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。     

液力透平动静叶栅内的流动特性

以径向导叶式离心泵反转作液力透平为研究对象,对全流道进行结构化六面体网格划分,运用大涡模拟(large eddy simulation,LES)模型进行三维非定常数值计算,分析了透平工况下动静叶栅内的压力分布、内部速度场、流道涡量分布、拟序涡流结构及演化过程。结果表明:所选的径向导叶式离心泵作透平时水力性能良好,动静叶栅交界面附近出现局部高压和局部高速流,非定常流动时动静叶栅内涡旋运动明显,流道内涡量主要分布在导叶工作面和叶片背面,伴随着叶轮旋转产生的涡在流道内会出现拉伸、合并和撕裂的演化形式。     

时序效应对导叶式离心泵内部压力脉动影响的数值分析

为了研究时序效应对导叶式离心泵内部非定常压力脉动的影响,基于雷诺时均(Reynolds averaged Navier-Stokes,RANS)方程,在0.6Qd、1.62Qd两个非设计工况下,应用SST k-ω湍流模型对导叶在一个栅距内的5个不同时序位置下泵内部流动进行三维非定常数值计算,得到导叶和蜗壳流道内压力脉度强度分布随不同导叶时序位置的变化规律,结果表明,导叶时序效应对叶轮与导叶的动静干涉引起的压力脉动强度影响较明显;在导叶靠近进口的吸力面区域和导叶喉部区域存在着较大的压力脉动强度;压力脉动强度沿着导叶流道向下游传播并逐渐减弱;导叶时序效应对蜗壳平面的压力脉动强度影响非常明显,压力脉动强度呈现不规律分布;当在小流量0.6Qd工况时,当导叶时序位置为C3时,导叶内压力脉动强度最大值为0.44,而当导叶时序位置为C2和C4时,压力脉动强度最大值分别为0.24和0.22;当在大流量1.62Qd工况时,当时序位置为C2时,压力脉动强度最大值为0.87,而当时序位置为C1和C4时,压力脉动强度最大值为分别为0.72和0.77;在非设计工况下,蜗壳内的压力脉动强度相对导叶的压力脉强度较弱。C4时序位置能减小余热排出泵运行中的压力脉动强度,从而提高泵的稳定性,为导叶的安装位置提供参考。     

诱导轮内流场数值计算及汽蚀特性分析

为得到诱导轮内部的速度场、压力场及湍流场的分布规律,在基于SIMPLEC算法上,采用了雷诺时均Navier-Stokes方程(简称N-S方程)控制方程和修正了的k-ε湍流模型,对两种结构参数的双叶片诱导轮进行了内部三维不可压湍流流动数值计算。计算结果表明诱导轮最容易发生汽蚀破坏的位置在进口外缘处,计算结果还表明增加诱导轮叶片轴向距离及导程有利于提高诱导轮的汽蚀特性。同时进行了不带诱导轮和带两种结构参数诱导轮的离心泵的外特性试验,试验结果表明离心泵在没有诱导轮的情况下较易发生汽蚀,而增加诱导轮能够明显改善离心泵的汽蚀性能,诱导轮的导程、叶片轴向长度、及其叶尖包角几何参数值等几何参数对汽蚀性能有较大影响。结合流场数值计算结果和试验研究结果,证实了通过增加轴向距离和导程等合理改变结构参数可提高诱导轮的汽蚀性能。     

多级泵内部流场的三维数值模拟及性能预测

利用CFD软件Fluent对多级导叶式清水离心泵的内部流场进行了数值模拟,得出了叶轮及导叶内部流道的速度和压力分布规律,并发现了叶轮进口回流,出口的二次流动特征等叶轮内部流动的细节,导叶出口区产生了一个低压区等流动特征。然后根据自编计算软件利用计算得到的速度场数据计算出泵的扬程、功率、效率和流量之间的关系曲线,并与试验数据进行了比较。结果表明:在设计工况附近,预测值与试验值吻合较好,在其它工况点,特别是小流量工况点,误差较大。     

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。     

不同叶片出口角下离心泵压力脉动及径向力分析

在试验结果和数值模拟吻合良好的基础上,开展叶片出口角对离心泵压力脉动以及径向力影响的研究。本文以两级矿用潜水离心泵为研究对象,建立4组不同叶片出口角叶轮模型,通过数值模拟获得离心泵外特性,叶轮、导叶、蜗壳的压力脉动分布及叶轮径向力特性,并进行对比分析。结果表明:离心泵内压力脉动呈周期性,当β2=16°和20°时叶轮出口压力脉动强度较大。随着叶片出口角增大,导叶和蜗壳内压力脉动均逐渐增强,且导叶内压力脉动强度大于蜗壳,不同叶片出口角下,导叶及蜗壳内脉动主频均为叶频。叶片出口角的改变也会对叶轮径向力矢量分布产生一定影响,随着β2增大,叶轮径向力逐渐增大,且首级叶轮轴向力大于次级叶轮,蜗壳比导叶有更好地改善叶轮轴向力的作用。     

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.     

氟塑料离心泵性能预测及实验对比分析

以氟塑料离心泵IHF150-125-250为研究对象,运用流场计算软件FLUENT,对2种不同叶片形式叶轮氟塑料离心泵分别进行内部流场的数值模拟,同时在多功能水泵试验台上进行实验测试,将得到的外特性模拟预测数据与实验数据分别对比分析。结果表明,数值模拟的方法可以较好地对泵性能起到预测作用,改进后的扭曲叶片叶轮的氟塑料离心泵的性能优于现有的直叶片叶轮氟塑料离心泵。     

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。     

导叶周向布置位置对核主泵压力脉动的影响

基于RNG k-ε湍流模型和滑移网格模型,对核主泵导叶在不同周向位置缩比模型的内部流动进行全三维非定常数值计算。研究导叶周向布置位置对叶轮出口、叶轮-导叶间隙处以及泵壳内压力脉动的影响规律,并分析导叶周向位置对导叶下游流动的影响,结果表明:导叶周向位置对模型泵内压力分布影响较大,在时域图中,导叶位置主要影响模型泵内压力脉动的波动幅度,导叶在α=0?时压力脉动的主波动幅度最小;在频域图中,导叶位置主要影响压力脉动能量幅值,导叶在α=0?时脉动能量幅值最小。叶轮出口的压力脉动能量幅值最大,泵壳内的能量幅值最小,压力脉动主要由动、静叶间的相互干涉引起。叶轮出口、叶轮-导叶间隙处的压力脉动频率主要受叶频影响,泵壳内的压力脉动频率仅与转频有关。导叶周向位置对导叶下游的内部流动影响较大,导叶在α=0?时截面B—B内的压力分布均匀、压力梯度小。合适的导叶周向位置可有效改善泵内的压力脉动分布,进而降低泵的振动。     

基于喉部参数控制的离心泵导叶扩散度研究

为研究导叶扩散段无量纲参数对离心泵水力性能的影响,通过控制导叶喉部参数设计出5种导叶扩散度方案,采用雷诺时均N-S方程和RNGκ-ε湍流模型对离心泵进行全流场计算,对比分析了不同扩散度方案对上游叶轮、导叶本身以及下游压水室水力性能的影响,并验证了数值分析的可靠性.研究表明:导叶扩散度对上游叶轮水力性能较大,叶轮效率随导...     

Entropy production analysis for hump characteristics of a pump turbine model

The hump characteristic is one of the main problems for the stable operation of pump turbines in pump mode.However,traditional methods cannot reflect directly the energy dissipation in the hump region.In this paper,3D simulations are carried out using the SST k-ω turbulence model in pump mode under different guide vane openings.The numerical results agree with the experimental data.The entropy production theory is introduced to determine the flow losses in the whole passage,based on the numerical simulation.The variation of entropy production under different guide vane openings is presented.The results show that entropy production appears to be a wave,with peaks under different guide vane openings,which correspond to wave troughs in the external characteristic curves.Entropy production mainly happens in the runner,guide vanes and stay vanes for a pump turbine in pump mode.Finally,entropy production rate distribution in the runner,guide vanes and stay vanes is analyzed for four points under the 18 mm guide vane opening in the hump region.The analysis indicates that the losses of the runner and guide vanes lead to hump characteristics.In addition,the losses mainly occur in the runner inlet near the band and on the suction surface of the blades.In the guide vanes and stay vanes,the losses come from pressure surface of the guide vanes and the wake effects of the vanes.A new insight-entropy production analysis is carried out in this paper in order to find the causes of hump characteristics in a pump turbine,and it could provide some basic theoretical guidance for the loss analysis of hydraulic machinery.     

离心泵偏置短叶片叶轮内部流动的粒子图像速度测量

对三副短叶片不同偏置的低比转数复合叶轮离心泵,应用粒子图像速度仪分别测试大流量、设计流量和小流量三种工况下长短叶片叶轮同一叶槽内的瞬时流场.分析叶槽内相对速度矢量、速度等值线的特征,揭示短叶片不同偏置时的速度分布规律.研究三副长短叶片复合叶轮出口处径向速度、切向速度、相对速度和相对液流角沿圆周的分布,测得与三副叶轮相对应的泵外特性曲线.测量结果表明,分流短叶片不同偏置对叶槽内流场的影响差异明显,当短叶片进口相对出口向压力面偏转时,叶轮出口相对速度分布很不均匀,短叶片工作面出口存在较大的低速区;与之相反,当短叶片进口相对出口向吸力面偏转时,叶轮出口速度分布较均匀,并且泵的扬程与流量曲线明显右移,大流量时,效率显著提高.     

基于数值模拟的新型轴向导叶性能分析

由于塑料具有成本低、轻巧、表面光洁等优点已获得广泛的工程应用。但传统扭曲空间导叶由于叶片几何边界复杂,很难通过注塑工艺进行生产,而应采用圆柱叶片。因此,本文通过125QJ20型塑料泵的研发,设计出新型轴向导叶。为分析该导叶的性能,结合自主开发的导叶设计软件DLSJ,根据参数设计出另一径向导叶模型,并将同一叶轮分别与两个导叶进行匹配。再通过Fluent软件,采用标准k-ε模型、SIMPLEC算法对这两组模型分别进行了全流场数值计算,并对导叶内部内流场进行对比分析,结果表明轴向导叶外特性明显优于径向导叶。通过流场分析,该新型轴向导叶能改善导叶内部流动,提高井泵水力性能。同时,新导叶具有注塑简单的特点,可有效降低成本,有着较好的市场前景。     

导叶与隔舌相对位置对离心泵内外特性的影响

为研究导叶相对隔舌不同位置对离心泵性能的影响,采用CFD计算方法对离心泵导叶与隔舌不同夹角进行数值计算。对导叶与隔舌夹角α从0⁴0°变化下离心泵外特性和内流场进行分析,结果表明导叶相对隔舌不同位置对泵内外特性有明显的影响。随着α增大,扬程和效率呈现出先升高后降低的趋势,20°附近达到扬程和效率的最大值;而在α增加的过程中,蜗壳各断面压力和速度的变化趋势不相同,叶轮各流道低速区及出口高速区受导叶影响而沿周向变化;在隔舌附近,α为040°变化下离心泵外特性和内流场进行分析,结果表明导叶相对隔舌不同位置对泵内外特性有明显的影响。随着α增大,扬程和效率呈现出先升高后降低的趋势,20°附近达到扬程和效率的最大值;而在α增加的过程中,蜗壳各断面压力和速度的变化趋势不相同,叶轮各流道低速区及出口高速区受导叶影响而沿周向变化;在隔舌附近,α为0⁴0°,导叶背面低速区减小并逐渐消失,而隔舌与导叶间低速区的变化规律与之相反。     

Computational study on the performance improvement of axial-flow pump by inlet guide vanes at part loads

In order to investigate the influence of adjustable inlet guide vanes on the hydraulic performance of axial-flow pump and impeller, the axial-flow pump with different inlet guide vane adjustable angles was simulated based on the RNG k-ε turbulent model and Reynolds time-averaged equations. The multivariate non-linear regression prediction model was established about the effect of adjustable inlet guide vane on the hydraulic performance of axial-flow pump based on the numerical simulation. The performance curves of axial-flow pump with different inlet guide vane adjustable angles were obtained by calculation, showing that the performance curve shifts towards larger flow volume in case the guide vanes are turned from positive to negative angle. With the increase of inlet guide vane positive angle, the optimum operating of pump is closer to smaller operating condition, but the hydraulic efficiency of pump is lower. The larger the flow is, the larger the decreasing amplitude of pump efficiency is. With the decreases of inlet guide vane negative angle, the higher hydraulic efficiency of pump increases first then decreases. The inlet guide vane angle affects the axial velocity distribution of the blade trailing edge.

     

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。     

大流量离心压缩机进气室优化设计

本文以某大流量离心式压缩机进气室为研究对象,使用CFD分析软件NUMECA计算进气室内的流场状态,认为叶轮进口处的流场均匀性较差是导致级效率下降的主要原因,并针对这一情况,在进气室环形收敛通道内加入薄型静止导叶,用于改善叶轮进口处的周向流场均匀性。计算结果表明:安装静止导叶后,压缩机级效率和级压比都有明显提高。     

带分流叶片的离心泵叶轮内三维不可压湍流场的数值模拟

对带分流叶片的离心泵叶轮内三维不可压湍流场进行数值模拟。计算采用雷诺时均方程和修正了的 湍流模型,在压强连接的隐式修正法(SIMPLE—C)建立的压力速度校正方程基础上,利用贴体坐标系和交错网格技术进行计算。计算结果揭示了带分流叶片离心泵叶轮内湍流流动的速度分布、压力分布规律,并对增加分流叶片后叶轮内部的流动状况进行了分析和研究,研究结果将对带分流叶片的离心泵进行性能预测和优化设计有指导 意义。