隔舌安放角的不同对叶轮所受径向力的影响很小,不同隔舌安放角的离心泵所对应的径向力分布规律几乎一致。     

后置灯泡贯流泵压力脉动特性数值模拟

为研究不同工况下某南水北调泵站后置灯泡贯流泵叶轮导叶压力脉动规律,通过计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD)对偏流量、偏水位工况叶轮导叶区压力脉动进行计算与分析,结果表明：叶轮导叶区压力脉动时域图周期性明显,叶轮叶片个数对压力脉动主次频有一定影响,叶轮导叶区主次频均为整倍数叶频,叶轮导叶区压力脉动幅值整体从轮缘到轮毂呈减小趋势,叶轮区的压力脉动幅值明显大于导叶区。非设计水位工况下叶轮导叶区压力脉动幅值略大于设计工况,主次频未发生明显变化;非设计流量工况中小流量工况与大流量工况压力脉动幅值均大于设计工况,各个监测点的小流量工况压力脉动幅值为设计工况的2~3倍,且在此工况下低频脉动明显。可见非设计工况运行对机组压力脉动幅值的影响较大,长期在非设计工况下运行严重影响机组运行效率,泵站运行应尽量避免非设计工况运行的情况。研究结论可为泵站日常运维和研究异常水力振动提参考。     

叶轮与导叶匹配关系对立式离心泵水力特性影响的实验研究

大型含导叶立式离心泵广泛应用于高扬程远距离调水,旋转叶轮与静止导叶动静干涉引起的无叶区内高幅值压力脉动是影响其稳定运行的关键因素.为研究叶轮与导叶匹配关系对水泵水力特性的影响,对3台模型泵开展能量特性与压力脉动同台对比实验,分别监测了进水流道、无叶区和压水室的压力脉动信号,并进行时域和频域分析.结果表明:泵运行流量越靠...     

辐条控制技术对竖井贯流泵马鞍区水力特性影响的数值模拟

基于非定常雷诺时均(URANS)方法,采用曲率修正的SST k-ω湍流模型,对竖井贯流泵内部流场进行非定常计算,研究辐条控制技术对不同工况下竖井贯流泵水力性能以及水泵叶轮进口流场和压力脉动特性的影响。结果表明:在设计工况下,辐条控制技术对竖井贯流泵的水力性能和叶轮进口流场、压力脉动特性的影响不大;在马鞍区工况下,竖井贯流泵叶轮前进水流道的轴向速度降低,速度环量增大,并随着流量减小而产生大范围回旋流,造成进水流道堵塞,引起低频压力脉动幅值增大;辐条控制技术可有效抑制回旋流的强度,提高叶轮入流的均匀度,降低压力脉动幅值,有效改善竖井贯流泵马鞍区工况的水力性能。     

固定导叶安放角及轮缘间隙对混流泵性能影响的研究

对混流泵固定导叶安放角及叶轮轮缘与泵体前盖间隙变化对泵性能影响的试验结果作了介绍。当固定导叶安放角增大时，最优效率工况向大流量方向移动，比转速增大；反之，比转速降低，泵的效率随轮缘处间隙变大会有明显减小，因此，对于可调叶片蜗壳式混流泵应重视固定导叶的设计，合理地选择轮缘间隙的大不。必要时可通过发迹固定导叶安放角来改变已有水力模型的比转速，以适应泵站要求。     

叶片包角对高比转速离心泵水力性能的影响研究

高比转速离心泵流道宽大,包角的大小将直接影响其水力性能。基于N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对5种不同的叶片包角模型在多种工况下分别进行了数值模拟计算分析,以对不同包角下的外特性变化趋势、叶轮内部的三维流线以及湍动能变化规律进行研究。研究结果表明:(1)随着叶片包角的增大,离心泵的最高效率点表现为先增加后减小,扬程随着流量的增大而下降,当包角增大到一定限值时,下降的幅度最为明显;(2)离心泵叶轮流线在相同的流量下,随着叶片包角的增大,流线愈发平顺光滑且越趋于叶片线型时,叶轮的总压随包角的增大而逐渐减小;(3)在设计工况下,低速区主要集中在叶轮进口的叶片工作面处,随着叶片包角的增大,湍动能逐渐减小;(4)当叶片包角在110°附近时,该泵的水力性能即达到最优。研究结果可为今后对高比转速离心泵的研究提供一定的参考。     

不同叶轮形式离心泵压力脉动和空化特性试验研究

压力脉动和空化特性是影响离心泵稳定运行的两个重要因素。针对国内某大型调水工程的立式带导叶离心泵,在保证蜗壳、导叶和叶轮出口直径等设计参数一致的情况下,设计了两种不同形式的模型叶轮,并进行了模型泵的同台试验。两个叶轮的比转速都为106.43,叶片数分别为7和9,叶轮流道、叶型也不相同,其中,对9叶片叶轮叶片进口边进行了"C形"修型。结果表明,两种叶轮形式离心泵内部压力脉动的频率成分及其分布特性类似,总体上都为叶片通过频率及其谐频,且该频率的压力脉动能通过叶轮流道逆水流方向向进口端传播。叶轮形式对压力脉动幅值的影响比较显著,相比7叶片叶轮,9叶片叶轮的压力脉动幅值降低了10%以上。同时,对叶片进口边修型后,初生空化得到有效延迟,设计流量点附近的临界空化余量下降约10%。适当提高叶片数与叶片进口边修型可显著提高离心泵空化性能。     

叶片数对轴流泵水力性能的影响

采用基于CFD数值模拟计算的方法研究叶轮叶片数和导叶叶片数对轴流泵水力性能的影响。对轴流泵的水力性能曲线进行数值计算并分析。结果表明,轴流泵的扬程随着叶轮叶片数的增加而增加,但并不是严格随着叶片的多少成比例升高,轴流泵效率随着叶轮叶片数的减小而增大,必需汽蚀余量随着叶轮叶片数的减小而增大。不同导叶叶片数下泵段扬程基本保持一致,说明导叶在进行配套设计完成后,单改叶片数对扬程影响很小,但是对效率影响较大,特别是大流量工况叶片数越多,效率越低。     

离心泵蜗壳内压力脉动特性数值分析

为揭示离心泵蜗壳流道内的压力脉动变化规律,采用雷诺时均方法(RANS),对3种工况下的离心泵内部三维非定常湍流流场进行数值计算,分析同一蜗壳断面不同位置以及沿蜗壳周向不同点的压力脉动特性。结果表明:蜗壳流道内具有非常明显的压力脉动,在各种工况下压力脉动的主频均是叶片通过频率;同一蜗壳断面上的压力脉动从蜗壳底部到蜗壳背面先减小后增大,蜗壳底部监测点的高频脉动成分较多;沿蜗壳周向,随着圆周角的增大,压力脉动减弱,隔舌附近压力脉动幅度最大,且高频脉动成分明显增加。     

轴流泵不稳定流场的压力脉动特性研究

流场压力脉动是影响大型轴流泵运行稳定性的关键因素,本文采用时间相关的瞬态流分析理论及大涡模拟方法研究轴流泵内部非定常流动,得到了不同工况下泵内水压力脉动结果。通过与实测扬程和功率对比,证明本文所提出的方法可较准确地反映泵的流动特征。研究表明,轴流泵内最大压力脉动发生在叶轮进口前,压力脉动频率主要受叶轮转频控制;在叶轮进口与出口处,从轮毂到轮缘压力脉动逐渐增大,而在导叶中间及导叶出口处,结果正好相反。偏离最优工况越远,脉动的相对振幅越大,在60%流量工况下泵内压力脉动约为最优工况的2倍。     

叶片数对高比转速离心泵固液两相非定常流的影响

为了探索叶片数在固液两相流条件下对高比转速离心泵非定常特性的影响情况,利用ANSYS CFX软件,采用Mixture多相流模型,对4种不同叶片数离心泵的固液两相湍流进行了非定常数值模拟,分析了叶片数对固液两相流离心泵瞬时扬程、压力、压力脉动及径向力的影响。研究结果表明：① 随着叶片数量的增多,固液两相流离心泵的瞬时扬程增大,波动频率变快,蜗壳内及隔舌处的压力值越来越大,波动频率变快,脉动幅值反而越来越小,叶轮上的径向力会减小,隔舌处的径向力会增大;② 不同叶片数的固液两相流离心泵蜗壳内及隔舌处的压力脉动主频均出现在其叶频处;③ 叶片数为5时,是蜗壳的内压力值和压力脉动幅值增减速度快慢的分界点,也是叶轮上及隔舌处径向力大小增减速度快慢的分界点。     

低比转速导叶式混流泵水力性能分析

为了研究低比转速导叶式混流泵的水力性能,本文基于三维湍流流动雷诺时均N-S方程及SST k-ω湍流模型对该泵内部三维流动进行定常数值计算。给定不同流量,分别计算分析混流泵的扬程、效率与流量的关系,预测水泵能量特性,并分析该混流泵在五个典型流量工况下各过流部件的水力损失及流场特性。结果表明,小流量工况,导叶区的流动分离及旋涡流动是造成导叶区及出口段水力损失占比较大的重要原因;大流量工况,叶片入口处的冲击现象是造成叶轮区水力损失占比较大的重要原因。     

离心泵性能预测及实验研究

借助CFD软件FINE,应用k-ε湍流模型,对离心泵内部全三维湍流流场做数值计算。计算结果表明:随着流量的增大,叶片表面压力梯度逐渐减小;在小流量工况时,水流冲击叶片进口工作面,大流量工况时,水流冲击叶片进口吸力面;流量大小与叶轮内的轴向漩涡的位置无关;与实验结果比较,表明在设计工况附近,数值模拟对离心泵内部的复杂三维流动的水力性能预测是准确的。     

离心泵蜗壳进口边对叶轮径向力影响的数值模拟

保证蜗壳过流断面面积和基圆直径不变,通过改变蜗壳进口边宽度,采用SST湍流模型分别对不同蜗壳进口边匹配同一叶轮离心泵进行全流道非稳态数值模拟。通过数值模拟分别得到不同蜗壳进口边的离心泵外特性及径向力特性,并对其进行分析。结果表明:适当改变蜗壳进口边对离心泵扬程、效率影响不大;同一工况下,叶轮上径向力的大小和方向时刻都在改变,且受叶轮与蜗壳动静干涉的影响呈现六角星分布,蜗壳上径向力呈现近似椭圆分布;较小蜗壳进口边的离心泵其叶轮和蜗壳上所受的径向力较小,说明较小蜗壳进口边能够改善离心泵的径向力。     

低扬程灯泡贯流泵水力特性及内部流场数值模拟

为了更加深入地研究灯泡贯流泵及其后置导叶的水力性能,采用CFD方法,借助于RNG k-ε湍流模型,应用SIMPLIEC算法,对灯泡贯流泵装置全流道进行了数值模拟,分析了其在4种特殊流量工况点下机组后置导叶的流动特性,研究了灯泡贯流泵的内部流动特征。结果表明:在最优工况点时,泵装置的内部流态较好,水流平直顺畅,导叶的导流作用最好;在小流量工况下,泵叶轮进口处出现了大范围的回流、漩涡区,叶轮出口处出水流的流态紊乱,相邻叶片翼型周围有明显的回流区,后置导叶翼型周围的流态紊乱,存在大范围的不良流态区域;在大流量工况下,叶片周围流态较好,出水流态内的回流区较少,但导叶周围的流态较差。可见,后置导叶对叶轮出口处水流的导流作用明显,偏离最优工况时,导叶区的水力损失较大。     

高速离心泵空化特性研究

基于RNG k-ε模型和Rayleigh-Plesset空化模型,对高速离心泵在不同空化程度下进行数值模拟,探索空化在高速离心泵叶轮内部的演变过程及流体诱发压力脉动的变化规律。研究不同流量、不同空化系数下其外特性曲线的变化规律,叶片在不同空化程度下空泡主要发生位置及空泡体积分数占比情况,并探索空化发展过程中叶轮圆周出口不同监测点的压力脉动变化规律。结果表明,不同流量工况下空化的水力性能影响效果不同,小流量时空化对效率影响较小,大流量时空化系数越小,效率下降得越快;随着空化系数和流量的减少,扬程陡降临界点逐渐向前移动;空化由弱到强过程中,叶片上空泡主要发生的相对位置逐渐向后缘移动且空泡体积分数不断增加;空化对叶轮圆周出口压力脉动影响变化速率快慢的界点在σ=0. 086附近。