不同空化程度下离心泵流固耦合特性研究

针对离心泵空化下流固耦合问题,采用完全空化和气液两相模型,对离心泵空化进行了数值模拟计算,结合单向耦合计算方法求解了不同空化程度下转子系统的变形。分析了空化时叶轮上气泡、静压、液体相对速度分布情况以及蜗壳内部压力脉动和叶轮径向力特性,研究空化对离心泵内部流场和对转子系统变形的影响。结果表明,叶片吸力面较压力面的气泡体积和气泡区更大;随着空化的发展叶轮静压分布越不均匀;严重空化时叶轮上的气泡会堵塞流道,引起脱流现象,生成漩涡;空化导致压力脉动增强,径向力分布不规律;空化影响了离心泵转子系统的变形,空化引起的漩涡造成叶轮非轴对称变形。     

固液两相流下离心泵内特性和颗粒分布的数值模拟研究北大核心CSCD

基于计算流体动力学(CFD)和数值模拟的方法,研究固液两相流下的离心泵内特性变化规律、颗粒分布和速度,从而进一步探索离心泵的磨损规律。计算结果表明,颗粒的浓度和密度对离心泵内特性存在一定的影响,总压和湍动能系数k(液相)随着θ角度增大呈现出周期性波动的现象,并且总压和湍动能系数k(液相)在不同的工作条件下的波动的规律比较相似。在不同的颗粒浓度下,蜗壳中固相颗粒浓度沿着蜗壳半径方向向外逐渐增大,其中隔舌出口附近的蜗壳内边缘处的浓度最高,且在隔舌出口附近颗粒分布较为不均匀。此外,颗粒密度对颗粒在离心泵内分布的影响较为明显。相比于大密度颗粒工况,当颗粒密度较小时,离心泵流道内颗粒分布较为均匀。颗粒速度大小和浓度的分布在叶片的工作面和背面有着明显的不同,在叶片工作面上,颗粒在叶轮进口附近易集中,在叶片背面上,颗粒在叶轮进口附近和叶片末端易集中,从而推断在叶片工作面入口上边缘处和在叶片背面的末端磨损更有可能被磨损。     

固液两相流下离心泵内特性和颗粒分布的数值模拟研究

基于计算流体动力学(CFD)和数值模拟的方法,研究固液两相流下的离心泵内特性变化规律、颗粒分布和速度,从而进一步探索离心泵的磨损规律。计算结果表明,颗粒的浓度和密度对离心泵内特性存在一定的影响,总压和湍动能系数k(液相)随着θ角度增大呈现出周期性波动的现象,并且总压和湍动能系数k(液相)在不同的工作条件下的波动的规律比较相似。在不同的颗粒浓度下,蜗壳中固相颗粒浓度沿着蜗壳半径方向向外逐渐增大,其中隔舌出口附近的蜗壳内边缘处的浓度最高,且在隔舌出口附近颗粒分布较为不均匀。此外,颗粒密度对颗粒在离心泵内分布的影响较为明显。相比于大密度颗粒工况,当颗粒密度较小时,离心泵流道内颗粒分布较为均匀。颗粒速度大小和浓度的分布在叶片的工作面和背面有着明显的不同,在叶片工作面上,颗粒在叶轮进口附近易集中,在叶片背面上,颗粒在叶轮进口附近和叶片末端易集中,从而推断在叶片工作面入口上边缘处和在叶片背面的末端磨损更有可能被磨损。     

高速离心泵隔舌对流体激振力的影响研究

为了研究隔舌厚度对高速离心泵压力脉动的影响规律,采用基于RNG k-ε型封闭的Reynold平均方程和滑移网格技术对三维非定常流进行了数值模拟,得到了内部流场特性及泵的压力脉动情况,并对其进行了频域分析.计算结果表明:在设计工况下,叶轮受到的激振力与叶轮和隔舌的压力脉动有关;激振力的频率主要成分是叶片通过隔舌的频率;流体激振力的幅值随着隔舌厚度的增加而增加.     

离心泵流体激励力诱发的振动:蜗壳途径与叶轮途径

研究蜗壳、叶轮途径流体力诱发的离心泵振动,分析CFD蜗壳内表面流体力作用下电机-离心泵-机架FEM模型瞬态响应;用Newmark-β算法分析CFD叶轮表面流体合力、合力矩作用下叶轮-转轴-支撑-机架转子动力学模型响应;并对比蜗壳、叶轮两条途径流体力诱发离心泵基座振动。结果表明,泵内表面流体压力脉动为宽频激振源,会诱使离心泵系统产生各阶模态振动;流体力通过叶轮途径诱发离心泵基座振动位移幅值谱最大峰值出现在叶轮转频处,振动加速度幅值谱最大峰值出现在叶轮流道通过频率处,而非叶片通过频率处;流体力通过蜗壳途径诱发的离心泵基座振动远小于叶轮途径诱发的振动,叶轮-转轴-支撑-机架为流体激励诱发离心泵基座振动的主要途径。     

多级离心泵流场优化及验证

流体激励力是离心泵主要振源之一。通过对离心泵流场进行优化,可有效降低泵组流体激励力,减小离心泵振动。以多级离心泵的减振降噪为研究目的,运用CFD仿真技术从切割叶轮及改变蜗壳形状两个方面对流场进行优化。通过对比优化前后压力脉动以及流场激励力变化,说明优化情况。最后考虑加工工艺要求,选择切割叶轮的优化方法,并通过机脚振动响应的变化间接验证改善效果。结果表明：切割叶轮与改变隔舌形状对离心泵叶频及其倍频下的压力脉动与流体激励力都有减小,切割叶轮后机脚响应降低了4 dB。     

离心泵隔舌对流体激振力的影响研究

为了研究隔舌厚度对离心泵压力脉动的影响规律,本文采用基于RNG k-ε模型封闭的Reynold平均方程和滑移网格技术对三维非定常流进行了数值模拟,得到了内部流场特性及泵的压力脉动情况,并对其进行了频域分析。计算结果表明：在设计工况下,叶轮受到的激振力与叶轮和隔舌的压力脉动有关；激振力的频率主要成分是叶片通过隔舌的频率；流体激振力的幅值随着隔舌厚度的增加而增加。     

叶片包角对泵作透平水力径向力的影响

为研究叶片包角对离心泵作透平瞬态水力径向力的影响,以一台蜗壳式离心泵反转作透平为研究对象,保持叶轮和蜗壳其他几何参数不变,应用计算流体力学软件CFX对泵作透平全流道内多工况瞬态流动特性进行数值计算,并对预测性能进行了试验验证。结果表明,作用在叶轮上的径向力,当叶片包角增加超过一定值时小流量工况下减小不明显,而大流量下减小显著。随包角增加,作用于蜗壳上的径向力减小并向第四象限偏移。叶片包角存在一个合适的取值范围,使得泵作透平运行在大流量工况下时径向力较小。     

基于Lighthill声类比理论的离心泵流动诱导噪声的数值模拟EI北大核心CSCD

基于Lighthill声类比理论,采用计算流体力学(CFD)和计算声学(CA)相结合的方法对离心泵内部声场进行了求解。首先采用SST SAS湍流模型对离心泵内部流场进行了三维非定常计算,并导出声源信息,然后在流场计算的基础上进行声学求解,比较研究声学边界元法和声学有限元法在应用时的优劣。结果表明:蜗壳隔舌附近压力脉动强度最大、声压级最高,叶片通过频率及其倍频是各监测点上压力脉动的主频,叶轮与隔舌间的动静干涉作用是离心泵流动诱导噪声的主要原因;随着流量的增加,总声压级逐步减小,在效率最高工况点上达到最小,随后上升,偏离效率最高工况点越多,宽频分量越明显;声学有限元法对离散噪声的预估比较有优势,能综合考虑湍流噪声的各种声源,对内流场宽频噪声问题的研究更占优势。     

离心泵叶轮内非定常流动的动态模态分解分析

为了精确分析离心泵叶轮内复杂的非稳态流动特性,基于泵内流动的大涡模拟(large eddy simulation, LES)数值计算结果,在设计工况及小流量工况下对叶轮内非定常相对速度场进行动态模态分解(dynamic modal decomposition, DMD),得到能够反映叶轮内复杂流动特征的前4阶主要模态及其相应的频率信息。分析结果表明：DMD方法能够有效识别叶轮内复杂流动的脉动频率,提取出相应的流场结构,将叶轮内复杂的流场特征分解为基本模态特征、反映叶轮流道内流动分离及不稳定涡结构的高阶动态模态特征;基本模态能够反映由流道几何形状引起的叶轮出口高速射流区与低速尾迹区及叶片背面流动分离区域。设计工况速度场2阶～4阶动态模态流场反映出叶轮内流动受蜗壳干扰在叶片背面产生的流动分离及不稳定涡结构脱落特征;小流量工况速度场动态模态表征了由于叶轮旋转及蜗壳干扰在流道内发生流动分离、失速等流场特征。通过DMD方法能够有效地对叶轮内重要流场结构进行低维近似,清楚地分析离心泵叶轮内复杂流场的非定常特性。     

基于Lighthill声类比理论的离心泵流动诱导噪声的数值模拟

基于Lighthill声类比理论,采用计算流体力学(CFD)和计算声学(CA)相结合的方法对离心泵内部声场进行了求解。首先采用SST SAS湍流模型对离心泵内部流场进行了三维非定常计算,并导出声源信息,然后在流场计算的基础上进行声学求解,比较研究声学边界元法和声学有限元法在应用时的优劣。结果表明:蜗壳隔舌附近压力脉动强度最大、声压级最高,叶片通过频率及其倍频是各监测点上压力脉动的主频,叶轮与隔舌间的动静干涉作用是离心泵流动诱导噪声的主要原因;随着流量的增加,总声压级逐步减小,在效率最高工况点上达到最小,随后上升,偏离效率最高工况点越多,宽频分量越明显;声学有限元法对离散噪声的预估比较有优势,能综合考虑湍流噪声的各种声源,对内流场宽频噪声问题的研究更占优势。     

变转速工况下离心泵蜗壳辐射噪声变化规律的数值研究

以大涡模拟得到的泵内全三维非稳态流场为基础,通过设置外部监测点对声压信号进行频域分析的方法,以额定转速为1 450 r/min的离心泵为对象,基于FW-H声学模型研究了转速在1 000~6 000 r/min变化时泵内蜗壳辐射噪声的变化规律,揭示了辐射噪声与转速之间的响应关系,通过对蜗壳压力脉动强度和流场均匀性指标的分析研究,获得了转速对辐射噪声影响的根本原因。模拟结果表明:蜗壳辐射噪声随叶轮转速的增加而非线性单调增大,且在2 000~2 500 r/min的转速区间(占总区间10%)内,蜗壳辐射噪声急剧增大(增量约为额定工况噪声7%)。同时,蜗壳辐射噪声整体上呈现指向性分布,即‘正对隔舌噪声大、背对隔舌噪声小’的偏心分布。该结论可为离心泵变频运行中有效避开高辐射噪声工况提供指导,为低噪声离心泵的三维设计奠定基础。     

离心泵流体激励力的研究：叶轮部分

研究叶轮流体激励力是进一步研究离心泵流体激振的基础之一。本文基于对单级单吸式离心泵内非定常流场的CFD计算,通过积分得出叶轮转动过程中叶轮各表面所受空间三个方向的流体和力与和力矩,并分析了各表面对合力与合力矩的贡献,最后通过测试离心泵转轴的径向振动位移以验证所得结果的正确性。结果表明,叶轮各表面流体力空间三向合力与绕三个正交坐标轴的合力矩均周期波动,其中两个相互垂直的叶轮径向流体合力均以叶轮转动一周为一个周期,其余方向合力与绕坐标轴的合力矩均以相邻叶片通过蜗舌的时间一个周期;叶片所受流体径向合力是叶轮所受径向流体力的主要来源,叶轮前盖板外表面与后盖板外表面之间的压力差决定叶轮所受轴向力的大小,前盖板流体压力分布的不均匀程度决定叶轮绕径向转矩的大小,叶片所受流体力是叶轮绕转轴转矩的主要原因。     

大流量工况下核主泵内部不稳定特性分析

为了研究大流量工况下,核主泵内部流动不稳定特性,基于RNG k-ε湍流模型,利用ANSYS CFX对大流量工况下核主泵内部流场进行三维非定常数值模拟,分析了大流量工况下在导叶不同位置9个监测点上压力脉动的时域和频域特性。研究结果表明:由于漩涡的存在,H~Q曲线在1.0Qd~1.1Qd内出现正斜率现象。核主泵导叶流道内最大压力脉动出现在导叶进口处,随着流量的变化,主泵运行偏离最优工况越远,导叶进口处的压力脉动系数越大,在1.3 Qd工况时导叶进口处的压力脉动系数最大且为出口处的2.5倍;蜗壳壁面的径向力受流量变化影响最大,在一个旋转周期内蜗壳壁面所受到的径向力随流量的增加平均值逐渐增大,偏离额定工况越大,蜗壳壁面受到的径向力最大,导叶次之,叶轮最小。试验与数值对比分析发现大流量工况下二者吻合较好,证明该数值模型可较准确地描述泵内流场特征。     

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。     

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。     

半高导叶对离心泵径向力影响数值模拟研究

半高导叶广泛应用于压缩机与涡轮机械中,能有效改善其气动性能,而在离心泵中应用较少,对其性能的影响机理不明确。采用SST k-ω湍流模型对半高导叶离心泵内部流场进行非稳态数值分析,重点研究半高导叶对离心泵压力脉动及径向力性能的影响规律。结果表明:当H/b=0.4～0.6时,离心泵的水力性能最优、高效区较宽;随着流量增加;当H/b=1.0时,离心泵叶轮出口各流道压力对称性在逐渐变好,作用于叶轮上径向力在逐渐降低;当H/b=0～0.8时,离心泵中叶轮出口各流道压力对称性在逐渐变差,径向力在逐渐增加;在各流量工况下,当H/b=0～0.8时离心泵径向力瞬时平均值高于H/b=1.0,但其径向力波峰与波谷差值较小,且作用于叶轮上径向力矢量分布更均匀,叶轮出口液流角波动较稳定。分析结果为离心泵半高导叶设计提供理论依据与参考。     

卫生型离心泵水力性能的参数化研究

为给卫生型离心泵过流部件结构的优化设计提供依据,采用CFD分析软件Fluent对卫生型离心泵内部流场流动进行了数值模拟和水力性能的参数化分析.给出了建模和流场分析方法,分析了泵内流体速度和压力的分布特性,基于流动模拟结果预测了水力性能.性能预测结果与试验结果吻合较好.关键结构参数对水力性能影响的计算结果表明,叶轮轴向间隙、叶片宽度、叶轮与蜗壳直径比等参数均存在最优值.研究结果对卫生型离心泵的结构改进和性能提高具有参考价值.     

离心泵流体激励力的研究：蜗壳部分

研究了叶轮转动过程中离心泵蜗壳所受流体激励力。基于CFD计算了离心泵叶轮转动过程中的瞬态内流场,而后积分得出蜗壳内表面三个方向上流体激励合力并进行频谱分析,最后运用九次多项式拟合、傅立叶级数与分段多项式拟合分别建立叶轮单周转动各向流体合力数学模型。结果表明：蜗壳所受出口方向、进口方向与垂直于进出口方向的流体激励力以叶片通过频率为基频波动,且波动幅值依次减小,波谷均出现于叶片通过蜗舌时;采用三段多项式拟合所建的数学模型与原始波形有最小的偏差,并且具有较低阶次     

双吸离心泵压力脉动特性数值模拟及试验研究

为深入了解双吸离心泵内部非定常压力脉动特性,对一台双吸离心泵在0.6Q_d、0.8Q_d、1.0Q_d和1.2Q_d工况下的压力脉动特性进行了试验和数值模拟研究,得到了吸水室和蜗壳壁面上3个监测点的压力脉动时频域特性及泵内部压力脉动强度分布。对比试验和数值模拟的泵外特性和监测点的压力脉动功率谱密度,验证了数值模拟的准确性。结果表明:在设计工况和小流量工况下吸水室监测点处叶频是压力脉动的主频,在1.2Q_d时主频转变为轴频,且轴频的幅值随流量变化较小;因吸水室顶部漩涡较多,采用SST k-ω模型进行数值模拟未能准确预测吸水室中的压力脉动。蜗壳上监测点的压力脉动主频为叶频,其振幅随流量的增加先减小后增大,由于蜗壳内压力脉动主要原因为叶轮和蜗壳的动静干涉作用,数值模拟可以准确预测蜗壳中的压力脉动。在小流量时蜗壳出口处监测点的压力脉动主频为轴频,在设计工况和大流量时为叶频,但由于数值模拟未考虑环境因素,使得其结果与试验有偏差。蜗壳中压力脉动强度随着流量增加先降低后变大,在设计工况最低,在设计流量和大流量工况下隔舌断面上压力脉动强度对称分布。