轴流式水泵非定常湍流数值模拟的若干关键问题

为准确捕捉轴流式水泵不稳定流场特征,采用雷诺时均法和大涡模拟方法对轴流泵非定常湍流进行数值模拟,并就相关问题进行深入研究。研究发现,与其他湍流分析方法相比较,大涡模拟方法在轴流泵非定常流场分析中具有更高的计算精度;同时将轴流泵进水流道与泵段一起进行流场计算后,发现叶轮进口的流动是极不均匀的,靠近弯肘形流道内侧的速度明显大于其他部位,这一现象与通常假定的轴流泵进口流动是均匀的设计与分析理论有很大区别。研究还发现,为了获得轴流泵流场内不同压力脉动频率成份,脉动计算的采用样时间应不少于8个旋转周期;轴流泵内部的水压力脉动幅值在叶轮附近区域沿半径逐渐增大,而在导叶出口之后沿半径逐渐减小。     

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。     

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。     

轴流泵出口流场的实验研究与数值模拟

首先对轴流泵进行了性能实验,然后利用PIV（PaIticle Image Velocimetry,粒子示踪测速仪）测量技术在3个不同工况下对轴流泵叶轮的出口流场进行了测量,得到出口回流和旋涡结构。基于Navier-Stokes方程组和标准k-ε模型,采用SIMPLEC算法对轴流泵叶轮内流场进行数值模拟。计算得到泵的性能曲线与性能实验获得的结果比较吻合,并将计算得到的出口流场速度分布和PIV测量结果进行了比较,两者能较好的符合,从而证明了数值计算的有效性和准确性。进而分析了轴流泵不同流量工况下造成效率降低的原因,得知叶根出口位置的回流随着流量的增加而减少。本结果可以为轴流泵的内流分析和叶轮设计提供参考依据。     

移动泵站轴流泵的CFD数值模拟分析

为了研究轴流泵的水力特性,了解不同工况下轴流泵的工作状态并了解其流道内流场特性,基于福建侨龙公司多功能移动泵站轴流泵三维数模,采用fluent软件,选用k-ε湍流模型对模型泵进行数值模拟。通过数值模拟预测了轴流泵的水力特性,并与试验结果进行对比分析,验证了模型准确性。在此基础上,分析了两种不同工况下轴流泵叶轮叶片和导叶表面的压力及速度分布情况,揭示了叶片和导叶的流态以及表面压力在流场中的分布规律。数值模拟结果对深入了解轴流泵内部流动规律和指导水力机械设计有一定的参考价值。     

超临界高压锅炉给水泵首级叶轮性能的数值模拟研究

本文对超临界高压锅炉给水泵首级双吸叶轮内部流场进行了数值模拟,分别从外特性及内部流场结构两方面对叶轮性能进行了分析和研究;采用雷诺时均方程和RNG k-ε湍流模型、SIMPLEC速度与压力耦合算法,计算了设计工况、小流量及大流量工况下双吸叶轮的内部流场。计算结果表明,采用CFD技术可以较为准确地模拟出双吸叶轮内部流场速度和压力分布,从而完成首级双吸叶轮外特性的预测,所设计的首级双吸叶轮达到设计要求。     

基于DES的离心泵内部瞬态流动数值研究

为了阐明变工况运行条件下离心泵内部瞬态流动特性,评价其瞬态水力性能及其压力脉动特性,提高离心泵的运行稳定性,基于DES分离涡模型,在小流量、额定流量和大流量工况下对泵进行了性能预测和数值模拟。与试验结果比较发现,性能预测结果和试验结果吻合较好,额定工况下泵内部流动参数梯度变化均匀。在此基础上,在泵内部设置p1～p9压力脉动监测点,通过对监测点的压力脉动时频分析,表明进口流道p1压力脉动频率与叶频的倍频保持一致,以低频脉动为主;受隔舌结构影响,出口流道p6压力脉动频率的脉动幅值较大,以高频脉动为主。比较叶轮旋转第1～第6圈静压分布和涡量分布规律,第3圈后叶轮内部流动趋于稳定,第6圈后蜗壳内部流动达到稳定,表明离心泵叶轮和蜗壳内部涡团的演化过程非同步。     

立式轴流泵装置叶片区压力脉动数值分析

压力脉动是影响轴流泵装置安全稳定运行的重要因素之一,为明确轴流泵装置叶片区压力脉动的变化规律,基于CFD软件对立式轴流泵装置全流道进行三维非定常数值计算,获得了轴流泵装置叶轮和导叶体区域的压力脉动时域数据,分析了最优工况时各监测点压力脉动特性,以及3个特征监测点的压力脉动随流量的变化规律。结果表明:最优工况时,叶轮进口压力脉动幅值从轮缘到轮毂逐渐减小;叶轮出口压力脉动幅值从轮缘到轮毂先减小后增大;导叶体出口处的压力脉动幅值从轮缘到轮毂先增大后减小。叶轮进口轮缘处压力脉动幅值随流量增大而减小;叶轮出口轮缘处压力脉动幅值随流量增大先减小后增大;导叶体出口轮缘处压力脉动幅值随流量增大而减小。小流量工况时各监测点的压力脉动主频幅值均大于最优工况和大流量工况。计算结果为分析轴流泵安全稳定运行提供了参考。     

轴流泵端壁间隙流动特性的数值分析

采用CFD计算软件CFX11.0,基于标准的k-ε紊流模型和SIMPLEC算法,对带间隙的轴流泵的内部流场进行了数值模拟.研究和分析了0、1、1.5、2和2.5mm五种不同径向间隙对轴流泵的能量特性的影响,并进行了性能预估.本次数值模拟捕捉到了叶顶间隙泄漏流动和间隙泄漏涡,并通过分析得出了间隙泄漏涡是由于间隙泄漏流与主流发生卷吸而形成的.     

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。     

对转轴流泵的设计与数值分析

对转轴流泵是由2个叶轮串联在一起,以相反的方向绕同一轴心旋转的轴流泵.与常规前、后导叶式轴流泵相比,在同样设计参数条件下,对转式轴流泵具有相对体积小、运转速度低、抗空化性能好和推重比高等特点.为探究对转轴流泵的设计理论和方法,设计了一对转轴流泵的前、后置叶轮,应用Matlab软件实现参数化设计,搭建了自动分析优化平台,...     

轴流泵及离心泵产生低扰动搏动流的方法

研制了一种轴流泵和一种离心泵。讨论了叶轮泵的搏动流。搏动流对于减少血液周身循环阻力具有重要意义,但利用叶轮泵产生搏动流将会导致血液破坏。搏动流叶轮血泵需要解决的问题是如何产生低扰动的搏动流。对于搏动流轴流泵,将泵的入口和叶轮外形轮廓设计成锥形,当叶轮以恒定的转速旋转时,搏动流轴流泵产生的搏动流可预期是低扰动的。对于搏动流离心泵,其搏动流的产生通过周期性的改变叶轮转速来实现,同时,设计出扭曲形叶片的叶轮,使血流的速度在叶轮周期性改变转这时只改变方向,而大小不变。通过这种方法,也可以产生搏动流,而且可将紊流减至最小。与搏动流轴流泵相比,搏动流离心泵只需要一个驱动部件,实用性更强。搏动流离心泵已成功试用于存活期达数月的小公牛血液辅助循环试验,没有发现明显的血液成分破坏和器官功能损坏。搏动流离心泵用作心功能恢复期间的循环辅助装置是最合适的,因为其不仅能像隔膜泵那样产生搏动流,减少了血液周身循环阻力,而且能像非搏动流旋转泵那样不发生倒流,从而增加了主动脉舒张压及自然心脏的冠状动脉灌注。     

Numerical simulation and analysis of flow characteristics in the front chamber of a centrifugal pump

We performed numerical simulations to study the flow characteristic in a centrifugal pump based on the RANS equations and the RNG k-ε turbulent model. The flow field, including the front and back pump chambers, the impeller wear-ring, the impeller passage, the volute casing, the inlet section and outlet section was calculated to obtain accurate numerical results of fluid flow in a centrifugal pump. The flow characteristic was studied from the internal flow structure in pump chambers, the radial velocity at impeller outlet as well as the pressure inside of the pump, the circumferential velocity and the radial velocity in front pump chamber. The variation of flow parameters in internal flow versus flow rate in the centrifugal pump was analyzed. The results show that the overall performance of the pump is in good agreement with the experimental data. The simulation results show that the distribution of flow field in the front pump chamber is axial asymmetry. The energy dissipation at the impeller outlet is larger than other areas. The distribution of the circumferential velocity and that of radial velocity are similar along the axial direction in the front pump chamber, but the distribution of flow is different along the circumferential and the radial directions. It was also found that the vorticity is large at the impeller inlet compared with other areas.     

螺旋离心泵叶轮背叶片对轴向力影响的数值分析

基于相对坐标系下的雷诺时均N-S方程和RNG k-湍流模型,采用非结构化混合网格技术和SIMPLEC算法,以清水为介质,对带有叶轮背叶片的80LN-6型螺旋离心泵进行全三维数值模拟。通过改变叶轮背叶片数目和宽度设计出6种不同螺旋离心泵叶轮方案,对各种方案下泵内流动进行数值模拟,获得螺旋离心泵叶轮无背叶片和不同背叶片数目及宽度下轴向力的变化趋势和规律。通过对外特性试验数据和CFD数值模拟数据对比,间接地验证了数值模拟方法的可靠性。并对6种不同螺旋离心泵叶轮方案模拟数据进行分析,结果表明,螺旋离心泵添加叶轮背叶片之后,轴向力大小发生变化,同时在不同方案中不同工况下轴向力方向也发生改变;背叶片数目、背叶片宽度对于平衡轴向力均存在最优值且对后腔及蜗壳内的压力分布有较大影响。     

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。     

轴流式磁悬浮血泵流场数值模拟及溶血预测

血泵流体动力分析是研发先进人工心脏泵的前提,血泵叶轮旋转时会对血细胞造成不同程度的机械损伤,从而导致溶血和血栓,严重时甚至危及患者生命。以设计的一种轴流式磁悬浮血泵为例,结合计算流体力学和结构优化设计,采用κ-ε模型、动网格技术和用户自定义函数技术,在轴流式磁悬浮血泵内部三维流场数值模拟的基础上,分析轴流式磁悬浮血泵流道的剪应力分布,探索血液流量与叶轮转速的关系,利用粒子追踪法获取血液细胞流动轨迹,建立一种轴流式磁悬浮血泵的溶血数学模型,阐述轴流式磁悬浮血泵溶血性能预测的方法和机理。研究结果可为轴流式磁悬浮血泵的结构设计和降低溶血提供重要依据。
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高比转数蜗壳式混流泵的设计与试验

采用线性分布的轴面流线速度环量和叶片角度变化规律来设计叶轮,采用圆弧翼型进行固定导叶的设计,蜗壳断面采用非对称断面,进而设计了一叶片可调比转数为564.3的蜗壳式混流泵。应用FLUENT对该泵的内部流动进行了数值模拟并根据模拟结果进行了能量性能预测。内流模拟结果显示该泵内部流动均匀,性能预测结果表明该泵可以满足设计要求。真机性能测试表明该泵在叶片角度为0°时最高运行效率达85.76%,在设计点运行效率要比设计要求高约3%。研究结果对于更高比转数蜗壳式混流泵的设计具有比较重要的指导作用。     

Influence of tip clearance on pressure fluctuations in an axial flow pump

Rotor-stator interaction in axial pumps can produce pressure fluctuations and further vibrations even damage to the pump system in some extreme case. In this paper, the influence of tip clearance on pressure fluctuations in an axial flow water pump has been investigated by numerical method. Three-dimensional unsteady flow in the axial flow water pump has been simulated with different tip clearances between the impeller blade tip and the casing wall. In addition to monitoring pressure fluctuations at some typical points, a new method based on pressure statistics was proposed to determine pressure fluctuations at all grid nodes inside the whole pump. The comparison shows that the existence of impeller tip clearance magnifies the pressure fluctuations in the impeller region, from the hub to shroud. However, the effect on pressure fluctuation in the diffuser region is not evident. Furthermore, the tip clearance vortex has also been examined under different tip clearances.     

旋流泵内盐析两相流场的计算及试验研究

为研究流体机械内部伴有盐析的液固两相流动情况,自行设计了旋流式模型泵,采用双流体模型计算了该泵在最优工况下的氯化钠盐析两相流场,并采用先进的激光相位多普勒粒子测速仪测量了泵无叶腔及叶轮内部盐析两相流的三维速度场。将试验结果与计算结果进行对比,验证了计算模型的适用性,并给出了误差分析。通过对试验测得的周向、轴向、径向速度及其对应的脉动速度分布曲线讨论,初步揭示了该型泵内盐析两相流动特征。在整个流道内,盐析晶体颗粒大部分集中于无叶腔,且分布较均匀;进入叶轮后向叶片工作面靠拢;颗粒浓度最低处是在叶轮进口叶片背面靠近叶轮后盖板附近;液固两相在叶轮与无叶腔中的周向速度分布差异明显;两相间速度及脉动速度有滑移,但差异总体上并不显著。