余热排出泵内部不稳定流动数值模拟与实验研究

为了研究余热排出泵在多工况下内部流动特性,基于ANSYS CFX软件,采用SST湍流模型,对模型泵进行三维非定常数值模拟,获得了不同工况下余热排出泵的水力性能、内部流场结构和压力脉动特性,同时展开压力脉动实验研究,并与计算结果进行对比。研究结果表明:大流量(1.2Q_d)和设计流量(1.0Q_d)工况下,叶轮和导叶内部流动比较稳定,随着流量的减小叶片进口背面附近开始形成失速旋涡,流道内均发生不同程度的流动分离,且沿着流道向出口处发展;叶轮出口压力脉动主频为7f_z,受导叶叶片数影响;导叶和蜗壳出口的主频均为5f_z,主要由叶频决定;设计流量下各监测点处压力脉动系数幅值最小,越往小流量工况,幅值越大;说明在小流量工况下余热排出泵内部出现了不稳定流动现象。     

气液两相入流条件下离心泵内部流动诱导特性实验研究

搭建了泵送气液两相流实验台,以比转速n_s=132.2的离心泵为模型进行气液两相入流条件下的流动诱导特性研究,获得了在不同进口含气率下的外特性和压力脉动、振动信号的频谱和概率密度图。研究结果表明:气液两相入流条件下,离心泵在小流量工况时的性能对气体更加敏感;模型泵在入流含气率超过8%以后,性能急剧下降且可测试的工况范围变窄并比较紊乱,能达到的最大入流含气率为10%;气液两相入流条件下,泵出口压力脉动主频仍为叶频,叶频处幅值随着进口含气率的增大而增大,含气率越大低频区的宽频特性越明显;压力脉动信号和振动信号均服从正态分布,随着进口含气率的不断增大,压力脉动的概率密度函数(PDF)幅值逐渐减小而压力幅值跨度逐渐变宽,振动的PDF幅值呈先增大,然后减小,在进口含气率为5%时达到最小(仍大于纯水工况),然后再增大的趋势,两者均可作为流态监测的重要依据。     

含气率对AP1000核主泵影响的非定常分析

为研究含气率对核主泵内部各点压力影响规律及不同泵进口含气率时气体在核主泵内的分布情况,在对核主泵进行水力设计与三维建模基础上,采用CFD技术对核主泵失水事故气液两相流工况进行瞬态数值模拟。通过模拟不同泵进口含气率时核主泵内部流动的瞬态特性,研究泵进口含气率对泵内各点压力的影响规律及气体分布。结果表明,泵进口含气率增大泵内各点压力随之降低;含气率小于0.1时其对监测点压力脉动主频振幅影响不大,且泵内气体聚集现象不明显;含气率大于0.2后监测点压力脉动主频振幅稍有下降,且泵内开始出现明显的气体聚集现象。     

基于Lighthill声类比理论的喷水推进泵不稳定流动诱导噪声的数值研究

喷水推进泵内部不稳定漩涡流态对舰船推进系统的稳定性和噪声具有重要的影响,为了研究多工况下的流动特性及流致噪声机理,采用了计算流体力学(CFD)与计算声学(CA)耦合数值模拟的方法,针对喷水推进泵的不同的运行工况进行了精细化非定常数值模拟,并与实验结果进行了验证。基于非定常数值模拟结果,将叶轮表面旋转偶极子与导叶表面固定偶极子的CGNS数据作为声源,采用BEM法开展了一系列的内声场及外声场声振耦合计算。研究结果表明:喷水推进泵压力脉动的幅值从叶轮进口处到导叶出口处逐渐减小;在额定工况下,喷水推进泵内部的压力脉动系数的最大值都出现在一阶叶频附近,叶片通过率是幅值的主要影响因素;随着流量工况减小,一些监测点在低频范围内的压力脉动超过一阶叶频处的值,成为主频;随着流量减小,喷水推进泵内部压力脉动幅值明显增大,内声场的声功率级随之上升,外声场声振耦合的声压级也随之增大,且呈现出明显的偶极子特性,本文的研究结果为舰船喷水推进泵的低振低噪设计和运行提供了理论基础。     

侧壁式压水室离心泵小流量非稳态旋转失速特性

用数值计算方法研究具有特殊结构的侧壁式压水室离心泵,分析小流量工况时模型泵的非稳态旋转失速特性,用快速傅里叶变换(FFT)获得压力脉动信号的频谱特征。结果表明,小流量工况时模型泵的扬程曲线呈驼峰状,压水室不同位置处压力分布不均;受叶轮旋转产生的非稳态作用影响,叶轮不同叶片流道内流动结构差异较大。不同流量下,叶轮内部分离涡结构诱发的激励频率各异,0.4ФN工况时模型泵压力脉动频谱图出现0.5fR及高次谐波频率,压力脉动最大幅值出现于4fR频率处;0.2ФN流量时非定常流动结构会诱发0.18fR及高次谐波频率;0.05ФN流量时压力脉动频谱图同时出现0.1fR、0.28fR两种激励频率。旋转失速现象出现时,频谱图中叶频处压力脉动幅值不再起主导作用。     

核主泵小流量工况压力脉动特性

为研究小流量工况下核主泵内部压力脉动的变化规律,基于雷诺时均N-S方程和标准k-ε两方程及SIMPLEC算法,应用CFX软件对核主泵小流量工况进行定常和非定常数值计算,得到泵内部流场和各工况监测点的压力脉动,并将时域信号进行快速傅里叶变换为频域信号。结果表明:核主泵内压力脉动明显,叶频在由压力脉动诱发的振动中起主导作用,主要表现为叶轮和导叶间的动静干涉。叶轮导叶流道内的回流造成了小流量工况叶轮和导叶流道及其周向的不稳定压力脉动,回流主要存在于叶轮和导叶进出口位置,因此该区域的压力波动剧烈且周期性差。核主泵的振动,不利于核电站的安全稳定运行,通过对小流量工况的压力脉动分析,对预测核主泵在极端工况下的动态特性和推进核主泵国产化具有十分重要的意义。     

蜗壳不同心度对核主泵瞬态水动力特性研究

为研究核主泵在不同工况下运行的瞬态特性,基于RNG k-ε模型采用CFX三维非定常数值模拟方法分析其在4种不同同心度下压力脉动变化规律。结果表明,改变偏心距并未改变叶轮主频,随偏心距增加叶轮内压力脉动幅值先减小后增大。各偏心距在不同工况下压力呈相似规律变化,且波动次数等于导叶数目,即叶轮内流动状态受导叶影响较大。小流量工况下脉动幅值随偏心距增加波峰出现位置逐渐向下一时刻推移,且不同偏心距下压力脉动幅值差别较大;设计工况下叶轮流道内压力脉动幅值波动明显小于小流量工况,出口压力脉动幅值远大于进口。大流量工况时叶轮内各监测点压力脉动幅值在各偏心距下从叶轮进口到出口均呈不稳定波动,波动幅值远大于设计工况。偏心距为10~15 mm时核主泵运行压力脉动最小。     

含气率变化对不同型式混输泵的振动特性影响研究EI北大核心CSCD

研究含气率变化对混输泵关键部位振动特性的影响规律对混输泵运行稳定性提升有重要意义。在不同含气率工况下对叶轮型式不同的两种多级气液混输泵PR泵和PH泵开展了关键部位的振动测量。统计了振动信号的时频特性。构建了(均方根,峭度)二维特征量作为指标开展振动信号的特征分析。结果表明:相对含气率由0%增加到100%时,两种混输泵的轴承箱体及泵进口处振动均出现了增强,其中,振动烈度最大的部位为轴承箱体,且PH泵的轴承箱体最大振动烈度高于PR泵;含气率的增加使PR泵轴承箱体的振动能量更加明显的向泵进口处位置传播;在轴承箱振动信号的(均方根,峭度)二维特征值图上,通过零峭度线可以清晰区分PR泵和PH泵。此外,PR泵所有测点处振动信号的峭度值均高于PH泵,表明在当前试验条件下,PR泵存在故障的可能性高于PH泵。     

双吸式液环泵内流场及壳体压力脉动分析

为分析大流量液环泵内流场与外特性,文章对双吸式液环泵内部流动进行数值模拟,对轴向不同位置的内流场和壳体压力脉动特性进行研究。结果表明：轮毂直径的变化主要影响气相的分布,过渡区气相面积随着轮毂直径的减小逐渐增加。叶轮流道内速度流线曲率变化剧烈,吸排气口附近流速较高,二次流旋涡主要集中在压缩区和过渡区,在轴向上中间截面过渡区内旋涡更加明显。壳体内壁压力脉动幅值在圆周角50°和300°附近出现极大值,压力脉动幅值极差随着轮毂直径的减小而降低,各特征截面压力脉动幅值极差分别为4.9 kPa、4.8 kPa、4.7 kPa。轴向不同位置相同角度处压力系数的主频特征基本相同,压缩区壳体内壁压力脉动一阶主频为轴频,其他区域的主频为叶频。从吸气区至排气区,叶频对应的压力脉动幅值逐渐减小,在压缩区达到最小值后呈增加趋势。     

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。     

Druckschwingungen in Seitenkanalpumpen

By the turbulent vortex forced by the impeller, strong high-frequency pressure oscillations occur in the side channel. These pressure oscillations result from the temporal modification of the vortex structure and the specific impulse flow transportation in the side channel. They are visible due to the high-frequency character neither at integral static pressures not in the characteristic lines of the pumps. However, they add essentially to the energy transfer to the pumped fluid and to the increase of the static pressure in the side channel. The dynamic pressure oscillations in the side channel with the characteristic exciter frequency by the blade revolution frequency are transmitted to the pump case and a part of it is emitted as effective acoustic pressure to the environment. The blade revolution frequency is by far recognizable as exciter frequency in the pressure oscillations, in the mechanical case oscillation and as effective acoustic pressure in the raised amplitude parts. The pressure oscillations refer to the unsteady flow in side channel pumps.     

利用VOF模型模拟水环真空泵的气液两相流

水环真空泵的气液两相流动非常复杂,利用相关流体机械理论很难准确描述其流动规律,一定程度上增加了水环真空泵新产品的设计研发难度。本文结合2BEA-703型水环真空泵,建立了水环真空泵的三维瞬态Computational Fluid Dynamics模型。首先通过数值模拟分析了叶轮和泵腔内部的相态分布、压力分布以及固定截面的流线分布规律,然后对比分析了不同转速对水环真空泵内部流场的影响。根据仿真结果,准确地捕捉泵内气液分界面,揭示了气液两相流流动规律。研究结果用于新型水环真空泵的辅助设计制造,保证了产品的设计指标实现。     

Auslegung und Projektierung von Seitenkanal-und Peripheralpumpen

The use and operation of side-channel and periphery pumps is increasingly important to small volume flow and high pressure in many industrial fields, for instance in the chemical industry and in chemical engineering, in vacuum and refrigerating engineering. New research results show that energy transfer in the side channel is principally effected by the specific pulse-flow transportation which is released by the forced turbulent vortex flow on the impeller and in the side channel. This causes a high portion of dissipation energy in the transfered energy. The expansion flow of the inside volume flow on the block is essential for the internal processes in side-channel and periphery pumps and their efficiency. The block has not only a sealing function, but also influences the course of expansion and the energy transfer. The air-volume flow, which can be reached by side-channel pumps is dependent on the vacuum and pressure ratio, is decisive for the suction process of the fluid.     

气液两相流问题的高精度数值模拟

采用加权三阶ENN格式离散Euler方程、LS运输方程及其重新初始化方程的空间导数,耦合三阶Runge-Kutta法离散它们的时间导数,LS法追踪运动界面和MGFM 法定义界面边界条件,探讨了气液两相流问题的高精度数值模拟。通过一维大密度大压力比实验的数值模拟,以及二维水下爆炸过程中冲击波的产生、传播、反射、透射和水面隆起等演化过程的数值模拟,验证了本文方法的可行性和稳定性,可实现气液两相流的高精度数值模拟及其运动界面的高分辨率追踪。     

水环真空泵内部流场分布数值模拟及其参数优化

现有的水环真空泵工作效率低且无法直观准确的描述内部流场流动规律,大大限制了新型水环真空泵的研发与应用,为解决以上问题,本文基于FLUENT软件对水环真空泵进行流场仿真,探究泵内部气液相态、压力和速度矢量的分布规律;并将吸气量与厂家测试结果做对比,验证仿真结果的准确性;在此基础上分析径向间隙和叶片数对吸气量、轴功率和气体等温压缩效率的影响,确定径向间隙和叶片数的最佳参数组合,由数值模拟结果可知:最佳参数组合为径向间隙25 mm,叶片数17,此时水环真空泵吸气量提高了7%,并优化了泵的工作性能,为今后水环真空泵的设计提供了理论支持,提高了研发效率。     

Numerical simulation of unsteady cavitating flows using a homogenous equilibrium model

 Numerical simulations of two-dimensional cavity flows around a flat plate normal to flow and flows through a 90^∘ bent duct are performed to clarify unsteady behavior under various cavitation conditions. A numerical method applying a TVD-MacCormack scheme with a cavitation model based on a homogenous equilibrium model of compressible gas-liquid two-phase media proposed by the present authors, is applied to solve the cavitating flow. This method permits the simple treatment of the whole gas-liquid two-phase flow field including wave propagation and large interface deformation. Numerical results including detailed observations of unsteady cavity flows and comparisons of predicted results with experimental data are provided. Received: 5 August 2002 / Accepted: 6 January 2003     

Membranpumpen mit hoher Kompression durch tangentiale Membraneinspannung

Diaphragm pumps dominate the field of rough vacuum (down to 1 mbar) in modern industry and science. Their construction is quite simple and therefore warrants great reliability. Diaphragm pumps are oil‐free, maintenance free, have a low noise level and a long lifetime. Up to now, problems occurred in generating lower vacuum pressure. With a completely new tangential diaphragm insertion as well as with improvements of the gas flow, and the form and position of the valves, the of a Puchheim pump company now solved this problem: The tangential diaphragm pumps reach an ultimate pressure of 20 mbar (single‐stage) and less than 1 mbar (double‐stage). A pump head provides a pumping speed of 36 l/min at atmospheric pressure.     

燃油系统旋涡泵压力脉动的控制研究

为了改善燃油泵噪声、振动、声振粗糙度(noise,vibration and harshness,NVH)性能,提高燃油泵声音品质,开展了燃油系统旋涡泵压力脉动的控制研究。采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟方法和理论分析方法分析燃油系统微型旋涡泵的压力脉动特性,并采用随机叶片分布方法设计了2种非均布程度不同的非等距叶轮。基于CFD数值模拟结果和理论分析结果,提出一种改进的非等距叶轮设计方法。燃油泵噪声试验结果验证了该设计与控制方案的可行性。结果显示:相较于等距叶轮,随机非等距叶轮燃油泵的中高频段尖锐噪声消失,NVH性能提升;随机非等距叶轮能够显著分散叶频峰值,非均布程度的增加显著增大了随机非等距叶轮的叶频脉动幅值下降幅度。因此,采用随机叶片分布方法,有助于改善旋涡泵的压力脉动特性,对改善燃油泵的NVH性能具有重要的工程应用价值。     

基于同轴线相位法的两相流含气率测量研究

为了准确测量气液两相流含气率,提出一种同轴线相位差测量方法。利用同轴线传感器,通过测量电磁波经过在同轴线内分布状况不同的气液混合介质后相位差的变化,得到混合介质的含气率。完成了同轴线测量电路及测量传感器的设计,建立了一种含气率测量模型。以气液两相做了室内静态实验,并对垂直管状态下传感器响应和实验结果进行了误差分析。结果表明:相位差输出与含气率呈线性关系;同时,在不同频率下,预测结果和实验结果的相对误差在±5%范围内,说明预测模型准确度较好。     

Analysis of the flow in grooved pumps with specified pressure boundary conditions

In this study the numerical method is employed to examine the flow in pumps with spiral grooves. A methodology suitable for the use of unstructured grids is developed. In order to have the greatest feasibility, the governing equations are formulated in such a manner that the grids are allowed to rotate with the rotor. Different from common practices, pressures are specified on the inlet and the outlet boundaries. Therefore, special treatments are required to calculate the mass flow rate and the inlet and outlet velocities. The methodology developed here is assessed via comparison with existing measurements and good agreement is obtained. Examination of pump parameters reveals that in order to obtain maximum flow rate, both the spiral angle and the groove height need to be carefully determined. The force balance over the entire flow channel shows that for a fixed pressure rise across the pump, the pressure difference between side walls is proportional to tangent of the spiral angle and the groove width, but inversely proportional to the groove height and the rotor length. These relationships can roughly be seen in the calculated results.