基于CFD的离心泵叶轮内部流动分析与试验对比

为了解有空间导叶的离心泵叶轮内部水力性能,借助NUMECA公司的FINE软件,采用NavierStokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型,分别在0.8Qopt、Qopt、1.2Qopt工况下对离心泵内部流动进行数值模拟计算。结果表明,随流量的增加,靠近进口边叶片吸力面的抗空蚀性能逐渐增强;叶片间轴向漩涡的位置与流量无关;出口边径向速度随流量增加而增大;出口边切向速度随流量增加而减小。与试验结果的比较表明,在Qopt工况下,数值模拟能有效预测泵内部的复杂三维流动与水力性能。     

叶片进口边位置对小流量工况下离心泵空化特性的影响

为研究叶片进口位置对小流量工况下离心泵空化性能的影响,应用数值计算方法模拟了比转数为81的离心泵的三种模型,得到不同进口边位置的离心泵空化特性,并分析了叶轮内部流场与空化性能曲线的影响关系。结果表明,在小流量工况下,低比转速离心泵叶片进口边位置越靠前,抗空化性能较好,但严重空化后扬程衰减更快,流道直接被空泡堵塞,流道和叶片表面气泡分布较均匀,且气泡充斥流道速度较快,气泡体积分数各流道差值越小。相比较而言,叶片进口位置越靠后,气泡在流道内部和叶片背面分布不均匀,易出现噪声和振动,但在断裂空化状态,气泡并未完全堵塞流道,扬程下降速度较慢。整体来看,在小流量工况下,叶片进口边位置越靠前,离心泵的抗空化性能较好,并通过试验研究验证了模拟结果的可靠性。研究成果可为小流量工况下低比转速离心泵抗空化性能的优化提供参考。     

基于叶轮子午面田口试验的潜水泵水力优化设计

为探究叶轮子午面型线变化对潜水泵水力性能的影响规律,利用田口试验设计与数值计算相结合的方法,以扬程、效率作为优化目标,选取出口段中点位置、倾斜角及前、后盖板交线出口角等8个参数为变量因子,基于田口设计L27（313）表设计出27组方案,采用效应分析法对计算结果进行分析并确定参数间的主次顺序,最终确定出了性能最佳的参数组合方案。结果表明,在叶轮子午面型线设计中,前、后盖板交线的变化是影响潜水泵水力性能的关键。优化后模型的水力性能得到了较大提升,为后续潜水泵叶轮水力设计的研究提供了参考。     

扩压器前缘开槽结构对离心鼓风机性能及流场压力脉动的影响

为提高离心鼓风机的气动性能,对一离心鼓风机扩压器叶片前缘前后盖板同时进行开槽处理,并采用数值模拟方法定量研究开槽结构对离心鼓风机气动性能及内部流场的影响。结果表明,具有开槽结构的扩压器进口回流与上游叶轮尾迹影响明显减小,其次一部分高速流体从开槽区域射入扩压器吸力面侧,并与主流掺混,从而加速了扩压器流道中后段的流动,抑制了叶片尾部的附面层分离。因此,在适宜的开槽参数下,开槽结构能提高离心鼓风机的总压升和效率。离心叶轮出口和叶片扩压器进口典型位置非定常压力脉动频域特性的结果表明:在开槽扩压器内部叶频的影响减小,而轴频起了主导作用,并发现开槽处理后,扩压器内部的压力脉动幅值明显减小,减小压力脉动的幅值在一定程度上能减弱离心鼓风机内的流动诱导噪声。     

分流叶片周向位置设计及其对离心叶轮内部流动的影响

利用计算流体力学软件,对某高压比、高转速、小流量离心式压气机的半开式叶轮内部三维粘性流场进行了数值模拟研究。重点分析了分流叶片周向位置对叶轮内部流动和性能的影响,提出了适合此半开式离心叶轮分流叶片周向位置的设计方案。结果表明：分流叶片不同周向位置对流场影响明显,当分流叶片偏向长叶片吸力面侧时,叶轮流道内低速区增大,流动分布不均匀。研究还发现：固定分流叶片进口而将出口位置向长叶片压力面侧偏置,可以改善叶轮内部流动情况,提高叶轮性能。     

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。     

结构参数对混流式循环水泵性能影响的数值模拟

在混流泵的设计改造中,常用方法是改变叶片的进出口角、改变进口边以及叶轮外径的切削。这些结构参数的改变,也改变了泵的性能。保持泵蜗壳和叶轮外形尺寸不变,改变叶片进出口角的大小、调节进口边、适当切削叶轮外径,设计出一系列的泵,并借助于FLUENT软件模拟泵的内部流场,然后,改变工况求得对应流量的扬程,从而绘制出结构参数改变时对应的泵性能曲线,总结结构参数变化对性能曲线影响的规律。     

叶片包角对高比转速离心泵固液两相流动的影响

为研究叶片包角对高比转速离心泵固液两相流动的影响,采用Mixture多相流模型,利用CFX软件对5种不同叶片包角的高比转速离心泵进行了固液两相湍流数值模拟,分析了固液两相流中固体体积分数分布及速度变化规律。研究表明:在2%的泥沙含量条件下,随着叶片包角的增加,效率有所下降,叶片包角φ=100°时效率最优;颗粒主要分布在叶轮后盖板及叶片背面尾部;固体速度在距后盖板的0.7位置及叶片头部位置达到最大;随着包角的增大,叶轮流道内的压力在减小,后盖板、叶片背面尾部的颗粒浓度明显降低,流道和叶片上的固体速度会增加;颗粒浓度下降速度快慢的临界点在距离后盖板0.15处;叶片背面颗粒浓度的峰值点出现在叶片长度为0.9处,此时,φ=110°时的颗粒含量受到包角的影响最大;综合颗粒体积分数及固相速度的分布规律,适当增大叶片包角使得效率降低,但可改善固液两相流离心泵后盖板及叶片背面磨损情况。     

基于CFD的导叶进口角对轴流泵水力性能的影响

为研究后置导叶进口安放角对轴流泵水力性能的影响,在常规导叶基础上将导叶分为进口段和出口段两部分,运用数值模拟的方法研究了5种导叶进口安放角对轴流泵泵段水力性能的影响。结果表明,轴流泵在偏离设计工况下运行时,通过调节导叶进口角度可以减小导叶进口冲角,改善导叶体内流态。在后置导叶原设计进口角度的基础上,沿旋转轴顺时针调节适当角度可提高大流量处的泵段效率,逆时针调节适当角度可提高小流量处的泵段效率。不同导叶进口角主要是保证多种工况下水流无撞击进入导叶室,对泵段的其他过流部件水力性能基本无影响。研究成果有助于轴流泵导叶性能的优化设计。     

叶轮进口边型线对两级离心泵空化及非定常流动特性的影响

针对叶片进口边型线对两级离心泵空化及内部非定常流动特性的影响,在保持泵体和其他几何参数不变的情况下,通过改变第一级叶轮叶片进口边曲率,计算了两级离心泵内的空化及非定常流动。获得了空化性能曲线、第一级叶轮流道内测点的压力脉动和第一级叶轮的受力情况。结果表明:进口边对临界空化余量、压力脉动和受力情况的影响不具有单调性,而是存在最优值;压力脉动的主导频率为15倍轴频,并且压力脉动出现高幅低频现象;轴向力和径向力的脉动主频分别为轴频和2倍叶频;径向力的波动幅值远小于空间x,y方向受力的波动幅值。     

基于CFD的轴流泵后置导叶水力性能分析

为了解轴流泵后置导叶的水力性能,基于RNG湍流模型,采用计算流体动力学CFD软件Fluent,应用SIMPLIEC算法对轴流泵模型装置全流道进行了数值模拟,分析了四种不同流量下导叶体的内部流动特性,研究了导叶的水力性能。结果表明,导叶的水力损失随流量的增加先减小后增大;在设计流量处导叶水力损失最小,导叶压力转换能力最好;小流量下叶轮进出口处水流流态紊乱,导叶流道内出现漩涡回流,是导致导叶水力损失较大的主要原因;大流量下叶轮出口水流轴向速度较大,水流导叶进口边撞击将导致导叶体水力损失增加,水力性能下降。     

水力机械转轮叶片建模技术研究

为提高水力机械转轮叶片设计与加工的准确性,针对传统工程图中采用二维木模图表示的叶片与生产实体存在不一致且不能满足数字化设计与制造的要求,基于目前广泛应用的三维造型软件及造型方法的比较分析,提出了转轮叶片的变量技术造型方法.通过设计实例得到了木模图表示的真实准确的三维叶片,表明变量化造型技术的应用及水力机械转轮叶片数字化建模可明显提高叶片实体精度,为水力机械CAM实现、内部流场的数值模拟及性能预测提供了实际应用参考价值.     

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%。     

离心压气机弯管进口畸变非定常特性

采用数值模拟计算的方法研究了90°弯管对涡轮增压器装配的离心压气机进口流场产生的畸变,比较了两种不同轴向位置弯管所致的进口畸变对压气机性能的影响,并对压气机内部的三维非定常流动进行了频域分析.结果表明,弯管畸变对离心压气机性能的恶化程度与弯管所在位置有关,距离叶轮进口较远的弯管影响较大.畸变引起压气机性能在大流量时有明显降低,在小流量时性能恶化程度较小.弯管畸变导致叶轮进口前的压力脉动增强,大流量时改变了叶轮流道上游和叶顶间隙内的压力频谱结构,显著提高了转子基频的扰动强度.同时畸变也造成了叶片振动和蜗壳舌部噪声的恶化,在小流量工况下的作用更加明显.     

阁山水库仿生态式鱼道模型水力特性试验研究

为优化阁山水库仿生态式鱼道水力性能,做了1∶20物理模型试验。首先对设计基本方案的鱼道水力特性进行试验,再分别对鱼道内部池室、进口和出口布置优化方案进行分析。结果表明,三种优化的仿生态式鱼道布置型式结构尺寸均合适,在设计水深条件下达到了流速分布在0.4～1.0m/s的设计条件,鱼道进口水流条件适宜鱼类上溯进入鱼道。研究结果为阁山水库仿生态式鱼道设计提供参考。     

淮阴抽水站可逆式轴流泵装置性能研究

为了满足泵站抽水发电可逆运行的要求,应用Fluent软件,利用CFD数值模拟技术模拟了不同方案的流道内流场,分析了叶片翼型、叶片个数、轮毂比、导叶数量、导叶距转轮出口距离对水泵性能的影响,得到了最优的水力模型装置,即转轮叶片数为4、最优安放角为0°、轮毂比为0.40、导叶数为5、导叶进口边与转轮出口距离为268mm时,转轮具有更好的做功能力,且装置全流道效率和转轮效率达到最大值。根据数值模拟计算设计出的轴流式水泵水轮机转轮特性与模型试验结果比较接近,具备实际应用价值,不仅可节约新转轮的开发成本,且缩短了研发时间。     

固定偏角垂直轴潮流能水轮机叶片安装位置试验研究

叶片安装位置是影响固定偏角垂直轴潮流能水轮机水动力性能的关键参数之一,为了研究其对水轮机性能影响的基本规律,建立了垂直轴水轮机水槽模型试验系统,设计了垂直轴水轮机性能和载荷测试方法。通过试验结果的分析,得到了叶片安装位置对水轮机能量利用率、推力系数、侧向力系数和合力系数的影响规律,为水轮机设计提供了试验依据。     

可控扩散叶型振荡叶栅边界层转捩特性分析

为研究某重型燃气轮机的压气机叶栅在振荡条件下的非定常响应特性,采用基于γ-Reθ转捩模型的雷诺时均方程对可控扩散叶型组成的振荡叶栅进行了数值计算,研究了折合频率、来流攻角和前缘造型对叶片气动性能及表面边界层发展的影响。结果表明：叶片吸力面发生分离前存在较大的压力波动,边界层转捩后叶片表面压力波动减小;叶片振动对可控扩散叶型的分离转捩特性影响较大,随着叶片振动折合频率的增大,叶片吸力面边界层分离转捩位置向叶片前缘移动;通过优化前缘曲率造型能抑制边界层转捩位置的前移,同时改善振动状态下的前缘压力波动特征。     

基于流固耦合的混流式水轮机转轮裂纹改造分析

为了解光照电厂转轮裂纹的改造效果,借助ANSYS有限元计算平台,利用流固耦合方法分析转轮改造前后在不同水头、负荷下的流场及动、静应力。计算结果表明,转轮在叶片出口边中部有较大变形,应力集中点在叶片出口边靠近上冠与下环处,与现场发现的裂纹位置相同,说明应力集中是裂纹出现的原因之一。转轮上冠、下环与叶片出水边连接处加装三角块对转轮的水力性能影响可忽略;而转轮最大应力降幅均超过20%,最大应力位置从连接处转移至三角块处,可有效改善转轮裂纹情况。     

自循环机匣处理对某型柴油机增压器压气机的稳定工况范围及性能影响研究

针对某型柴油机增压器压气机,基于整级全通道数值模拟和正交试验设计方法,研究了自循环机匣处理实现高亚声速压气机扩稳增效的潜力。结果表明：自循环机匣能够在提高设计点气动性能的前提下推迟失稳,但会牺牲堵塞流量。压气机的失稳和堵塞流量分别与叶片前缘及叶片扩压器中的堵塞程度相关。小流量侧自循环机匣通过抽吸叶轮叶顶附近低能流体,缓解堵塞,推迟失稳。但在大流量侧自循环机匣的喷射效应会增大扩压器进口攻角,加剧扩压器叶片流动分离,减小堵塞流量。抽吸效应与喷射效应强度均取决于抽吸槽的位置和宽度,压气机稳定性和堵塞流量与抽吸槽参数的变化基本呈负相关。自循环机匣对气动性能的影响包含两方面：在抽吸槽前,经回流槽流出的流体与主流的掺混及其产生的进口畸变将带来额外的效率和压比损失,适当减小回流槽角度可以降低该损失;在抽吸槽下游,得益于抽吸效应对叶顶流动状态的改善,压气机抽吸槽附近及下游高熵区减小,做功能力增强,气动损失大幅降低。在上述两方面共同影响下,压气机设计点气动性能最终得以提高。