变工况下气液两相液力透平的性能分析

利用ANSYS CFD软件对基于泵反转的液力透平进行了全三维定常和非定常数值计算,研究了变工况下气液两相液力透平内的气体分布、压力脉动、速度矩分布以及水力损失等性能。对不同工况进行的计算结果表明:小流量工况和最优工况时蜗壳、叶轮内的相对平均静压力和主频振幅都随着含气率的增加而减小;大流量工况稍有不同。蜗壳出口的速度矩呈阶跃分布,阶跃个数与叶轮叶片数相同,同一工况含气率对速度矩的影响不大;高含量率时透平叶轮出口气体出现聚集现象,含气率越高,流动过程中的水力损失越大。本文对研究气液两相介质下的液力透平性能具有一定的参考意义。     

粘度对离心泵作为水能回收液力透平使用的性能和流动影响的CFD研究

离心泵反转作为向心液力透平使用已有50多年的历史,而且以水为工作介质对其性能和流动进行了许多研究。目前它已应用于各种介质的工艺流程中,但尚未进行过有关介质粘度对其性能和流动影响方面的研究。因此,本文首次采用CFD方法研究试验用离心泵反转作为水能回收液力透平使用时液体粘度对透平性能和内部流动的影响。对比了5种液体粘度的透平扬程、输出轴功率、水力效率、进出口速度矩、反击系数等参数,得到了最优工况透平和泵性能依存性以及泵、透平各自性能参数修正系数与雷诺数的函数式。通过各个粘度下透平蜗壳平均出流特性、冲角以及叶轮、蜗壳内的水力损失系数的对比,分析了粘度对内部流动的影响。本文的研究结果对液力透平的工程设计、选型、不同粘度的性能预测和叶轮改型有一定的参考借鉴作用。     

叶轮外径对前弯型液力透平性能的影响*

为研究前弯型叶轮外径对液力透平水力性能的影响,进行试验,获得了液力透平外特性数据,与计算流体动力学(Computational fluid dynamics, CFD)的结果进行对比分析,发现两者结果十分接近,验证了CFD模拟的准确性。利用CFD技术获得了215 mm、235 mm和255 mm叶轮外径液力透平的外特性曲线,发现随叶轮外径的增加,高效点向大流量区域偏移,在大流量区域,扬程大幅下降,轴功率小幅提升,效率有较明显提升,在小流量区域,扬程上升,轴功率略微下降,效率下降明显。对215 mm、235 mm和255 mm外径叶轮的速度场分析,发现随叶轮外径的增加,叶轮与蜗壳基圆之间的循环流量逐渐减小,流动状态得到明显改善,叶轮内水力损失也有较为明显的减小。利用理论公式推测改变了叶轮外径后的液力透平的高效点参数,发现普遍高于CFD模拟结果,分析产生差值的可能原因。对液力透平的轴功率、扬程进行理论分析,探讨其随叶轮外径增加的变化趋势。     

尾水管导流板对离心泵作透平时内部流动的影响

为了研究尾水管导流板对离心泵作透平时内部流动的影响,采用ANSYS-Fluent软件,对增加尾水管导流板的液力透平内部流动状态进行数值模拟。通过安装尾水管导流板,使得尾水管实现收集叶轮出口液流并修正流动方向的作用,从而消除了叶轮流出液体的旋转运动,即消除尾水管中液体的圆周分速度,进而减少了由旋转造成的液力透平水力损失。对比分析了不同工况下有、无尾水管导流板时液力透平尾水管与叶轮内部的流动状态,揭示了尾水管导流板对液力透平各个过流部件流动状态的影响。研究结果发现:通过对透平尾水管加导流板对离心泵作透平尾水管和叶轮内部流场的流动状态有明显的改善,显著提高了泵作透平的水力效率,扩宽了离心泵作透平的高效运行区。     

叶轮切割对回收液力透平性能的影响

为研究叶轮切割对回收液力透平性能的影响,选取比转速分别为46.0、55.7、63.2的离心泵反转作回收液力透平,对各个叶轮外径进行四次切割,应用CFD软件对这三种比转速液力透平在不同切割量下进行数值计算,得到液力透平运行的外特性曲线并分析其内部流动规律。结果表明,对于离心泵反转作回收液力透平,透平的压头随叶轮外径切割量的增大而减小。在小流量工况下随着叶轮外径切割量的增加,叶轮内部流动损失逐渐减小,透平的水力效率呈现上升趋势;在最优工况和大流量工况下随着叶轮外径切割量的增加,叶轮内部流动更加紊乱,产生较大的能量损失,透平的水力效率呈现下降趋势。     

水轮机模式液力透平叶片进口安放角影响分析

针对转轮叶片进口安放角 β1对超低比转速水轮机模式液力透平性能影响规律认识不足的问题,在超低比转速范围内,考虑液力透平水力性能,取不同 β1建立超低比转速混流式转轮三维模型,配合过流部件构建超低比转速水轮机模式二级液力透平模型,采用ANSYS FLUENT仿真软件对液力透平内部流动特性和能量特性进行计算,对比数值模拟结...     

水轮机模式多级水力透平流道结构型式研究

针对传统反转泵式水力透平效率低、运行范围窄的缺点,提出一种水轮机模式水力透平设计理念,并基于水力原动机理论,设计出水轮机模式水力透平转轮。同时,为研究开发合适于该模式水力透平的流道,借鉴常规水轮机流道、阶段式多级泵流道以及深井泵式S型流道,设计出适合水轮机模式多级水力透平的18种流道型式。通过CFD数值计算,分析了各方案中过流部件内部流动状态,通过对进水室分析发现:蜗壳式进水室水头损失最小,环形进水室由于其内部流动紊乱,存在脱流和旋涡,水头损失最大,比蜗壳式进水室水头损失高28 m;通过对级间导叶分析发现:新型空间导叶内部流动平稳,水头损失最小,但其轴向尺寸大,不适用于多级水力透平。为优选出一种结构紧凑,水力性能好的水轮机模式水力透平流道,基于模糊数学评判方法,以效率为主要目标,综合考虑流道的结构、尺寸和加工制造因素,全面评价18种流道方案。评价结果表明:采用蜗壳式进水室和同径级间导叶的方案1,其空间尺寸适中,加工制造简单,通过对其性能曲线的分析发现:该方案效率达到80.24%,高效区宽,水头回收性能达到设计要求。     

蜗壳内水力损失模型的研究

通过对蜗壳内水力损失模型的分析,建立了蜗壳内水力损失的数学表达式,指出蜗壳内的水力损失为叶轮出口几何参数及蜗壳喉部面积的函数,其大小受叶轮与蜗壳间匹配关系的影响,并以此为依据,利用面积比原理对建立的数学表达式进行了修正.最后将该数学表达式应用于离心泵整机的优化设计,得到了较满意的结果.     

反转泵液力透平速度滑移机理

速度滑移对液力透平的水力性能和内流特性有一定影响。以反转泵液力透平为研究对象,评估不同湍流模型对液力透平水力性能影响的敏感性,通过数值模拟与试验值误差分析发现,采用RNG k-ε湍流模型预测液力透平水力性能具有较高的可信度。选用RNG k-ε湍流模型和CFX17.0,分析透平内速度滑移机理及速度滑移量化指标,进一步对比液力透平和离心泵速度滑移的大小及流动机理。研究发现：液力透平叶轮内存在速度滑移现象,速度滑移导致透平水头降低,并诱发了附着于叶片工作面的旋涡。透平滑移系数随比转速变化而变化,数值在0.2～0.4。比较反转泵液力透平透平工况与泵工况的滑移系数发现：当比转速大于50时,透平工况的滑移系数比泵工况的小,比转速低于50时,出现了透平工况滑移系数高于泵工况的情形。     

离心泵作透平最佳工况点下的瞬态流动特性分析

为揭示离心泵作透平在最佳工况点下主要过流部件的瞬态流动特性,采用修正的PANS模型对一台比转速为90的离心泵作透平的瞬态流动特性进行数值模拟,通过试验验证数值计算的准确性;根据叶片的进、出口速度三角形计算理论最佳工况点,并对最佳工况下叶栅内部的流动规律进行预测;对蜗壳、叶轮在最佳工况点下的内部瞬态流动特性进行分析。结果表明,叶轮理论进、出口最佳工况点分别为55 m³/h、108 m³/h,实际最佳工况点为80 m³/h;叶片与蜗壳隔舌的动静干涉会促进隔舌前缘旋涡的脱落,当叶轮前缘与隔舌前缘平齐时,蜗壳内压力脉动强度最低;叶栅内旋涡的脱落频率约为2f_n,涡量的演变主要由其输运方程中的拉伸项及科氏力项共同主导;吸力面附近涡量的演变对叶轮前、中部流道内的压力脉动影响较大,而叶片尾缘涡量的演变对叶轮出口处的压力脉动影响较大。研究结果可为提高离心泵作透平在余能回收系统中的运行稳定性提供参考。     

核主泵叶轮与导叶叶片数匹配规律的数值优化

为了阐明核主泵叶轮和导叶叶片数匹配特性对水力性能的影响。以缩比系数为0.5的模型泵为研究对象,基于核主泵几何参数,建立叶轮叶片数Z1和导叶叶片数Z2的多种匹配方案,通过数值方法预测多种匹配方案下核主泵设计工况下的水力性能。结果分析表明:只改变叶轮叶片数时,随着叶轮叶片数的增加,叶轮与泵扬程的增加趋势逐渐变缓;只改变导叶叶片数时,导叶叶片数的选取对核主泵效率影响的最大差值为8.48%。导叶和压水室内漩涡区和水力损失主要集中在以泵出口为起点沿叶轮旋转方向的半球形区域,且环形压水室的水力损失在总损失中所占比重最小为36.4%,表明环形压水室是核主泵水力损失最大的过流部件。根据多种叶片数匹配方案的结果分析,表明设计工况下核主泵叶轮与导叶叶片数的最佳匹配值为(Z_1=4,Z_2=9)、(Z_1=5,Z_2=12)、(Z_1=6,Z_2=11)和(Z_1=3,Z_2=7),即导叶叶片数在叶轮叶片数的2倍附近且两者互质时,泵的水力性能达到最佳值。研究结果为核主泵叶轮和导叶叶片数的选取提供了理论依据。     

梯形断面蜗壳式离心泵作透平叶轮的设计与试验

为提高非圆形断面蜗壳式离心泵作透平的效率,以一比转速为193的梯形断面螺旋形蜗壳式离心泵为原型,设计了适应此类泵作透平运行的透平专用叶轮。根据原型泵梯形断面蜗壳几何参数,依据面积相等的原则,推导梯形断面几何参数与当量圆断面半径的换算关系式;依据等速度矩定律确定叶轮进口速度矩,推导出叶片进口安放角与设计流量的关系表达式;对于叶片进口较宽的情况,在轴面投影图中划分三条流线,分别计算三条流线与叶片出口边交点处的出口安放角;基于ANSYS BladeGen与NX软件建立新叶轮的三维模型,制作试验叶轮,开展外特性试验,并进行数值模拟分析。结果表明:新叶轮将透平最高效率由71.9%提高到了77.3%,较原型叶轮透平最高效率提高了7.5%,且新叶轮在75~130 m~3/h的流量区间均能高于72%的效率运行,效率曲线较平坦,高效区运行范围宽。数值计算结果分析表明新叶轮进口能较好地适应螺旋形蜗壳的出流;从叶片进口到叶片出口,液体压能得以较均匀地转换,叶轮内的水力损失较原型泵叶轮内部显著减小。透平试验高效点与给定的设计流量一致,验证了该文提出的透平叶轮设计理论和方法是合理可行的。     

单级跨音速离心压缩机叶片扩压器和不同蜗壳形式耦合的内部流动数值研究

对单级跨音速离心压缩机具有对称和非对称两种形式的圆形截面蜗壳的内部流动进行数值研究, 分析蜗壳内部流动以及蜗壳与扩压器相互作用所导致的流动现象和不同工况条件下蜗壳进口周向流动的不均匀性以及两种蜗壳布置形式下各部件的流动损失.计算结果表明:在设计流量下和大流量下,对称蜗壳的蜗舌附近叶片扩压器通道中出现了回流,发生位置都在叶片扩压器叶片凸面;偏心蜗壳仅在大流量时出现回流现象,蜗舌附近区域内部流动情况略好于对称蜗壳.在非设计流量下,静止部件内部损失均大于设计流量,其中在大流量下尤为明显:扩压器内部损失在静止部件总损失中均占到80%以上,蜗壳内部损失小于20%;小流量下叶片扩压器内部损失所占比例小于大流量工况.     

泡状入流条件下离心泵喘振特性试验研究

设计离心泵全流道可视化试验装置，结合高速摄像技术研究泡状入流条件下离心泵的喘振特性，揭示叶轮内气液相分布与泵喘振的关联机制，分析入口体积含气率、液相流量和转速对泵喘振特性的影响，并基于研究对象和试验结果，对比几个典型泵喘振临界体积含气率预测关联式。结果表明，离心泵的喘振主要受泵内气液两相分布影响，当叶轮内流型由气囊流转变为分离流时，泵发生喘振现象；入口体积含气率增加直接导致泵发生喘振，入口体积含气率的变化影响叶轮内流型，进而影响泵的性能；离心泵喘振条件下，通过合理调节液相流量来改变泵内流型，可以减轻泵的喘振；增加转速可以延缓叶轮内气液分离，推迟泵喘振现象发生，增加泵的携气能力，进而改善泵的性能。已有的喘振预测模型获得的临界体积含气率与试验结果相比尚存在一定的偏差，目前仍然缺乏针对蜗壳式离心泵的喘振预测模型。     

叶轮进口宽度对液力透平性能的影响

针对叶轮进口宽度对液力透平性能影响规律的认识不足问题,建设了一开式液力透平实验台,对一单级液力透平进行了实验研究,得到了该比转速液力透平的外特性曲线。采用结构化网格技术对液力透平进行了全流场数值计算与分析,数值与实验相结合,验证了数值计算的准确性。对不同进口宽度透平叶轮的数值计算结果分析表明,随着透平叶轮进口宽度的增加最高效率点向大流量偏移,大流量时的效率逐渐增加;对于一定几何参数组合的液力透平,存在最佳叶轮进口宽度使液力透平最优工况点效率最高;透平的流量扬程曲线随叶轮进口宽度的增加变得更加平坦;透平的轴功率变化相对较小。     

蜗壳对离心式潜水排污泵性能影响的研究

针对WQ100-18-7.5型潜水排污泵,研究了不同蜗壳对泵性能的影响。对初始设计的泵进行外特性试验,发现泵扬程不足,效率较低。又以数值模拟作为研究手段,分析了设计工况下泵内部的流动、速度矢量及静压分布,研究结果表明:叶轮压力面靠近进口处出现明显的脱流及旋涡,蜗壳出口堵塞严重,隔舌附近压力梯度大,导致叶轮出口液流角发生较大改变,泵内部流场不均匀,并发现蜗壳内部损失与叶轮做功大小的比值为61.5%。通过采取增大蜗壳扩散段的过流断面面积,提高蜗壳出口距离中心的高度等优化措施后,再以同样的方法进行数值模拟,结果发现优化后的泵内部流场获得明显改善,叶片压力面上的旋涡程度减弱,蜗壳内部压力分布均匀,出水顺畅。将优化后的蜗壳经加工制作后进行外特性试验,扬程提高12.46 m以上,机组效率增加约40%。     

磁悬浮鼓风机气动性能数值模拟与试验研究

以某型磁悬浮鼓风机为研究对象,对某不同流量工况下的效率、压比等性能参数进行了数值模拟,并通过试验测试,对数值模拟方法的有效性及结果的准确性进行了验证。研究结果表明:半开式叶轮叶顶间隙对效率有明显的影响,且存在敏感间隙区域,可在敏感区域内选择实际装配间隙值,既保证安全又保证效率;扩压器、蜗壳等静止部件效率损失使整机效率比叶轮效率降低约7%,降低静止部件的效率损失可作为提高整机效率的另一个途径。     

黏度对混输泵内气相分布规律的影响

为了深入探究液相黏度对混输泵内气相分布规律的影响,基于两相流模型和标准的k-ε湍流模型,本文利用FLUENT软件以3种不同黏度的液体为液相介质对三级轴流螺旋式油气混输泵在设计工况、入口含气率30%条件下进行数值计算,总结了液相黏度对混输泵内气相分布规律的影响。结果表明:黏度越小对叶轮内和首级动叶轮叶片上气体分布影响越大,且当介质为重质油时混输泵内轴向方向上的气相体积分数基本保持不变。另外黏度对首级动叶轮叶片进口附近的气相体积分数的影响也较大。研究结果可为增强混输泵输送效率和水力稳定性提供参考。     

叶顶间隙对汽车水泵压力脉动影响的数值研究

汽车水泵作为汽车冷却系统中的重要部件,对发动机性能有着重要的影响。基于SST k-ω湍流模型,对不同尺寸下叶顶间隙的汽车水泵进行了非定常数值计算,研究了其内部流场和压力脉动特性。结果表明:在不同的叶顶间隙下,泵内流场的压力脉动特性均表现出明显的周期性变化,各监测点压力脉动峰值均出现在叶频处,同时随着叶顶间隙的增大,叶片上和蜗壳内的压力脉动是逐渐减弱的;泵内压力梯度也随着叶轮旋转呈现周期性变化,随着叶顶间隙的增大,叶轮、蜗壳和叶顶间隙上的压力是逐渐减小的;叶轮流道内和蜗壳出口处均出现二次流回流旋涡,随着叶顶间隙的增大,叶轮流道内涡强度减弱,蜗壳出口处涡强度加剧。     

出口角对离心油泵性能影响的理论研究

利用流体力学基本理论，研究了不同粘度下出口角对65Y60型离心油泵性能的影响。结果表明，液体粘度增加使离心油泵性能下降的根本原因是泵水力效率和机械效率随粘度增大而大幅度下降造成的。当液体粘度较低时，叶轮对离心油泵性能的影响是主要的；当液体粘度较高时，蜗壳对离心油泵性能的影响是主要的。当液体粘度较高时，叶轮扩散损失、叶轮摩擦损失、蜗壳水力损失和叶轮圆盘摩擦损失是离心油泵的主要能量损失。计算得出的不同粘度下出口角对泵性能影响的规律与实验得出的变化规律基本一致。