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。     

轴流泵空化状态下轴向推力下降研究

基于RANS方程,结合切应力输运湍流模型计算某对旋轴流式喷水推进泵无空化状态时的流体动力性能。在此基础上,嵌入基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型,对空化条件时该对旋轴流泵流体动力性能进行数值计算。结果发现,空化引起对旋轴流泵轴向推力下降,泵的轴向推力空化特性曲线与扬程空化特性曲线相似,但是轴向推力的下降点比扬程的下降点推迟5.1%,而临界点则推迟了2.6%;首级叶轮和次级叶轮的轴向推力均存在空化临界点;在临界点之前,首级叶轮的轴向推力逐渐上升,而次级叶轮的轴向推力逐渐下降。     

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。     

轴流泵多工况空化特性数值计算

基于完全空化模型,应用计算流体动力学(CFD)技术,计算了轴流泵在不同进口流量条件下的全流道流场。研究了不同进口流量条件下,轴流泵的外特性变化,叶片上的压力及空泡体积组分分布,对不同工况下的内部流场空化特性进行了分析。计算结果表明,额定流量工况下,轴流泵扬程的CFD计算值准确,与理论值误差在3%以内;非额定流量工况下,CFD计算可以得到空化发生区域及空化程度。空化发生时,叶轮叶片表面的压力下降,叶片对流体做功减少,引起水泵效率下降。各流道叶片上的空泡体积组分分布相似,但呈现出一定的非对称性,这种非对称性是造成轴流泵在空化发生时运行不稳定的因素之一。     

轴流泵叶轮汽蚀两相流的数值模拟与分析

为了分析某型号轴流泵叶轮汽蚀状态下汽液两相流特征,本文基于均相流模型、RNG k-ε湍流模型与SIM-PLEC算法,分别从外特性和内部流场两方面分析了轴流泵叶轮的空化过程,通过定量分析不同NPSH下轴流泵的扬程下降和空泡分布的对应关系,讨论了不同空化状态下叶轮内部速度场和压力场的分布,寻找出轴流泵空化发生破坏的位置和发展趋势。数值模拟结果表明,空化初生时空泡产生于叶片背面进口轮缘处,随着轴流泵进口压力的不断降低,叶片背面外缘处空泡逐渐向轮毂侧发展,且外缘侧空泡不断向前推进,在装置汽蚀余量NPSH为6.62m时,空泡基本覆盖叶片的背面,此时叶片丧失了部分做功能力,且扬程下降明显。计算模型泵进行了现场运行试验,试验结果表明,数值模拟的空泡分布与实际破坏位置一致,验证了数值计算的准确性,也为解决轴流泵汽蚀破坏问题提供了内流流场参考。     

立式轴流泵水力不稳定工况流场数值预测

为了研究轴流泵位于水力不稳定工况的流动特性,基于N-S方程以及RNGκ-ε湍流模型,对轴流泵进行三维湍流数值计算。预测得到设计工况下的扬程与模型参数接近,说明所采用的数值计算方法可以较为准确地预测轴流泵内部流动特性。计算结果表明:在0.35Q_d至0.5Q_d流量区间内,轴流泵的流量-扬程曲线呈现正曲率特性,此区间内流量工况即为其水力不稳定工况;伴随着流量由设计工况Q_d依次减小至0.5Q_d和0.35Q_d的过程中,轴流泵内部流态逐渐恶化。在0.35Q_d工况点,叶轮进口前水流存在强烈的预旋,进口存在漩涡导致流体不能有效进入叶轮室,同时叶轮室内流体脱流现象严重,严重堵塞流道,致使叶轮无法有效对流体做功。     

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。     

基于FBM模型的轴流泵空化研究

为了对轴流泵内空化流动进行精准预测,基于修正RNG k-ε的FBM模型和Zwart空化模型对某一轴流泵空化流场进行稳态数值模拟,获得轴流泵的外特性和空化性能,并与试验结果进行对比。结果表明基于FBM湍流模型可以精准地预测轴流泵的外特性及空化性能;在叶片出口边位置附近湍动能较大,而在叶片进口位置附近处较小;气泡最先在叶片背面靠近轮缘位置处产生,当处于临界空化阶段时,气泡分布范围约占叶片背面1/2,当处于严重空化阶段时,气泡开始脱落和溃灭。     

离心泵非定常空化流动特性的数值研究

采用压力边界条件对一单级单吸蜗壳离心泵进行了三维空化非定常相变流动的数值计算,模拟过程通过定常计算、基于滑移网格技术的非定常计算、以及结合混合项模型和Schneer-Sauer方程的空化演变计算,成功捕捉了泵内非定常空化流动特性。计算结果表明:设计工况叶轮前缘空化率在0.92%～1.12%范围内以叶片旋转频率做周期性变化;当叶片靠近蜗舌时空化加剧,而泵流量略有降低;当叶片远离蜗舌时空化减轻,流量有所增加。     

末级密封间隙对自平衡多级离心泵性能的影响

为了阐明不同末级密封间隙值变化对自平衡多级离心泵性能及其流动特性的影响,以某型号的自平衡多级离心泵为研究对象,基于泵的几何参数,建立4组不同末级密封间隙值的匹配方案,通过CFD软件对不同方案进行全流场数值模拟,并与试验结果进行对比分析。研究结果表明:随着末级密封间隙值的增加,不同工况下整泵的扬程和效率逐渐减小,泵高效点向小流量点偏移;同时在设计工况下,低压区从首级泵腔向次级泵腔移动,次级泵腔的压力梯度明显,而首级泵腔的压力梯度减弱,导致泵的首级轴向力不断增大,次级轴向力先减小后增大,总轴向力大小增加,方向指向首级叶轮进口。     

固相浓度对深海采矿矿浆泵空化性能影响规律

为分析固相浓度对深海采矿矿浆泵空化特性的影响,通过空化核子理论、质能方程建立气相和液相、固相和液相之间的联系,探求气固两相之间的理论关系,进行固相参数对深海采矿矿浆泵空化性能影响分析,并采用mixture多相流模型,RNG k-ε湍流模型,Schnerr and Sauer空化模型,在fluent软件中对矿浆泵进行稳态空化仿真。比较不同颗粒浓度对矿浆泵流场压力分布、气相分布及工作性能的影响,为矿浆泵空化特性提供依据。研究结果表明:空化发生时的临界气泡半径与固相浓度及其流量可通过液体压强建立联系,固相颗粒浓度越大、固相流量越大,空化将提前发生,抗空化性能将下降;随着固相浓度的增加,在矿浆泵首级叶轮叶片背面入口处压力降幅增大,气相体积分数增大,泵扬程减小,汽蚀余量减小。     

叶片厚度对轴流泵性能的影响

采用RNGk-ε紊流模型计算了轴流泵装置内部的三维紊流流场。通过计算表明,装置在相同的流量下,随着轴流泵叶片厚度减薄,水泵的扬程和轴功率增加,最高效率点向大流量偏移,且最高效率有所提高;叶片压力面的压力增加,使叶轮扬程的增加,而叶片吸力面的压力变化较小,略有增加,使得叶轮空化性能有所改善,最后通过模型试验验证了计算的结果。     

小流量高扬程液氢泵水力优化和抗空化的结构设计

针对液氢在低温系统或低温储罐中输送的应用需求，依靠泵设计经验参数取值而设计的小流量高扬程液氢泵，相似定律转换为模型泵，试验测试其外特性得到：在额定工况下，与理论扬程相比，泵内存在6 m水力损失，同时，液氢总是处于近饱和状态，特别当泵前低温流体的进口压力降低或波动时，离心式液氢泵极易发生空化，造成扬程下降。以提高液氢泵的抗空化特性和提高泵水力效率为目标，建立小流量高扬程液氢泵的多目标优化设计方法，依据小流量高扬程液氢泵模型泵的外特性测试结果，对泵头的几何结构参数进行优化设计，结果表明：叶轮入口直径增大1.5 mm、直角的叶片进、出口安放角减小为60°、叶轮出口直径减小0.5 mm、叶片进口宽度减小0.1 mm,叶片出口宽度减小0.3 mm,减小流体出口间隙，有利于泵减小水力损失，提高泵效率，并改善泵的空化性能。本研究采用的计算方法为小流量高扬程液氢泵高效水力模型的优化设计提供参考，研究结果为小流量高扬程液氢泵的结构优化和获得工作特性的实验研究提供理论依据。     

轴流泵叶轮内空化的数值模拟与实验研究

基于混合流体的连续性方程、时均雷诺N-S动量方程,并补充RNGk-ε-kg湍流模型和完整空化模型,对轴流泵叶轮内的空化进行数值模拟。从模拟结果可以得到轴流泵叶轮内空化发生的位置和空化发生时空泡体积分数分布情况。用高速数码摄像机进行叶轮内的空化拍摄实验,并将实验结果与数值模拟结果进行对比分析,进而论证数值计算的准确性。数值模拟和实验研究揭示了轴流泵叶轮内的空化情况,为叶轮内空化的深入研究提供可靠的参考依据。     

基于开缝引射流的离心泵空化流动研究

为确定不同形式的开缝对离心泵的影响,采用引射流技术对其进行了六种开缝设计,采用RNG k-ε湍流模型和改进的Kubota空化模型对其空化流动进行了数值求解。结果表明:在大流量工况下运行时,离心泵外特性突降的原因在于叶片发生空化后附着空化改变了叶片型线,堵住了整个流道,造成了叶片做功能力逐步丧失;选择合理的开缝宽度和角度,可以使叶轮流道内的流动更加均匀,湍流减小,提高泵的效率,还可以改善离心泵的空化性能,延缓空化的发生,降低泵的必需空化余量。     

双向轴流泵装置性能预测与内部流动分析

对一采用S形叶片的双向轴流泵装置进行数值研究,在不同流量工况条件下分析泵的正、反向运转性能,对该泵的瞬时启动过程进行了监测并对泵内的非定常空化现象进行了分析。研究表明,正、反向运转时,泵的性能存在明显的差异,反向的扬程和效率均高于正向;在泵正向启动过程中,叶轮背面进口边产生空化区,反向运转时未发生明显的空化现象;两种运转模式下,叶轮进出口断面上压力脉动特征频率分布相似,但叶轮进口的压力脉动幅值较高。     

一种多目标泵的设计与分析

介绍了某项目用泵的2个需求工况点,应用欧拉扬程公式计算单叶轮设计时的叶轮外径,并计算圆盘摩擦损失预估泵效率,初步分析表明单叶轮设计不仅效率极低,而且也无法满足2个设计目标。针对比开发了一种双叶轮双出口组合的新型结构型式,介绍了其工作原理。其中主要过流部件采用模型换算法,应用面积比法计算正导叶外接的首级叶轮蜗壳的第Ⅷ断面面积。根据模型试验数据换算得到该多目标泵的外特性曲线并用现代CFD技术进行了数值仿真。发现扬程—流量曲线的模型试验数据与仿真结果曲线一致,满足2个工况点的目标需求。与模型换算数据相比,数值仿真得到的数据最高效率点向大流量方向偏移,这是由于第一级蜗壳是以正导叶为基础采用面积比法设计、过流断面大导致的。     

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。     

基于CFD的离心泵三维内流场的数值模拟

为了研究离心泵内部流场的流动规律,基于CFD技术,应用雷诺时均N-S方程与标准k-ε湍流模型对不同工况下二级离心泵内部的三维湍流流动进行了数值模拟,并对其内部的流动状态进行了分析,得到了离心泵内部流场的压力分布规律。结果表明:随着出口流量不断增大,泵的整体压力逐渐减小,各级叶轮的压力逐渐减小,叶轮的速度值逐渐增大。在相同条件下,离心泵进口到出口的压力逐渐增大,各级叶轮中的静压值径向逐渐增大,且次级叶轮的压力值比首级叶轮的压力值大。     

非线性空泡模型在轴流泵空化模拟中的评估分析

为了提高传统空化模型预测轴流泵空化特性的能力,提出了一种基于非线性Rayleigh-Plesset方程的空泡动力学模型,联立两相-3种组分的均相流假设,建立了一种非线性空化模型。分别采用非线性模型及传统的Schnerr-Sauer模型对比转速n_s=692的轴流泵叶轮内空化流动进行数值计算。研究发现:非线性模型预测的轴流泵空化性能曲线与实验测量值吻合更好,叶顶间隙内附着型空化长度随着空化数的降低呈现先缓慢增长后迅速增长的规律;当轴流泵叶片吸力面发生严重空化时,空化区域的后部靠近轮毂的位置空泡体积分数发生了急剧变化,该处最容易发生空蚀破坏。