基于大涡模拟的导叶式混流泵叶轮内压力脉动特性分析

为研究导叶式混流泵叶轮内部非定常压力脉动特性,在其叶轮进口截面及出口截面附近分别设置8个压力脉动监测点,采用大涡模拟方法(LES)对导叶式混流泵内全三维流道(进水管、叶轮、导叶及出水管)进行模拟,并对8个监测点进行压力脉动时域图和频域图的分析。结果表明:由于旋转叶轮旋转失速、脱流效应及静止导叶的干涉作用,叶轮出口处压力脉动系数幅值均大于进口处脉动系数幅值,且其最大压力脉动发生在叶轮出口处,脉动波衰减较慢;叶轮进、出口截面上监测点的压力脉动频率以叶轮叶频为主频次,且压力脉动主要频率为叶频的倍数。     

混流式核主泵压力脉动特性预测与分析

由于结构和运行工况的原因,混流式核主泵流道中的压力脉动比普通混流泵更为复杂,掌握其流道中的压力脉动特性及在不同运行工况的特征对于满足设计的高可靠性和保证运行的安全性都很有必要。为寻找引起压力脉动的主要因素和探讨运行工况对压力脉动特性的影响,在对带球形压水室的核主泵进行全流道三维非定常流场数值模拟的基础上,对5个典型工况下叶轮和空间导叶流道中不同部位的压力脉动时域与频域特性进行深入分析。结果表明:叶轮与空间导叶的动静干涉是引起压力脉动的主要因素,压力脉动主频为叶频,其幅值取决于运行工况的流量,在设计工况运行其压力脉动的幅值最低;对于采用球形压水室的流道,压力脉动幅值沿叶轮进口向出口逐步增大并在叶轮出口达到最大值,然后沿空间导叶的进口向出口逐步减小;在小流量工况时,流道中的不稳定流动会产生更为复杂的压力脉动;在同一圆周上,叶轮进口区域的压力脉动特性并不一致,叶片背面脉动幅值大于叶片正面,而在不同工况下叶轮出口区域叶片正、背面的压力脉动特性差别不大;随着运行流量的减少,因球形压水室的几何形状影响会产生涡流和回流,导致叶轮内的中高频脉动幅值增大,若流量过小,整个流道中的脉动幅值都将明显加大;球形压水室对设计工况及大流量工况的压力脉动影响很小,但对小流量工况下的压力脉动影响较大,而且导致频率特性更为复杂。     

混流式核主泵压力脉动特性预测与分析（英文）

由于结构和运行工况的原因,混流式核主泵流道中的压力脉动比普通混流泵更为复杂,掌握其流道中的压力脉动特性及在不同运行工况的特征对于满足设计的高可靠性和保证运行的安全性都很有必要。为寻找引起压力脉动的主要因素和探讨运行工况对压力脉动特性的影响,在对带球形压水室的核主泵进行全流道三维非定常流场数值模拟的基础上,对5个典型工况下叶轮和空间导叶流道中不同部位的压力脉动时域与频域特性进行深入分析。结果表明:叶轮与空间导叶的动静干涉是引起压力脉动的主要因素,压力脉动主频为叶频,其幅值取决于运行工况的流量,在设计工况运行其压力脉动的幅值最低;对于采用球形压水室的流道,压力脉动幅值沿叶轮进口向出口逐步增大并在叶轮出口达到最大值,然后沿空间导叶的进口向出口逐步减小;在小流量工况时,流道中的不稳定流动会产生更为复杂的压力脉动;在同一圆周上,叶轮进口区域的压力脉动特性并不一致,叶片背面脉动幅值大于叶片正面,而在不同工况下叶轮出口区域叶片正、背面的压力脉动特性差别不大;随着运行流量的减少,因球形压水室的几何形状影响会产生涡流和回流,导致叶轮内的中高频脉动幅值增大,若流量过小,整个流道中的脉动幅值都将明显加大;球形压水室对设计工况及大流量工况的压力脉动影响很小,但对小流量工况下的压力脉动影响较大,而且导致频率特性更为复杂。     

导流板角度对CG型混流泵影响的试验研究

为了减小蜗壳式混流泵内水流因升力作用对蜗壳的斜向冲击,设计加工了3个不同导流板角度的CG型压水室,与比转数n_s=350的混流泵叶轮组合成CG型混流泵,运用试验研究结合理论分析的方法,研究了CG型压水室导流板安放角度对水泵性能曲线的影响。结果表明:导流板角度越小时,泵内液体回流造成的水头损失越小;在低流量处,导流板安放角度越小时,水泵扬程越高;在30°、45°、60°3种导流板安放角中,30°为最优值,导流板安放角为30°时最高效率点处的效率最高。     

导叶与隔舌相对位置对离心泵水力性能影响的数值研究

导叶叶片与蜗壳隔舌的相对安放位置对离心泵水力性能影响较大,该问题在设计和安装过程中容易被忽略.通过采用雷诺时均法针对导叶与隔舌相对位置对离心泵水力性能的影响展开数值研究并经过试验验证,模拟结果与试验结果契合度较高.对离心泵内部流场的数值分析表明:设计流量下不同导叶与隔舌相对安放位置下效率最大差值为2.2%,且效率差值随流量增大逐渐变大,最大效率偏差为4.5%,设计流量下扬程最大差值为5m.导叶与隔舌相对安放角ψ=25°和ψ=41°时,离心泵水力性能较好;导叶与隔舌相对位置对离心泵水力性能影响主要在于其对蜗壳内部流动损失的影响,对叶轮做功及导叶内部流动损失影响较小,导致离心泵整体的运行效率、扬程等产生较大变化.研究对带导叶的离心泵安装具有一定借鉴意义.     

粒子群算法在带导叶离心泵性能优化中的应用

为了提高带导叶离心泵运行效率和解决泵性能优化过程中优化目标与设计变量间强非线性问题,文中提出了一种基于粒子群算法的叶轮多参数智能优化方法.在Workbench软件平台搭建了叶轮造型、网格划分和性能计算的数值仿真流程.以泵设计流量效率为优化目标,定义扬程为约束条件,通过Bézier曲线控制叶片安放角、叶片进口边位置和叶片厚度的分布,以Bézier曲线控制点坐标的为优化变量.编写泵性能优化程序,调用粒子群优化算法和数值仿真软件,在粒子群算法迭代中计算中每个粒子(叶轮方案)的适应值(效率).在粒子群算法迭代初期泵设计工况效率为74.91%,迭代末期泵效率为78.50%,较原始方案的效率高2.1%,优化后扬程为72.5 m,仍满足设计要求.对比优化过程中的叶轮和导叶内速度流线分布,可以发现叶轮和导叶叶片工作面流动分离现象得到改善,叶轮欧拉扬程上升减缓.所提出的泵性能优化方法为其他泵的性能改善提供了一定的参考价值.     

基于水力损失计算的离心泵叶轮叶片出口安放角选择方法

为提高离心泵的效率,在泵叶轮内水力损失计算的基础上,通过推导建立叶轮水力效率和流量、转速、叶片数、比转速、出口安放角及叶轮设计系数的函数关系。据此关系,针对一台Q=100 m3/h、H=34 m、n=2 900 r/min的泵,编写性能预测程序,得出不同叶片数、不同k₀取值下的叶片出口安放角和水力效率的关系,可知当叶片数Z=5、β₂=29°、k₀=4.2时,叶轮水力效率最高。按设计参数设计叶轮,并构建叶轮和蜗壳模型,利用FULENT软件对其内部流场进行数值模拟,得出在设计参数下泵的水力效率达到89.43%,证明了用所提出的方法可以设计出高效的离心泵叶轮。     

修正湍流粘度的混流泵空化非定常分析

为了减少混流泵空化数值模拟误差和分析泵内空化压力脉动的特征,运用Zwart-Gerber-Belamri空化模型对混流泵的空化性能进行了数值模拟,分析了SST湍流模型和RNG湍流模型对混流泵空化数值模拟的影响,并利用湍流粘度修正后的RNG湍流模型对混流泵的空化性能进行了定常和非定常数值计算。研究表明,无论是在非空化时还是空化时,RNG湍流模型都比SST湍流模型计算的误差小;湍流粘度修正后,RNG湍流模型的误差进一步减小。通过对叶轮进出口和泵出口处的压力脉动进行监测和分析,发现叶轮进口处的平均压力最小,但波动最剧烈;各监测点处压力脉动的主频为叶轮叶频,并且主频的幅值随着进口有效汽蚀余量的减少而增大。     

变角调节斜流泵振动特性试验测试及数值模拟

大型斜流泵广泛应用于给水排水等重点水利工程中,振动大是影响其稳定运行的关键因素。本文首先对其实际运行过程进行测试,结合数值模拟技术对不同叶片角度下泵内部不稳定流动特性进行分析,结果发现:数值模拟监测点与实测点的脉动频谱变化规律基本相同,脉动主要发生在低频区,转频为主因,通过频率为次因;在小流量区域均有一段不稳定区域,且叶片角度从-80到+20的调度过程中,不稳定区域逐渐增大,在80%以上效率区间,流量范围可以从8 m3/s达到21 m3/s;叶片角为+10时,有效扬程在误差最大,达到6.92%,而其他误差均在5%以内,最大效率误差均小于5%;叶片角为"+"的压力脉动大于叶片角为"-"角时的压力脉动,且最大值均出现在导叶与叶轮耦合交界面处。上述研究成果能够为同类变角调节叶片泵振动特性分析提供参考。     

中低比转速率心泵叶轮几何参数优化

中低比转速离心泵效率普遍不高,主要因素是泵的圆盘摩擦损失过大,而圆盘摩擦损失又和叶轮直径的五次方成正比,针对这一特点,提出了以减少泵的圆盘摩擦损失为目的方法,即以叶轮直径最小为目标函数,综合考虑叶轮进口直径、叶轮叶片进出口安放角,叶轮叶片数等设计变量,建立相应的数学模型,通过优化计算,获得满足一定扬程和流量的上述参数的最优组合,从而提高中低比转数离心泵的效率,缩短泵的设计周期。     

低比转速离心泵驼峰稳定性及其影响因素研究

为了提高低比转速离心泵的效率,一般会将叶轮叶片出口角加大一些,但会引起H-Q曲线有驼峰,导致泵在小流量区运行不稳定。本文以国内某水泵厂生产的比转速为47的单级单吸式离心泵为研究对象,采用正交试验法选择叶轮出口边斜切比、出口角度、叶轮轴线倾斜角度、叶片包角、叶片进口边位置5个因素,每个因素采用4个水平,一共16个叶轮设计方案;针对每个方案进行数值模拟,得到其外特性曲线;利用极差分析法研究5个因素对特性曲线形状以及泵额定工况下扬程、效率的影响,得到影响特性曲线稳定性的因素主次顺序依次为叶片进口边位置、叶轮出口边斜切、叶轮轴线倾斜角度、出口角度、叶片包角;利用分析得到的结果得出叶轮的优化组合方案,对该方案进行数值模拟验证。结果表明:优化方案的H-Q曲线稳定且泵的扬程和效率分别提升2.2%和1.4%;从优化前后的叶轮流场中分析消除驼峰的机理,得到驼峰工况区内叶轮进口处的能量损失占据主导,进口边位置的前移减小进口处的能量损失,同时叶轮出口边斜切与轴面倾斜使叶轮出口处相对速度变化减小,“射流–尾迹”现象减弱甚至消失,损失大幅减小。     

进口导叶/叶轮/扩压器非定常相干的数值研究

在非零进口导叶预旋角度下,采用非定常的方法对进口导叶/叶轮/扩压器三部件之间非定常相干进行了数值模拟,研究了进口导叶/叶轮/扩压器三部件之间动静相干的机理。结果表明,叶轮由于受进口导叶尾流和扩压器势反冲效应的双重非定常影响,叶轮受非定常影响最小的区域出现在叶片50%弧长附近,最大的非定常影响出现在叶轮和扩压器之间的动静交界面上。当离心压缩机前带有进口导叶预旋时,扩压器受前面两部件的同时影响,扩压器叶片上的非定常变化沿流向比较均匀。     

叶片圆形切割对离心泵流动诱导噪声的影响

为研究叶片出口圆形切割对离心泵压力脉动及内场噪声的影响，通过固定圆形弦长以变换弦高的方法设计6种叶片切割方案，采用RNG k-ε 湍流模型对各方案外特性和压力脉动进行流场数值计算，并基于Lighthill声类比理论和边界元法（BEM）对内声场进行数值计算，对原始模型额定工况的外特性和内声场也进行了试验验证。结果表明:叶轮叶片切割后的设计方案与原始方案相比，在轴频、叶频及倍叶频处压力脉动得到了明显地改善；当弦高与叶片出口宽度的比值为0.333时，设计工况的压力脉动幅值达到最低； 当弦高与叶片出口宽度的比值为0.167时，进口声压级降低了3.5 dB，出口声压级降低了3.4 dB； 随着圆形切割面积的不断增大，在设计工况各方案声压级呈现出先减小后增大再减小的规律；随着叶片出口圆形切割面积的增大，在0.6 Q_v~1.4 Q_v工况范围内扬程下降与其呈正相关特性，但对离心泵效率的影响较小。     

叶片包角对离心泵空化性能的影响

为了研究叶片包角β对离心泵空化性能的影响,以100MP200单级单吸离心泵为模型,在保持其他叶轮几何参数不变的情况下,设计了4种不同包角β的叶轮,基于完全空化模型和RNGk—ε湍流模型对离心泵进行数值模拟,分析不同包角下叶轮流道内的空化性能和空泡体积分布规律。结果表明:叶片包角β对离心泵的扬程和效率有明显相关性,在叶片包角β=160°时具有最佳的扬程和效率;最佳包角为β=160°的叶轮具有最佳的抗空化性能,空化区域面积比其他三种包角叶轮有显著的减小。     

蜗壳隔舌安放角对离心泵特性及流动稳定性的影响

采用数值模拟方法对蜗壳隔舌安放角角度的大小进行研究,分析其对离心泵内部流动状态的影响。根据比转速与蜗壳隔舌安放角的关系,设计4种蜗壳隔舌安放角方案;采用Navier-Stokes方程与SST(剪切应力传输)k-ω湍流模型来研究高比转速离心泵的瞬态内部流动。结果表明:在外特性方面,蜗壳隔舌安放角为35°时,离心泵的扬程和效率最高,并且大流量工况时,蜗壳隔舌安放角为29°和32°的离心泵扬程和效率都急剧下降;在能量方面,蜗壳隔舌安放角从29°增大到38°的过程中,离心泵的能量损耗和熵产率都先减小后增大,在蜗壳隔舌安放角为35°时取得最小值;在内部流动稳定性方面,适当地增大蜗壳隔舌安放角,可以明显地降低蜗壳内部的压力脉动,减少蜗壳隔舌处的回流,使蜗壳和叶轮的内部流动更加稳定。因此,适当地增大蜗壳隔舌安放角对离心泵内部流动的稳定起促进作用,同时也能够抑制能量的耗散。     

基于比面积调控的核主泵动静叶栅数值优化研究

核主泵动静叶栅的参数匹配对水力性能有显著影响。为了提高核主泵整机效率,本文基于动静叶栅几何参数的匹配关系,采用正交试验方法,选取调控比面积的三因素及三水平,探讨比面积对泵水力性能的影响机制;基于各因素平均值,综合考虑叶轮和导叶几何参数及其交互作用对扬程、效率影响的显著性,确定最优组合方案。研究表明:比面积对扬程和效率影响显著,ξ取0.835时,动静叶栅几何参数达最优匹配度,此时扬程和效率均达峰值点。导叶叶片前缘区域,ξ对液流速度的影响较显著,导叶内部速度值呈线性下降趋势时,导叶叶片对液流的控制力较强。当ξ取0.835时,CFD验证导叶水力损失达最小值。获得最佳比面积ξopt为0.835,动静叶栅内部水力损失最小,提高了核主泵整机性能。研究结果为核主泵动静叶栅水力设计,提供了理论依据。     

离心泵叶轮的优化设计模型

论述了以泵的能量损失最小为目标函数,以叶轮叶片出口宽度、出口角、直径、叶片数、进口直径、进口角、进口宽度为设计变量的泵叶轮的优化设计模型及优化计算方法．     

含气率对导叶式离心泵内部流动的影响

为研究含气率对导叶式离心泵输送气液两相时内部流动的影响,基于延迟分离涡DDES(Delayed Detached-Eddy Simulation)湍流模型及Mixture多相流模型对导叶式离心泵进行非定常数值模拟,得到不同含气率下,模型泵内气相分布、压力分布、流线分布以及所选监测点压力脉动情况,并将数值模拟的外特性曲线与试验进行对比分析。结果表明:气相主要在导叶靠近蜗壳出口的流道、蜗壳靠近叶轮前盖板一侧以及出口段靠近隔舌一侧聚集;导叶出口处压力从靠近隔舌处沿顺时针方向逐渐减小;蜗壳隔舌至第Ⅰ断面内及出口段靠近隔舌侧均出现了回流区;蜗壳壁面从P₁点顺时针方向沿蜗壳至出口段静压值逐渐减小;随着含气率的增大,叶轮进口处低压区面积增大,导叶内压力降低;蜗壳出口段多个面积较小的回流区转变为几个面积较大的回流区;同一监测点静压值逐渐减小,隔舌处静压值受含气率的影响最大。     

离心泵几何参数对扬程综合影响的灰色理论分析

离心泵几何参数对扬程的影响,应当侧重于综合影响的研究。采用灰色理论分析了离心泵几何参数对扬程的综合影响,通过大量计算提出了这些参数对泵扬程的影响排序结果。计算结果表明,在这些几何参数中,叶轮出口直径对扬程影响最大,叶轮出口宽度影响最小,进口直径、叶片出口角和叶片数依次地位于它们之间。这种方法对其它工程项目方案的研究具有重要的实际意义。     

液力透平进口截面对蜗壳内压力脉动的影响

为研究液力透平不同进口截面对蜗壳内压力脉动的影响,选取一单级液力透平为研究对象,利用流场分析软件CFD对该液力透平内流场进行三维非定常数值计算,在蜗壳内沿周向和径向设置监测点,计算各监测点在不同进口截面和最优工况下沿周向和径向的压力脉动,以及各监测点在不同流量和不同进口截面下沿径向的压力脉动,利用快速傅里叶变换对各监测点的压力脉动计算结果进行变换,分析各监测点处压力脉动的时域和频域分布。结果表明:蜗壳进口直径越大,隔舌处的压力脉动幅值越大;蜗壳进口直径越小,叶轮动静相干作用越强,蜗壳内压力脉动幅值越大;流量越大,不同蜗壳进口截面下蜗壳内压力脉动主频幅值之间相差越小;当离心泵用作液力透平时为了使液力透平能够较稳定运行,需适当减小液力透平进口截面面积。