调速型液力偶合器制动工况流场分析

基于三维多相流动理论和计算流体动力学(CFD),对调速型液力偶合器制动工况下的非稳态两相流动进行数值模拟。结果表明:泵轮流道的压力分布较规律,沿径向成比例逐渐增大,而涡轮流道的内部流动则较复杂;涡轮吸力面出现了小范围的不规则流动现象;中间轴面的速度分布较复杂,涡轮速度小于泵轮速度;Interface中部的低速区出现降低偶合器效率的二次流。对调速型液力偶合器制动工况进行流场分析,揭示其泵轮和涡轮的流场流动规律和特性,有助于指导液力偶合器的设计,提高偶合器的性能。     

限矩型液力偶合器全充液工况的流固耦合研究

针对限矩型液力偶合器在正常工况下出现破损的问题,对偶合器的速度、压力以及矢量进行了分析,对偶合器叶轮的受力特性进行了研究。以D483限矩型液力偶合器为基础,分别建立了偶合器的周期性几何模型和流道模型;利用ANSYS Fluent对偶合器的制动工况、牵引工况及额定工况这3种典型工况下流体区域的速度和压力进行了仿真分析,并得到了不同转速比的涡轮转矩;利用ANSYS Workbench静力学分析软件,采用单向耦合的流固耦合方法将流体区域的计算数据传递给了叶片结构,并对泵轮和涡轮施加离心载荷,最后得到了3种工况下偶合器叶片的总体变形量和等效应力。研究结果表明:偶合器工作时工作腔内的旋涡、二次流以及回流等会消耗偶合器的能量,可为偶合器的结构优化以及提高其工作效率提供一种有效途径;通过流固耦合的方法得到了叶片的受力特性和变形情况,排除了偶合器因为工作液的正应力而破损的可能。     

诱导轮叶片参数对大流量离心泵汽蚀性能的影响

诱导轮作为离心泵的重要辅助部件之一,对水泵汽蚀性能的改善有重要作用。针对某大流量离心泵汽蚀性能不佳的问题,采用响应面分析和数值模拟的方式,对该离心泵的诱导轮叶片参数进行了优化,探究了诱导轮导程、叶片厚度和叶片数对大流量离心泵汽蚀性能的影响规律。首先,构建了大流量离心泵的仿真模型,对其进行了外特性计算,将计算结果与试验结果进行了对比,对仿真结果的可靠性进行了验证;然后,根据诱导轮扬程与泵汽蚀性能呈正相关的规律,以诱导轮的叶片参数(导程L、厚度T、叶片数Z)为变量因素,以诱导轮扬程最大为优化目标,对诱导轮进行了响应面计算分析,得到了响应面优化后的诱导轮叶片参数,并对比分析了优化前后诱导轮的扬程;最后,针对诱导轮优化前后的离心泵,在不同工况下进行了叶轮汽蚀情况和临界汽蚀余量对比分析。研究结果表明：叶片导程对诱导轮扬程的影响不大,而减小叶片厚度、增加叶片数可以大幅提高诱导轮扬程;额定工况下,经响应面优化后的诱导轮扬程提高了0.6 m,泵的临界汽蚀余量相比原型泵降低了0.15 m。该结果可以为大流量离心泵诱导轮的优化设计提供理论参考。     

漂浮取水泵内部流场的数值模拟及性能试验

为了研究漂浮取水泵内部流场分布规律,基于Pro/E建立了内部流场模型,利用FLUENT对内部流场进行了数值模拟,得到了压力、速度分布规律以及外特性曲线,并结合性能试验,对数值模拟进行了验证。结果表明:漂浮取水泵存在无过载的功率曲线及高效区较宽的效率曲线;叶片旋转中心受静压较边缘低;旋转叶片速度较大;在额定流量工况下,叶轮具有较均匀的速度和流场分布规律;性能试验验证了数值模拟的正确性。研究结果为掌握泵的内部流场分布规律、改善泵的水力特性、提高泵的效率提供一定参考。     

拉延筋对冲焊型液力变矩器内流特性影响规律研究

为抑制钣金冲压起皱和破裂现象,通常在冲焊型液力变矩器泵轮和涡轮叶片中部开设拉延筋。针对具有多种布筋形式的拉延筋叶片的不同流道结构分别进行流场数值模拟,获取流动参数在不同叶栅流道内的分布趋势,分析拉延筋布筋形式对液力变矩器原始特性和叶片结构表面压力载荷的影响规律。由分析比较计算结果可知,叶片开设拉延筋的凸模方向的变化对冲焊型液力变矩器的工作变矩比和效率影响较小,且在泵轮与涡轮叶片均开设拉延筋的情况下,当拉延筋凸模方向与对应叶轮叶片凸面法向一致时会导致泵轮转矩系数上升。当拉延筋凸模方向与泵轮叶片凸面法向一致时会导致泵轮叶片载荷上升,涡轮叶片载荷高幅值区域向叶片入口处移动,影响叶片表面油液载荷分布。     

诱导轮和离心泵叶轮内部空化流动数值分析

为了提高诱导轮离心泵的空化性能和运行稳定性,阐明诱导轮和离心泵叶轮几何参数对空化性能的影响规律,基于空泡可压缩性影响修正的RNG k-ε模型和改进的空化模型,对诱导轮和离心泵叶轮内部流场进行空化数值计算。数值结果表明:在小流量工况和额定工况下,空化性能曲线基本一致;在大流量工况下,空化特性曲线波动相对比较严重,空化性能较差。额定流量下泵蜗壳水力损失最小,小流量工况下蜗壳水力损失最大。临界汽蚀余量时,蜗壳水力损失突升。无空化条件下,随着前口环间隙值的增大,诱导轮扬程、效率和前口环间隙泄漏量增大,泵和叶轮的扬程、效率值降低,泵的空化特性曲线的稳定性变差,使诱导轮叶片出口液流角发生偏转,导致诱导轮和离心泵叶轮内部产生周期性的交变空化流。     

不同叶片数下管道泵内部流动及振动特性的数值与试验研究

为研究不同叶片数下管道泵内部的流动特性及振动特性,采用标准k-ε湍流模型和滑移网格技术,在CFX数值计算软件中,分别对6叶片和7叶片的管道泵内部全流场进行三维非定常数值模拟,计算得到不同流量下叶轮内部流动特性、蜗壳内部静压特性以及叶轮转矩波动特性。对比0.1qV工况下两种叶片数下的数值计算结果,发现6叶片下的“射流-尾迹”效应及静压变化梯度均大于7叶片,6叶片下的转矩波动强度大于7叶片;不同叶片数下,叶轮内部的相对速度变化规律、静压变化规律以及蜗舌附近低压区的发展变化规律与蜗舌和叶轮的相对位置有关。采用振动试验测量不同叶片数下管道泵的振动水平,分析振动试验结果和数值计算结果表明,在不同流量下,6叶片的振动水平高于7叶片,主要在于6叶片具有较强的压力脉动和不稳定流体力的作用;叶频及其倍频是管道泵产生振动的主要激励频率。因此,可以通过优化叶片设计参数(Z,β2,β1)来改善管道泵内部的不稳定流动状态,进而降低振动水平。     

串列式双级轴流泵性能的数值模拟

为了揭示串列泵的内部流动机理及其能量特性,采用两个具有试验结果的轴流式叶轮和一新设计的导叶串联组成了一串列式轴流泵模型。应用Pro-E对该串列泵进行三维实体造型,用数值模拟的方法计算泵内的流场。数值计算采用NUMECA商业软件。在不同的工况条件下获得前后叶轮内部的速度矢量分布。基于流场计算结果,预测包括扬程、效率和轴功率在内的串列泵性能。将数值计算的结果与原叶轮的试验结果进行对比并与首级叶轮比较,串列轴流泵次级叶轮压力面和吸力面的速度具有较大的差值。与一般的轴流泵比较,串列式轴流泵具有比较宽的高效区,最优工况点向大流量区域偏移,其轴功率不再像普通轴流泵那样随流量的增加而减小。为了分析前后叶轮的相互作用,预测不同的后叶轮叶片偏转角条件下的串列泵性能,结果表明后叶轮的叶片偏转角对串列泵性能有重大的影响。     

不同叶片包角对螺旋形单蜗壳离心泵叶轮径向力特性的影响

为研究叶片包角对螺旋形单蜗壳单级单吸离心泵叶轮径向力特性的影响,应用CFD软件对某模型泵内部流场进行了数值计算,在保证蜗壳和其他叶轮几何参数不变的前提下,设计了3种叶片包角分别为110°、120°、130°的叶轮,模拟得到不同工况下叶轮所受径向力分布特性,并用外特性试验验证了数值模拟的可靠性。结果表明:设计工况下,作用在叶轮上的径向力最小,0.4 Q下的径向力最大,且脉动幅值最大;叶片包角对叶轮所受径向力影响较大,以在额定工况下运行为例,叶片包角取130°时,径向力脉动最为紊乱,叶片包角取110°时,径向力脉动幅值较大;整体来看,叶片包角120°的方案性能最优。该研究可为低振动离心泵的水力优化设计、增强泵的运行稳定性提供参考。     

液力偶合器气液界面追踪数值模拟

部分充液下液力偶合器内部介质运动为离心力场作用下的复杂两相流动,而液相分布形态对涡轮输出特性有着直接影响。为掌握偶合器内液相分布规律,将工作腔内介质运动视为分层流动,采用流体体积法(Volume of fluid,VOF)两相流模型,追踪562型标准桃形腔偶合器内不同工况下的气—液分界面。建立三维周期性流道模型,采用Realizable k-ε湍流模型和压力隐式算子分裂(Pressure-implicit with splitting of operators,PISO)压力耦合算法,并用内部面模拟泵、涡轮间的交互作用,转速比i=1.0和i=0.6时的叶片表面液相分布与文献中试验结果具有高度相似性。仿真结果表明,随泵涡轮间转差增大,气液分界面倾斜加剧,直至形成大的环流,而泵轮叶片压力面液相分布区域增大,吸力面液相减小;低挡圈(R=155 mm)对环流形态影响较小,主要起到限矩作用,而高挡圈(R=175 mm)可抑制大环流的产生。     

叶片仿鲨鱼鳍的导叶式离心泵数值仿真研究

针对导叶式离心泵内部流场流动不稳定的问题,运用仿生学技术和原理对鲨鱼鳍结构做了适当抽象处理,并运用在导叶式离心泵叶轮叶片前缘位置。对叶片仿鲨鱼鳍的导叶式离心泵内部流场进行了数值计算,研究了3个典型工况下离心泵内部流场的流动特性,得到了叶轮和导叶径向力的变化特性,进而分析了离心泵内部流场的湍动能分布规律,并进行了试验验证。研究结果表明:相比原模型,叶片仿鲨鱼鳍的导叶式离心泵改善了泵内流动特性,减小了泵内的湍动能分布;同时降低了叶轮和导叶的径向力,减弱了叶轮与导叶的动静干涉作用;仿鲨鱼鳍叶片减轻了导叶式离心泵内部流动的不稳定,明显提高了泵的扬程和效率等外特性参数。     

阀控充液式液力偶合器瞬态充液流场及转矩特性预测

阀控充液式液力偶合器常被安装布置于刮板输送机的电机与减速器之间,利用其充液调速特性,实现刮板输送机的软启动。为了预测阀控充液式液力偶合器瞬态充液过程的流场及转矩特性,以循环圆直径为 500 mm的偶合器为分析模型,应用仿真软件CFX(Computational Fluid Dynamics X),采用非均一化两相流模型与SST(Shear Stress Transport)湍流模型,对充液过程的瞬态特性进行了数值模拟研究,获取了不同工况下的压力场、速度场及转矩值,根据压力、速度分布及变化规律分析了不同工况下泵轮转矩变化趋势,并得到了不同充液率下泵轮转矩系数的拟合公式。结果表明,整体上转矩随着充液率的增大而呈抛物线形式递增,随着速比的增大而减小,并由于环流状态的改变,出现转矩下降速率跌落现象。分析结果预测了阀控充液式液力偶合器的流场及转矩特性,为液力偶合器的使用与设计提供了合理的参考。     

离心油泵的CFD数值模拟

利用数值流体动力学CFD(computational fluid dynamics)商业软件Fluent对高速离心油泵叶轮内部的定常三维湍流进行了全流道数值模拟,以研究其内部流动规律。数值计算基于Reynolds时均N-S方程,采用了标准k-ε湍流模型和SIMPLEC算法。由于计算域由转动的叶轮和固定的蜗壳组成,使用了多重参考坐标系(MRF)把旋转区域和静止区域分开。计算得到了叶片吸力面和压力面等值线图、叶轮全流道截面(z=0)压力分布云图、叶轮全流道截面(z=0)相对速度矢量图;并对叶轮小流量工况和大流量工况进行计算。根据计算的数据对泵的外特性进行预估,给出了泵的扬程流量特性曲线、功率流量特性曲线。计算结果有助于深入了解叶轮的内部流动机理,指导叶轮的水力设计。     

高温熔盐泵中分流叶片对结构动力特性的影响

为研究分流叶片对高温熔盐泵结构动力特性的影响规律,以IS50-32-160型低比转数高温熔盐泵为研究对象。对有/无分流叶片方案不同工作温度、不同工况下的泵转子进行基于ANSYS Workbench的数值计算,分析了泵内部的应力、变形和模态分布规律。研究结果表明:添加分流叶片后,叶轮的等效应力明显减小,说明分流叶片能够有效提高叶轮的承载能力;分流叶片使得转子的变形情况也得到一定的改善,从而降低了叶轮变形对内部流场的影响,且叶轮内的变形分布变得更均匀,从而可减轻泵转子的振动;同时,不同工作温度对泵转子的固有频率及各阶振型影响均不大。     

基于浸入实体法的双涡轮液力变矩器流场仿真

以双涡轮液力变矩器为研究对象,建立变矩器内流道流体域及叶片浸入实体域三维计算模型,采用浸入实体法模拟液力变矩器叶轮内流道油液运动状态,分析了液力变矩器油液压力及速度分布情况。基于变矩器三维流场分析结果计算其外特性,并与试验结果进行比较。结果表明:双涡轮液力变矩器泵轮及涡轮流道内均存在涡流和脱流,一级涡轮出口处出现射流现象;仿真结果与试验所得双涡轮液力变矩器外特性曲线吻合良好,为液力变矩器流场仿真分析提供计算思路。     

叶片空间型面造型对离心泵性能的影响研究

为了研究叶片空间型面造型对离心泵外特性、内部流场的影响,以一台普通离心泵为研究模型,利用Cfturbo软件设计了两种相同设计参数,不同叶片型面造型的叶轮模型,采用标准k-ε湍流模型对两种模型叶轮离心泵内部流场进行单相定常数值模拟,并采用RNGk-ε湍流模型对两种叶轮模型离心泵空化性能进行数值模拟,得到内部流场特征、水力性能。并通过离心泵性能试验对数值模拟结果进行验证。研究结果表明:设计工况下,自由曲面叶片叶轮离心泵的扬程比倾斜直纹面叶片叶轮离心泵高0.45 m,NPSHR相同;通过优化倾斜直纹面叶片叶轮完全可以代替自由曲面叶片叶轮,降低企业的生产成本。     

超低比转速复合式离心泵内部流动特性分析

为研究超低比转速复合式离心泵内部流动特性,以一台比转速为16、半开式复合叶轮离心泵为研究对象,应用ANSYS-Fluent19R1软件对模型泵进行三维全流场数值模拟计算,得出泵内部流场及作用在叶轮、蜗壳上的径向力分布规律。结果表明:在不同流量工况下,随着流量的增加,在隔舌附近出现较大的压力梯度;在长叶片与短叶片相间隔流道内低速区面积较大、叶轮出口处分布较多的旋涡;当流量从0.2倍增加至1.8倍额定流量时,作用在蜗壳上的径向力幅值逐渐减小,作用在叶轮上的径向力幅值先减小后增加,在1.0倍额定流量时径向力幅值达到最小,而后增大。为超低比转速复合式离心泵的设计优化提供参考。     

基于三维紊流数值计算的离心泵叶轮优化设计

应用标准k-ε紊流模型加壁面函数法对离心水泵叶轮内部的三维紊流流动进行了雷诺平均N-S方程的数值计算与分析。分析了离心泵叶轮叶型对流速分布、压力分布和泵性能的影响,研究了离心泵叶轮通道内流动规律,提出了三维紊流数值分析基础上的离心泵叶轮优化设计方法。实例表明用三维紊流数值模拟方法研究叶轮内部流场是改进和优化叶轮设计的一个重要手段。     

调速型液力偶合器两相环流特性预测

随着机械设备不断向重载、大功率方向发展,对于传动装置的性能也有了更高的要求,调速型液力偶合器作为一种重要的传动设备广泛应用于刮板输送机及其他重型机械的软启动中。为了准确预测矿用调速型液力偶合器的流场分布特性及转矩传递特性,应用计算流体动力学软件CFX,利用混合出入口及边界循环条件,在部分充液工况下利用了非均一化两相流动模型,针对某型矿用调速型液力偶合器进行了单流道流场数值模拟。对10%至100%流道充液率及对应不同充液率下0至0.99速比时的内流场进行了CFD数值模拟分析,获取了不同工况下气-液两相环流特性及转矩传递特性曲线,结合流场分布特性分析了输出转矩的趋势变化特点。分析结果合理的预测了调速型液力偶合器的转矩传递特性,流场环流特性的预测解释了流场转矩变化的原因,为调速型液力偶合器的选型与设计提供了可靠的理论依据。     

限矩型液力偶合器内部两相流动数值模拟

限矩型液力偶合器内部存在着复杂的气液两相流动,为掌握限矩型液力偶合器内部流场分布及转矩特性变化,分别采用VOF(Volume of fluid)与Mixture两相流模型对偶合器内部流场进行模拟计算,并对其转矩特性进行监测。通过VOF模型获得的偶合器内部气液两相分布情况和通过Mixture模型得到的其内部压力速度分布图能够较好地反映偶合器内部流场变化情况。仿真结果表明：VOF模型能够较好地模拟出偶合器因流态转变而造成的转矩跌落情况,Mixture模型不能模拟出该效果,但在高、低转速比工况下模拟的转矩值仍具有一定参考意义。