非结构网格离心泵全流场数值模拟研究

相对于传统的理论和实验方法,采用数值模拟的方法能够更快捷地获得离心泵的内部流场分布。研究了离心泵全流场数值求解的方法,构建了离心泵的几何模型并划分非结构网格,采用了CFX软件,通过求解雷诺平均N-S方程,对离心泵流场进行了数值模拟,计算得到了离心泵在不同工况下的扬程和效率。将计算值与实验值进行了对比,在设计工况点Q的条件下,扬程相对误差为2.8%,效率值相对误差为1.8%。因此,针对离心泵建立的基于非结构网格的离心泵全流场数值求解方法是可靠的,能够快速准确的对离心泵进行性能预测与分析。     

开式叶轮离心泵性能的CFD模拟方法

现有针对离心泵性能的数值模拟研究中,由于计算时未准确考虑泵内间隙和平衡孔的影响,一些低比转速的开式叶轮离心泵的性能预测结果出现较大的误差,因此很有必要建立合理的计算方法来提高性能预测精度。以一台低比转速的开式叶轮离心泵为研究对象,对其内部流动进行三维数值模拟,探讨建模、数值方法和湍流模式对预测结果的影响。通过模型泵试验台上的性能测试,得到泵的流量、扬程、功率和效率等性能参数。通过对比数值模拟与试验结果,验证数值模拟的可靠性,并分析后盖板切除区域、间隙和平衡孔对流动结构和性能的影响。分析结果显示,改进模型能很好地预测开式叶轮的性能,在计算模型中忽略后盖板切除区域能提高计算精度:采用滑移面方法能够提高网格质量,但也增大了非设计工况下的计算误差:对于开式叶轮离心泵的模拟,Realizableκ-ε模型相比κ-ε,RNGκ-ε和Spalart-Allmars等模型具有更高的计算精度和稳定性。所提建模和计算方法可提高低比转速离心泵的性能预测精度,尤其适合于开式叶轮离心泵的流场模拟。     

离心泵全流场网格的建立与分析

为了分析全流场网格对离心泵性能预测的适用性,本文从计算域拓扑生成和动静交界面处理等方面研究了全流场网格划分方法与离心泵数值预测精度的关系,重点分析了叶轮流道不同网格划分方法的优劣及原因。同时,采用SSTk-ω湍流模型获得了两种不同交界面处理方法下离心泵外特性的变化趋势。通过与实验结果对比,发现两种不同网格划分方法所得计算的结果,其相对偏差均在3%以内,且动静交界面的处理影响数值计算结果。两种方法获得的叶轮进口和流道中部的速度分布基本一致,而叶轮出口及蜗壳内流场存在明显差异,直接沿叶轮出口设置动静交界面干扰了蜗壳内部真实的流动状态,所以在实际数值计算中不推荐采用。本研究可为离心泵的数值计算提供参考。     

高速深井离心泵内部流场数值模拟与试验研究

通过对100QJ 3.2型高速深井离心泵在不同网格数、不同湍流模型、不同模拟级数条件下进行三维定常数值模拟,分析了不同条件对其性能的影响,从而选出合适的数值模拟设置方法。将性能预测结果与样机试验结果对比,验证利用CFX软件预测高速深井离心泵性能的可行性。结果表明:采用叶轮网格数为40万、Standard k-ε湍流模型、两级全流场模型对高速深井离心泵进行全流场三维定常数值模拟最为合适。     

核安全三级离心泵数值模拟与试验验证

基于三维雷诺时均N-S方程和应用标准k-ε湍流计算模型,采用三维四面体网格及隐式修正SIMPIE算法,对核安全三级离心泵HB450-570内部流场进行了数值模拟,并分析了离心泵内部流动情况和规律.将该离心泵性能预测值与试验值进行了比较,结果表明基于CFD的数值模拟可以实现对离心泵的性能预测,在产品设计及工程应用中有广阔前景.     

非定常大涡模拟下混流泵叶轮的轴向力研究

为研究导叶式混流泵的轴向力,建立了导叶式混流泵内全三维流道模型,基于非定常大涡模拟亚格子尺度模型与滑移网格技术,对不同工况下的混流泵进行了数值模拟和性能预测,并将非定常方法计算值、定常方法计算值、经验公式估计值与试验值进行比较分析。结果表明:非定常方法计算得到的叶轮轴向力变化规律与试验和经验公式计算得到的轴向力变化规律更接近;在设计工况附近,定常和非定常方法计算得到的混流泵叶轮轴向力的数值与试验值的相对误差均约为10%;在小流量及大流量工况下,定常方法的计算值与试验值的相对误差约为30%,非定常方法的计算值与试验值的相对误差在10%之内。因此,非定常模拟方法可以更准确地预测混流泵的轴向力。     

离心泵内流场空化特性的数值模拟研究

针对离心泵内流场特性分析困难的问题,对离心泵流场数值模拟的几何模型建立、模型网格划分和边界条件设定进行了研究,采用计算流体力学方法,获取了在敞水性能条件下离心泵的扬程-流量、效率-流量的变化关系;结合Zwart空化模型,重点对不同有效汽蚀余量时离心泵的空化流场进行了数值模拟,得到了离心泵的内部流线和空泡分布的情况,并与该离心泵机组进行了性能测试实验,最后在此基础之上进行了对比分析。研究结果表明,所采用的数值模拟方法和空化模型合理有效,此结果可为进一步开展离心泵空化监测技术研究提供借鉴。     

无油润滑高速离心泵的变转速性能研究

转速调节是调整泵工况的重要手段,为了揭示变转速对高速离心泵的水力性能影响,本文以一台采用无油动压液体轴承支撑的高速离心泵为研究对象,采用试验方法与数值模拟,进行了不同转速下相似工况下的水力性能研究。论文通过所搭建闭式实验台上的水力测试得到了不同转速下的水力性能曲线,验证了该泵在变转速下良好的水力性能,最高效率可达35.52%。并结合ANSYS CFX软件对该泵水力部件进行了数值模拟研究,与试验结果的对比表明数值模拟能够有效对该泵的水力部件性能进行预测。论文还对该泵水力部件以设计工况为基准的不同转速下的比例相似工况进行了研究。     

离心泵径向力的数值模拟与实验研究

在泵装置设计中,径向力的大小一直是人们所关心的问题。基于Fluent流体商用软件对一种离心泵的内流场进行数值模拟。比较径向力数值模拟结果与实验值,发现最大误差为8.1%,误差在设计流量工况下最小,测量精度最高,并且各流量工况下平均误差为4.34%,证明数值模拟预测离心泵的径向力是可行的。将离心泵数值模拟与实验的流量扬程曲线进行对比,趋势比较一致,误差不超过8.3%。在此基础上根据提出的径向力计算模型计算出泵在各流量工况下径向力的大小和方向。针对离心泵内部结构特征研制了一种径向力测量装置,开展径向力测量试验,得到了各工况下径向力的大小。     

离心泵径向力的数值分析

利用CFD软件,用数值模拟分析了离心泵的内部流动。对比试验与数值计算外特性曲线,趋势一致,说明本文应用数值计算结果建立的离心泵径向力计算模型具有一定的准确性。通过叶轮出口不同截面的静压分布图,探讨叶轮出口各截面的静压分布规律。利用离心泵径向力的数学计算模型,得出各个工况下叶轮所受的径向力。其值与经验公式计算值进行比较,变化趋势一致,进而用现代数值模拟的方法验证了用经验公式计算径向力的准确性。     

低比转速离心泵大包角叶轮的优化设计

为了研究在大包角下低比转速离心泵叶轮的水力性能,本文采用CFD数值模拟并结合试验对大包角下的低比转速离心泵叶轮进行优化设计。在叶轮其他参数相同的条件下,对包角300°的9种方案分别进行数值计算,对试验结果采用极差分析,得到了300°大包角下叶轮的最优参数组合,并对比了该参数组合下泵数值模拟结果与试验结果。研究结果表明:数值模拟预测的泵外特性与试验结果基本符合,验证了数值模拟结果的准确性。研究结果为低比转速离心泵大包角叶轮的设计提供了一定的理论参考。     

基于两工况优化离心泵

基于离心泵基本理论，提出一种基于两个工况点的针对离心泵的优化方法，使离心泵在保证设计工况点扬程以及效率不受影响的情况下，优化另一工况点的扬程与效率。利用离心泵的基本原理，理论扬程-流量计算公式和扬程-流量计算公式，针对计算离心泵的两个几何参数：离心泵进口直径D1以及出口处叶片与盖板的夹角λ2,推导得到基于两个工况点的计算式。又采用m91-50型离心泵进行两工况优化设计方法验证，根据推导得到的两项离心泵几何参数计算式计算得到的离心泵进口直径和出口处叶片与盖板的夹角，建立新叶轮与原蜗壳并且建立三维模型。利用ICEM软件进行网格划分，CFX进行数值模拟，得到该离心泵在两工况点下的数值模拟结果。根据得到的仿真模拟结果，经过优化的叶轮在两工况点的扬程误差在4.7%和3.7%,误差均在5%之间，证明了该优化方法的可行性。     

离心泵叶轮区瞬态流动及压力脉动特性

目前离心泵过流部件的瞬态流动分析主要集中在蜗壳内,对旋转叶轮区内的流动特性研究较少。基于RNG k-ε湍流模型和滑移网格,对不同工况下离心泵内部瞬态流场进行数值模拟,计算得到的离心泵扬程和效率曲线与试验结果吻合较好。在离心泵叶片正背面分别设置3个监测点,分析叶轮区压力脉动特性。结果表明,设计工况下叶片正背面压力脉动的主频为叶轮转频或2倍叶轮转频,非设计工况下其主频均为叶轮转频。从叶轮进口到出口,叶片正背面的压力脉动最大幅值都逐渐增大。同一监测点上压力脉动最大幅值在小流量时最大,约为设计工况下5倍。分析小流量工况下叶轮内部相对速度分布,叶轮出口处附近随时间变化的旋涡是内部流动不均匀的主要原因,使得离心泵在该工况下运行效率低、压力脉动强度大。     

小流量工况下低比转速离心泵内部流场的数值分析

针对小流量工况下低比转速离心泵内部流动特性问题,通过运用计算流体力学软件FLUENT,并采用RNG k-ε湍流模型和SIMPLE算法,对离心泵内部流场进行了数值模拟。采用3种不同网格数对离心泵模型进行了网格无关性分析以验证提高数值计算的准确性。沿进水管道至其进口端设置了监测点,分析了周向速度和轴向速度,得出了不同工况下发生回流的位置,分析比较了4种流量工况下离心泵内部的流场分布。结果表明:0.7Qd工况下,进水管道和叶轮流道中的流线均比较平滑,离心泵内部流动比较稳定。0.6Qd工况下,叶轮进口和叶轮流道开始产生了漩涡。随着流量的进一步降低,叶轮进口回流强度增大,叶轮流道中的漩涡逐渐向其相邻流道中扩展,离心泵内部的流态十分紊乱。     

基于CFD的离心泵内部流场分析

建立离心泵模型并对其进行网格划分,采用CFD方法对离心泵模型进行了定常流动数值模拟分析和非定常流动数值模拟分析,在定常流动数值模拟分析中得到扬程-流量曲线、效率-流量曲线、中间截面压力分布图和速度分布图,从中间截面压力分布图中得到叶片设计的启示;在非定常流动数值模拟分析中得到不同工况下蜗壳外圈和内圈监测点压力脉动均值和峰值表,通过分析表中数据,得出蜗壳外圈和内圈的压力分布情况。     

油田用离心泵汽蚀性能的数值分析与试验

为了准确预测油田用离心泵的汽蚀性能,本文使用计算流体力学软件Fluent中的Mixture多相流模型与汽蚀模型相结合对离心泵内的汽蚀现象进行数值模拟,并通过油田用离心泵汽蚀性能试验对数值计算结果进行验证。在验证模拟结果可行的基础上,对离心泵结构及工作参数对其汽蚀性能的影响进行了数值分析,结果表明:叶轮采用6叶片较4和8叶片汽蚀性能更优;叶轮转速越小,离心泵抗汽蚀性能越好;离心泵进口流量越大,抗汽蚀性能越差。     

湍流模型在离心泵偏工况性能预测中的适用性分析

选取5个不同比转数的优秀离心泵水力模型作为研究对象,使用Fluent软件中的5种两方程湍流模型进行离心泵非设计工况下的数值计算,并将计算结果与试验值进行对比分析.研究表明:在低比转数和高比转数离心泵的非设计工况中,SST k-ω型能够得到比较小的误差,最小误差不超过1％;对于中比转数离心泵,小流量工况下,RNG k-ε模型的计算结果最接近实验值,大流量工况下,SST k-ω模型的误差最理想,其最小值为0.2％,最大值不超过4％;5种湍流模型所计算的涡量大小分布规律比较类似,但是湍流强度分布有明显区别,RNG k-ε模型在蜗壳扩散段处的湍流强度特征不是十分明显.通过分析,建议在离心泵非设计工况的数值模拟中采用SST k-ω模型.     

带有前置导叶离心泵空化性能的试验及数值模拟

为分析前置导叶对离心泵空化性能的影响,在不同流量下开展带有前置导叶离心泵的空化性能试验,得到无导叶、导叶预旋角(12(时的离心泵空化性能曲线.空化性能试验结果表明,离心泵的临界空化余量随流量的增大近似线性增大.基于均相流假设的完全空化模型,考虑空化流可压缩性的影响修正RNG κ-ε湍流模型,采用SMPLEC算法,数值求解雷诺平均的Navier-Stokes方程,模拟离心泵安装前置导叶前后不同工况下的全流道空化流动.计算得到的H-LBOSGa曲线与试验数据吻合较好,验证计算方法的准确性.基于数值模拟结果,分析不同工况下叶轮内部空泡体积率的分布规律,发现前置导叶预旋调节对离心泵叶轮空化性能的影响较小,并能有效改善叶轮进口流态,使压力分布更均匀.     

动力机械非稳态过程的计算方法探索

动力机械在非稳定工况下的参数变化异常剧烈,因此该情形下的计算方法有别于在常规稳定工况下的计算方法。文中以一台低比转速离心泵为例,基于滑移网格技术和用户自定义函数功能,在假定已知流量变化关系的前提下,对该模型泵的启动过程进行了尝试性计算。数值试验表明这种方法是完全可行的。该方法对于预测动力机械在非稳定工况下的性能具有指导意义。     

偏离工况下离心泵的压力脉动和振动分析

为分析偏离工况下离心泵压力脉动和振动情况,本文采用大涡模拟和滑移网格技术研究一离心泵在偏离工况下叶轮内部和叶轮与蜗壳动静干涉位置的压力脉动,并对其进行了频域分析。分析结果表明:离心泵内部流动产生的压力脉动主频多数情况下是其通过频率。在不同运行工况下,叶轮出口处的压力脉动幅值均最大,大流量偏离工况下离心泵内部各部分压力脉动特性与设计工况基本相同,只是脉动幅值略有增大;小流量偏离工况下,离心泵叶轮出口(叶轮和蜗壳动静干涉区域)压力脉动幅值有所增大,脉动主频不再是通过频率,而且其频谱宽度明显增大;当离心泵运行工况小于0.6Q时,压力脉动明显比设计工况剧烈。