隔舌安放角对离心泵的水动力特性影响研究

为了研究螺旋形蜗壳内部流动规律以及不同隔舌安放角对离心泵内部流动特性的影响,基于ANSYSCFX14.5对5种不同隔舌安放角的离心泵模型进行了定常与非定常计算和数据分析,并对离心泵的水力特性进行了实验验证。分析结果表明,随着隔舌安放角的增大,离心泵的高效区明显加宽,但是设计工况附近的水力性能稍有下降,其中在大流量区域,隔舌安放角的作用比较明显;隔舌安放角的不同主要对非设计工况下离心泵内部流体流态影响较大,其中在小流量工况时,随着隔舌安放角的变小,叶轮各流道内的流体流态分布的对称性明显改善,在大流量工况下,随着蜗壳隔舌安放角的减小,蜗壳出口段垂直截面方向的速度梯度变大;隔舌安放角的不同对叶轮所受径向力的影响很小,不同隔舌安放角的离心泵所对应的径向力分布规律几乎一致。     

自吸泵内能量损失及非定常流动特性研究

自吸泵由于其特有的气液分离腔和回流孔结构使得其内部流动更为复杂,本文针对自吸泵内能量损失及非定常流动特性开展实验和数值研究。通过开展模型泵水力性能实验,发现数值计算结果与实验结果具有较好一致性。利用熵产理论和Q准则定量分析了不同工况下自吸泵内不同区域的能量损失特性及涡核分布特征,结果表明:泵内熵产分布特征与水力损失分布特征基本一致,叶轮、蜗壳和气液分离腔是自吸泵内能量损失的主要区域。蜗壳内部的压力脉动强度在靠近隔舌区域较大,蜗壳中段处变弱,蜗壳出口扩散段处又进一步增强。在小流量工况下,叶轮和蜗壳内部涡核分布面积较大,涡核主要分布在叶轮的进口处和出口处。     

叶片包角对中比转速离心泵水力振动的影响研究

为了研究叶片包角对中比转速离心泵水力振动的影响,以一台比转速为103的中比转速离心泵为研究对象,探讨叶片包角分别为116°、122°、128°的3种离心泵在不同的流量工况下的外特性特征,设计流量下叶轮流道、蜗壳流道内监测点的压力脉动特性。研究结果表明:存在一个最佳的叶片包角122°使中比转速离心泵的扬程和效率最高,且最佳效率点向大流量点偏移;叶轮流道内各监测点的压力脉动随叶片包角的增大而逐渐降低,而各压力脉动幅值随叶片包角的增大而逐渐增大;蜗壳螺旋段内的压力脉动值沿流体流动方向逐渐减弱;随着叶片包角的增加,蜗壳流道内监测点的压力值逐渐增大,隔舌监测点和出口处监测点的压力脉动幅值也同步增大,而蜗壳螺旋段内监测点的压力脉动幅值逐渐减小。综合考虑适当地增大叶片包角可以减小离心泵的水力振动。     

中比转速离心泵小流量工况下压力脉动特性

采用Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型,对不同流量工况下离心泵内部非定常流动进行了数值计算,计算得到的离心泵外特性与试验结果吻合较好。数值模拟结果表明,不同流量工况下叶轮内压力脉动具有明显的周期性变化,压力脉动强度随着流量的减小而增强,叶片压力面脉动强度更加剧烈,叶轮旋转频率始终占主导作用。由叶轮进口至出口,叶片压力面和吸力面压力脉动最大幅值均渐渐增大。相同监测点的压力脉动最大幅值在30%设计流量工况时最大,约为设计流量工况下3~4倍。随时间叶轮流道内存有旋涡的产生、发展、脱落的周期性变化过程,这是造成离心泵运行效率低、压力脉动副值增大、脉动波形紊乱的主因。     

叶片数对高比转速离心泵固液两相非定常流的影响

为了探索叶片数在固液两相流条件下对高比转速离心泵非定常特性的影响情况,利用ANSYS CFX软件,采用Mixture多相流模型,对4种不同叶片数离心泵的固液两相湍流进行了非定常数值模拟,分析了叶片数对固液两相流离心泵瞬时扬程、压力、压力脉动及径向力的影响。研究结果表明：① 随着叶片数量的增多,固液两相流离心泵的瞬时扬程增大,波动频率变快,蜗壳内及隔舌处的压力值越来越大,波动频率变快,脉动幅值反而越来越小,叶轮上的径向力会减小,隔舌处的径向力会增大;② 不同叶片数的固液两相流离心泵蜗壳内及隔舌处的压力脉动主频均出现在其叶频处;③ 叶片数为5时,是蜗壳的内压力值和压力脉动幅值增减速度快慢的分界点,也是叶轮上及隔舌处径向力大小增减速度快慢的分界点。     

离心泵蜗壳内压力脉动特性数值分析

为揭示离心泵蜗壳流道内的压力脉动变化规律,采用雷诺时均方法(RANS),对3种工况下的离心泵内部三维非定常湍流流场进行数值计算,分析同一蜗壳断面不同位置以及沿蜗壳周向不同点的压力脉动特性。结果表明:蜗壳流道内具有非常明显的压力脉动,在各种工况下压力脉动的主频均是叶片通过频率;同一蜗壳断面上的压力脉动从蜗壳底部到蜗壳背面先减小后增大,蜗壳底部监测点的高频脉动成分较多;沿蜗壳周向,随着圆周角的增大,压力脉动减弱,隔舌附近压力脉动幅度最大,且高频脉动成分明显增加。     

离心泵蜗壳进口边对叶轮径向力影响的数值模拟

保证蜗壳过流断面面积和基圆直径不变,通过改变蜗壳进口边宽度,采用SST湍流模型分别对不同蜗壳进口边匹配同一叶轮离心泵进行全流道非稳态数值模拟。通过数值模拟分别得到不同蜗壳进口边的离心泵外特性及径向力特性,并对其进行分析。结果表明:适当改变蜗壳进口边对离心泵扬程、效率影响不大;同一工况下,叶轮上径向力的大小和方向时刻都在改变,且受叶轮与蜗壳动静干涉的影响呈现六角星分布,蜗壳上径向力呈现近似椭圆分布;较小蜗壳进口边的离心泵其叶轮和蜗壳上所受的径向力较小,说明较小蜗壳进口边能够改善离心泵的径向力。     

离心泵内部两相流模拟及其叶轮的流固耦合分析

应用N-S方法和标准k-ε湍流模型,采用SIMPLE法,对离心泵内部三维固液两相流进行了模拟计算。得到不同固相(颗粒)浓度下的离心泵内部压力分布和内部颗粒浓度分布情况,并且基于流固耦合原理对离心泵叶轮进行结构分析,采用多物理场协同仿真平台ANASYS Workbench,通过单向流固耦合技术实现离心泵叶轮结构的仿真计算,获得了离心泵叶轮在同一工况、不同固相浓度下的等效应力及变形情况。计算结果表明,蜗壳中压力和固相体积浓度分布规律都是从进口处随蜗壳半径增大而增大,并且在隔舌处出现浓度分布不均匀的现象。各种计算条件下,叶轮的等效应力和总变形情况变化趋势基本上相同,叶轮的应力分布都不均并且存在局部应力集中,固相体积浓度越大离心泵叶片的变形也越严重。     

采用径向回流平衡孔的低比速离心泵压力脉动特性

采用Relizable k~ε模型对具有径向回流平衡孔以及传统轴向回流平衡孔和无平衡孔结构的低比速离心泵进行全流场非定常数值模拟,并进行时域分析和频域分析。研究结果表明:平衡孔采用径向回流方式、传统轴向回流方式以及无平衡孔结构这3种方案时,离心泵的叶轮进口、蜗壳出口以及蜗壳隔舌处的流体均随时间呈周期性波动,脉动频率以叶片通过频率为主;具有径向回流平衡孔的低比速离心泵与其他2种结构形式的低比速离心泵相比,能够有效地改善蜗壳隔舌处的压力脉动情况。     

小流量工况下蜗壳式混流泵内部流动数值解析

为了探索蜗壳式混流泵在小流量工况下的流动特性,基于RNG k-ε湍流模型对一台比转速为585的双蜗壳混流泵进行数值计算,并预测了其外特性,利用外特性试验验证了数值计算方法的可靠性,结果表明:小流量工况下叶轮进口处无法满足无撞击入流,流体质点不断冲叶片压力面前缘,导致该部位存在一个局部高速低压区域;0.6Qd工况下,叶轮进口截面位置产生明显的涡核,此时泵内部无法满足无预旋入流;设计工况下蜗壳截面上流线光滑平顺,随着流量不断减小至0.6Q_d工况,隔舌部位、蜗壳隔板进口处以及蜗壳出口部位产生3处明显的漩涡,同时这3个部位的湍动能明显高于其他部位;蜗壳隔板内侧的湍动能明显大于隔板外侧,蜗壳内部流线图中的漩涡均发生在隔板内测,从而说明隔板内侧流动的不稳定性较大。     

偏工况下离心泵蜗舌区流场特性研究

基于Navier-Stokes方程和SST k-ω湍流模型,对离心泵内部流动进行数值模拟,分析离心泵蜗舌区瞬态流动特性。计算所得扬程和效率与试验结果吻合较好,模拟方法可行。结果表明:不同流量下,蜗舌区压力脉动的主要影响因素是动静干涉作用,压力脉动主频均为叶频及其倍频;小流量时,压力脉动幅值随流量的减小而增加,压力脉动低频段出现一些复杂激励频率,流量降至0. 4Qd时,甚至出现1/5fr(叶轮转频);设计流量时压力脉动最大幅值在蜗舌端处最大,失速状态下在蜗舌靠近叶轮出口处最大,其值约为设计流量时的4. 9倍,是由此处随时间剧烈变化的旋涡引起。     

高速离心泵多维空化特性研究

为探究高速离心泵内部空化的演变过程对其稳定性产生的影响。对高速离心泵的内部空化流动及非定常下的多维空间监测点压力脉动进行模拟计算,研究叶片空间上的空泡体积分数占比情况,叶轮流道中三维空化由弱到强的过程对隔舌及叶轮出口的压力脉动影响。研究结果表明:各叶片上的空泡体积分数随着空化系数及流量系数的减小而逐渐增加;在空化相对较小时,对隔舌及出口的压力脉动影响变化速率较为平缓,在空化较严重时,对隔舌及出口的压力脉动影响较大,且影响变化速度较大时空化系数的界点为σ=0.086附近。     

双吸离心泵吸水室和压水室压力脉动特性试验研究

双吸离心泵压力脉动是影响水泵机组运行稳定性的关键因素之一。采用试验的方法,分别在吸水室和压水室的壁面布置压力脉动传感器,采集各个测试流量下的压力脉动信号,进行混频幅值和频谱分析。结果表明,低于轴频的低频脉动和轴频脉动在吸水室区域占主导地位。在额定流量和大流量工况下,低频脉动频率主要为1/3倍的轴频。在小流量工况下,该低频脉动影响范围显著扩大,幅值明显增大。叶频脉动在隔舌区域非常强烈,是压水室区域的主导脉动成分,沿压水室圆周方向传播并耗散脉动能量。当偏离额定工况时,压水室压力脉动峰峰值显著增加,尤其是在小流量工况,该幅值达到额定工况下相应值的5~6倍。     

核主泵压水室非定常流动特性分析

为改良核主泵水力性能,提高核主泵安全可靠性,探究不同流量下核主泵压水室流线变化规律,分析压水室压力分布特点,关注类隔舌位置水力压力的时域、频域特性,对混流式核主泵进行全流道仿真计算。计算结果表明,类球形蜗壳压力分布呈明显的梯度变化,且在其壁面靠近类隔舌位置有最大压力出现。设计工况下,压水室压力脉动主要受叶频影响,随着流量的减小,转频诱发水力振动的成分增加,但是压水室主频与转频、叶频都存在一定的偏差。若流量过小,压水室内流体湍流度增加,压水室出口段流线也将呈现螺旋状。     

不同叶轮形式离心泵压力脉动和空化特性试验研究

压力脉动和空化特性是影响离心泵稳定运行的两个重要因素。针对国内某大型调水工程的立式带导叶离心泵,在保证蜗壳、导叶和叶轮出口直径等设计参数一致的情况下,设计了两种不同形式的模型叶轮,并进行了模型泵的同台试验。两个叶轮的比转速都为106.43,叶片数分别为7和9,叶轮流道、叶型也不相同,其中,对9叶片叶轮叶片进口边进行了"C形"修型。结果表明,两种叶轮形式离心泵内部压力脉动的频率成分及其分布特性类似,总体上都为叶片通过频率及其谐频,且该频率的压力脉动能通过叶轮流道逆水流方向向进口端传播。叶轮形式对压力脉动幅值的影响比较显著,相比7叶片叶轮,9叶片叶轮的压力脉动幅值降低了10%以上。同时,对叶片进口边修型后,初生空化得到有效延迟,设计流量点附近的临界空化余量下降约10%。适当提高叶片数与叶片进口边修型可显著提高离心泵空化性能。     

半高导叶对离心泵水力性能与压力脉动强度影响数值模拟研究

采用ＳＳＴｋ－ω湍流模型分析半高导叶叶高对离心泵水力性能与压力脉动强度的影响,研讨半 高导叶对其性能的影响规律。结果表明,小流量工况时,导叶叶高对离心泵水力性能影响较小,随着流 量增大,其影响越明显。随着流量增加,离心泵扬程与效率随着导叶叶高降低而增大,高效区变宽,并向 大流量偏移。各流量工况下,导叶叶高对叶轮做功影响较小,而对导叶与蜗壳内总压损失影响较大,随 着流量增加,导叶叶高降低明显减小导叶与蜗壳内总压损失。在各流量工况时,叶轮、导叶与蜗壳内压 力脉动强度随着导叶叶高降低而逐渐降低。     

核主泵关键过流部件非定常流动特性分析

为改善核主泵的水力性能,减少核电事故,促进核主泵的国产化,对混流式核主泵的水力单元进行了定常与非定常数值计算,以探究其关键过流部件的流动特性。对流量在0.2~1.0 Q0工况条件下核主泵的外特性进行了分析,重点对其极小流量工况、最优工况以及设计工况下叶轮与压水室的内流特性进行了分析研究。结果表明,叶轮叶片的进口靠近后盖板的位置容易出现涡流,在叶轮的出口部位,压力脉动最为剧烈,而且叶轮的压力波动幅度明显要高于压水室的;压水室类球形蜗壳内的流体流动呈螺旋状,在其近壁面,特别是类隔舌的位置,较易形成不稳定的流动;叶轮与压水室压力脉动的主频与叶频相近,核主泵水力单元的最优工况出现在0.8 Q0,其效率为82.22%;同时研究结果还表明,如果流量过小,则易造成大量的绕流漩涡,而且压力脉动的程度也将随之显著增加。     

蜗壳式混流泵压力脉动特性研究

基于雷诺时均方程和RNG k-ε湍流模型,应用SIMPLE算法,对混流泵内部流场进行非定常数值模拟,分析不同工况监测点上压力脉动的时域特性和频域特性。取定常计算的外特性与实验值对比,对比结果为不同工况的扬程偏差均小于5%,证明该数值模型能准确地描述泵内流场特征。结果表明:叶片进口处水流冲击产生的回流和漩涡是引起叶轮内压力脉动的主要动力源,叶轮与蜗壳间的动静相干作用是产生蜗壳内压力脉动的主要动力,并且在向下游传播过程中,压力脉动逐渐减弱,叶频占主导地位,在小流量工况运行时,主频有向叶轮转频迁移的趋势,大流量工况下最大压力脉动发生在转轮中间位置;叶轮内的压力脉动要远远高于蜗壳,这是引起机组振动和噪声的主要来源。     

不同工况下双吸泵湍流特性分析

为了研究双吸泵内部流场在不同流量工况下的湍流特性,选取SST k-ω湍流模型,利用ANSYS CFX软件对双吸泵内部流场进行多流量工况数值模拟,得到了不同工况下双吸泵叶轮以及蜗壳流道内的湍流流场。分析结果表明:叶轮和蜗壳内的湍动能在设计工况时最弱,涡粘系数同湍动能呈正相关;流量偏离设计工况越大则湍动能越大;正向涡量的存在有助于叶片与流体之间的能量转换,而叶轮流道内的Z向涡量随流量的增大而减小。     

离心泵隔舌区域压力脉动特性分析

为了揭示隔舌对离心泵内流场的压力脉动变化规律,采用商业软件ANSYS-cfx,对0.8Q、1.0Q和1.2Q的离心泵进行三维非定常数值模拟计算,分析在同一工况下不同位置监测点的压力脉动特性。结果表明:受到隔舌影响流道内各观察点的压力脉动出现非常显著的周期性,而且在0.8Q、1.0Q、1.2Q工况下的5个监测点主频都出现在1倍叶频处。随着观察点与隔舌周向距离变大,脉动幅度逐渐减小,这时脉动主要是叶片通过频率,高频脉动成分较少。