基于流固耦合的斜流泵空间导叶多工况强度分析

空间导叶作为斜流泵的主要过流部件,对改善叶轮出口流场具有重要的意义,探究其内部流动以及与固体之间的相互作用尤为必要。通过对0.6Q_d、0.8Q_d、1.0Q_d、1.2Q_d和1.4Q_d5个不同流量工况点进行CFD仿真及流固耦合计算分析,结果显示空间导叶承受的总压随着流量的增加逐渐减小,空间导叶与上下盖板连接位置承受压力较大;随着流量的增加,空间导叶最大应力值和变形量均减小,其所承受应力主要集中于上盖板进口边以及导叶与上下盖板连接处,在上盖板两导叶叶片中间位置变形较为明显。研究结果可为斜流泵空间导叶结构设计和强度优化提供参考。     

斜流泵复合空间导叶结构流场及强度分析

空间导叶对改善斜流泵叶轮出水流场起着重要作用,为探究空间导叶不同结构形式下流场特征及强度计算,基于长短导叶复合结构形式建立三种导叶结构方案,分别进行流场计算和流固耦合分析。结果显示,三种类型复合空间导叶结构中T_2型空间导叶压力较大,T_3型空间导叶压力最小;三种类型复合空间导叶中压力较大区域主要集中在导叶与上盖板连接处的进水口位置,该处受到较强的水流冲击,承受的压力较大;T_1和T_2型复合空间导叶变形整体均呈对称性分布,T_1型复合空间导叶变形最大点主要集中于下盖板进口边以及导叶与上下盖板连接处,且与下盖板连接处应力值较大;T_3型复合空间导叶变形点主要集中于导叶与下盖板连接处,该处变形最为严重。研究结果为斜流泵不同空间导叶结构的设计优化提供参考。     

基于ANSYS的旋喷泵叶轮流固耦合分析

为获得旋喷泵叶轮在设计工况下的等效应力及变形分布情况,基于FSI原理对旋喷泵叶轮进行了结构分析。采用多物理场协同仿真平台ANSYS Workbench,基于单向流固耦合原理对旋喷泵叶轮结构进行了仿真计算,同时对单独施加离心力载荷或流场压力载荷的旋喷泵叶轮应力与变形分布情况进行了仿真。结果表明,在设计工况下叶轮应力分布不均且在局部区域存在应力集中现象;叶轮变形随半径的增大而增大,并在叶轮边缘达到最大值0.095 887 mm;离心力惯性载荷是影响叶轮应力与变形分布主要因素。     

不同湍流模型在斜流泵性能预测中的应用

为研究不同湍流模型在斜流泵性能模拟上的差异,以比转速为425的斜流泵为研究对象,选取κ-ε、κ-ω、SST、RNGκ-ε四种湍流模型,对斜流泵设计工况下的内部流动进行数值计算,并分析各湍流模型在斜流泵内流计算中的适用性。结果表明,SST模型预测的扬程偏差较大,为7.69%,其余模型扬程预测偏差均小于5%,其中RNGκ-ε模型扬程预测偏差最小,为3.76%;SST模型预测的效率偏差最大,为3.70%,κ-ε模型和κ-ω模型的效率偏差最小,均为3.00%;4种模型在吸入段及导叶处的轴向速度分布基本一致,κ-ω模型对叶轮轴向速度预测的高速域范围略优于其余三种模型;κ-ε模型和RNGκ-ε模型对斜流泵涡量预测结果较为相似,而κ-ω模型和SST模型的预测结果比较接近。研究结果可为预测斜流泵性能和内部流动特性提供参考。     

基于流固耦合的轴流泵叶轮强度分析

对某泵站卧式双向全调节轴流泵在正向抽水工况时各个转角下的叶轮强度进行了单向流固耦合计算,首先将CFD计算得到的叶片表面水压力作为结构面载荷加载到叶片上,再利用有限元软件ANSYS计算叶轮的强度,得到了各个工况下叶轮的静应力分布及变形情况。结果表明,在各叶片安放角下,叶轮静应力最大值随着扬程的升高而增大,且均出现在叶片与轮毂的结合处,应力集中易使此处产生疲劳破坏;最大变形量出现在叶片进水边靠近轮缘位置;静应力的最大值远小于叶轮材料的屈服强度,不足以使叶轮产生裂纹。     

基于流固耦合的多级冲压泵转子部件强度和模态分析

为保证冲压泵的运行稳定性和安全性,采用单向流固耦合方法,计算并分析了某型号多级冲压泵的转子部件在各种工况下的等效应力、变形量分布及模态。对泵内部三维湍流流场进行定常计算,获得泵内的流动参数分布;进而将流动载荷施加到泵的过流部件表面,采用有限元分析方法对泵叶轮进行强度校核,并对整个转子部件进行模态分析。研究发现叶轮上的最大等效应力出现在轮毂处,最大变形量则出现在叶片外缘处,且最大等效应力和最大变形量随级数的增加而减小;随着流量的增大,叶轮所受的最大等效应力逐渐减小,但最大变形量却逐渐增加。研究成果可为冲压泵的优化设计提供参考。     

基于CFX单圆弧空间导叶斜流泵的数值模拟

利用流体计算软件ANSYS-CFX,采用基于三维不可压缩流体的N-S方程和标准κ-ε湍流模型对带有单圆弧空间导叶的斜流泵进行了数值模拟,通过分析其整体静压分布、速度分布及三个典型工况下叶轮叶片的静压分布、吸力面的速度分布、导叶片压力及速度分布等,揭示了其内部流场的主要特征,预测了泵的水力性能。对比了模拟结果与试验结果,验证了数值模拟的可靠性,说明带单圆弧空间导叶的斜流泵在一定流量范围内能满足工程实际的需要,且在加工制造方面优于扭曲的空间导叶。     

斜流工况下喷水推进器叶轮空化特性的数值研究

针对喷水推进器斜流工况时叶轮内部的空化问题,采用SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,对不同斜流角下的喷水推进器流场特性进行了数值模拟,获得了斜流角对喷水推进器水力性能、叶片表面空泡分布以及叶顶间隙区空化分布等方面的影响特性。结果表明：斜流角〖JP2〗从0°逐渐增大至40°时,推进泵的质量流量、扬程增加,效率则递减,约减小了3%;随着斜流角增大,依次影响多个叶片表面的空化分布,叶片表面空化区域从吸力面进口边向出口处不断发展;叶顶尖隙内的泄漏流、叶顶泄漏涡及卷吸区的空化范围随斜流角的增大不断扩展,并发生相互干涉和混合,最后叶顶区空化趋于稳定状态;随着斜流角的增大,叶顶进口附近处的空化和涡量分布发展规律具有相似性。     

后置蜗壳斜流叶轮内部射流-尾迹数值研究

采用商业软件Numeca的Fine／Turbo模块,对包含斜流叶轮、蜗壳-体的斜流风机进行整机计算,并在与已有试验数据进行了较好吻合的基础上,对其内部流场进行详细的数值分析,证实斜流叶轮内部也存在离心式叶轮中古典的射流-尾迹结构。研究结果表明：由于蜗壳高度非对称性,使各叶轮内部射流-尾迹结构也完全不同。进一步研究表明,造成这一现象的根本原因在于非对称蜗壳的存在改变了叶轮顶部的叶顶泄漏流动。     

电站轴流风机旋转失速工况下的叶轮静力特性研究

基于Realizable k-ε湍流模型对某电站轴流风机旋转失速工况下的流场进行了数值模拟,并基于有限元分析方法结合流固耦合理论,利用Ansys软件对旋转失速工况下的风机叶轮进行流固耦合研究.结果表明:风机进入旋转失速状态后,叶轮内存在一个与叶轮旋转方向相同的失速团;叶轮的等效应力分布主要受离心力载荷的影响,旋转失速对叶轮等效应力分布的影响较小,叶轮的最大等效应力小于材料的屈服强度,未达到屈服状态;气动力载荷对叶轮的总变形量有显著影响,旋转失速发生后,失速团中心所在区域的总变形量最大,较设计工况下增大了72.2%.     

导叶式混流泵水力性能优化的数值模拟

以导叶式混流泵为例,通过改变叶片截面的扭曲角和导叶的扫掠角度,对混流泵进行了优化设计,进而采用数值模拟方法分析了混流泵的水力性能。结果表明,在一定范围内,调整叶片的扭曲角度会使泵段效率上升;增大导叶的扫掠角度,导叶翼型的表面流线分布会更加均匀,可有效避免导叶表面的脱流漩涡,优化后的混流泵段效率比优化前提高了8.36%。     

基于CFX的混流泵内流场数值模拟

基于三维不可压缩流体的N-S方程和RNGκ-ε湍流模型,采用流体计算软件ANSYS-CFX计算了额定转速下190～300L/s流量范围内9个工况点的某混流泵内部流动,研究了小流量工况、最优工况和大流量工况等工况下叶片压力面、吸力面的静压分布及各断面翼型附近的相对流速分布;通过分析混流泵内部流动速度和叶片表面静压分布,揭示了其内部流动的主要特征。预测了泵的水力性能,并与泵模型性能试验结果进行了对比。结果表明,最优工况时数值模拟与试验结果吻合较理想,满足工程实际的需要。     

基于不同湍流模型的混流泵内部流动及性能研究

以低比转数混流泵为例,基于CFX软件,分别选取标准κ-ε模型、RNGκ-ε模型、剪切应力传输SSTκ-ω模型、BSLκ-ω模型4种湍流模型,模拟了该混流泵在设计工况和非设计工况下叶轮内流场的流动分布及叶片压力变化情况,并对比分析了外特性计算结果与试验结果。结果表明,基于4种湍流模型的计算结果与试验结果均基本一致,其中基于标准κ-ε模型的扬程、效率的预测结果与试验结果更为接近。     

带前置诱导轮的复合叶轮型离心泵数值分析

以对带前置诱导轮的复合叶轮型两级离心泵的流动为研究对象,分析了设计工况下离心泵内部的定常流动。利用计算后的离心泵性能参数绘制其性能曲线,并与实验得到的性能曲线作对比,证明数值分析在一定程度上的可靠性。基于数值计算准确性的前提下,分别计算短叶片不同偏置位置的流场,对比计算后绘制的性能曲线,说明短叶片向吸力面偏置可以改善离心泵内部的外特性。     

双流道叶轮压出室内流动的数值模拟分析

应用CFD技术模拟计算了双流道式泵包括叶轮及压出室在内的全三维湍流场,证实了双流道压出室内流动分布不均匀并随叶轮转动而变化、叶轮转动到不同位置时泵的效率和扬程不同、基圆大小不同时压出室第Ⅰ断面内流场分布存在显著差别。计算结果有助于深入了解双流道叶轮压出室内部流动机理,对双流道叶轮压出室的水力设计提供参考。     

叶片进口边位置对小流量工况下离心泵空化特性的影响

为研究叶片进口位置对小流量工况下离心泵空化性能的影响,应用数值计算方法模拟了比转数为81的离心泵的三种模型,得到不同进口边位置的离心泵空化特性,并分析了叶轮内部流场与空化性能曲线的影响关系。结果表明,在小流量工况下,低比转速离心泵叶片进口边位置越靠前,抗空化性能较好,但严重空化后扬程衰减更快,流道直接被空泡堵塞,流道和叶片表面气泡分布较均匀,且气泡充斥流道速度较快,气泡体积分数各流道差值越小。相比较而言,叶片进口位置越靠后,气泡在流道内部和叶片背面分布不均匀,易出现噪声和振动,但在断裂空化状态,气泡并未完全堵塞流道,扬程下降速度较慢。整体来看,在小流量工况下,叶片进口边位置越靠前,离心泵的抗空化性能较好,并通过试验研究验证了模拟结果的可靠性。研究成果可为小流量工况下低比转速离心泵抗空化性能的优化提供参考。     

混流泵作透平的数值计算与试验

为探究混流泵作透平内部的流动特性,选取1台比转速为220的混流泵进行外特性试验,采用全流场和结构化网格技术对透平内部流动状况进行数值模拟,得到不同流量工况下透平内部的流场分布和压力分布,并用速度三角形对透平内部流场变化进行分析。结果表明,透平进口到出口压力逐渐降低,随着流量增加,透平进出口压差逐渐增加,叶轮内部涡漩位置和大小发生变化,尾水管内液流圆周分速度方向发生变化;透平总水力损失随流量的增加而增加,其中叶轮水力损失占比最高,因此混流泵作透平的优化应集中在叶轮部分。     

高比转数双吸离心泵叶轮切割内部流场数值模拟

为深入分析叶轮切割对高比转数双吸离心泵内部流动状况及性能的影响,采用数值方法对三台高比转数双吸离心泵进行了叶轮切割研究,对每台泵所装叶轮均进行4次切割;预测得到了泵的H-Q、η-Q、P-Q特性曲线与内部流场压力、速度等参数的分布云图及其随叶轮切割的变化情况,根据性能预测结果得到了最优工况下叶轮的切割指数。结果表明,当叶轮逐步切割时,泵的流量、扬程、轴功率均逐步降低;切割量较小时,泵的效率基本不变;随着切割量的增大,泵的效率开始下降,当切割量达到15%时效率下降明显;随着叶轮直径的逐步减小,泵内部压力场及速度场分布不均匀性增加;由数值计算所求得的切割指数与传统切割公式中的切割指数存在不一致性。