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。     

叶片数对泵作液力透平的性能影响

叶片数是泵作液力透平时的主要几何参数之一,为了明确叶片数对泵作液力透平时的性能影响,基于N-S方程和标准k-ε湍流模型,采用SIMPLE算法,应用FLUENT流场模拟软件对不同叶片数下的泵用作液力透平时进行了数值计算,得到了不同叶片数下液力透平的外特性曲线并分析内部流动规律。结果表明:对于低比转速离心泵作液力透平,随着叶片数的增加,流量从最高效率点向小流量偏移时效率下降的梯度增大,而从最高效率点向大流量偏移时效率呈现先增大后减小的变化趋势,另外液力透平的最高效率点随叶片数增加向小流量偏移;压头随叶片数的变化在小流量变化相对较小,而在大流量工况时,随着叶片数的增加呈现逐渐增大的趋势。内流场分析表明,随着叶片数的逐渐增加,透平叶轮中漩涡区域逐渐减小,叶轮内部的流动有很大的改善。但结合外特性分析发现,叶片数过多的增加反而不利于透平性能的提升,因此,对于具体参数组合的液力透平,存在着最佳叶片数使得泵作液力透平的性能达到最优。     

低比转速泵反转透平性能换算修正方法

离心泵反转作透平(PAT)可回收液体能量。泵工况和透平工况流量、扬程换算关系H_t/H_p、Q_t/Q_p是PAT选型设计与性能预测的关键,而现有的换算关系对低比转速PAT误差较大。通过分析放大系数及速度滑移对低比转速PAT性能换算关系的影响,得到一种性能换算的修正方法。对比转速为33～86的8台PAT采用数值模拟软件FLUENT 17.0进行数值计算,分别得出其扬程、流量换算关系的修正系数。该修正系数与比转速的关系通过多项式拟合得到。采用已公开的7台低比转速PAT试验结果验证,与其他方法相比采用该修正系数计算的H_t/H_p、Q_t/Q_p误差约减小3%～15%。针对低比转速PAT的选型设计和性能预测该方法可提供理论指导。     

气液两相条件下液力透平内水力损失分析

为了研究气液两相条件下液力透平各过流部件内水力损失的分布情况,现选择比转速为55.7的单级单吸离心泵反转作液力透平,并对该模型在不同流量、不同含气率下进行数值计算,分析含气率变化对液力透平内水力损失分布规律的影响。研究发现:液力透平内主要水力损失发生在叶轮和蜗壳内,叶轮内水力损失约占总水力损失的55%,蜗壳内水力损失大约占总水力损失的39%;含气率对叶轮内水力损失影响最大,含气率越高液力透平各过流部件内水力损失以及总的水力损失越大。研究结果为液力透平结构的优化设计提供理论依据。     

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。     

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...     

泵反转液力透平转速特性研究

为了研究液力透平的转速特性,采用Fluent软件动网格中的SDOF求解器对一台比转速为48的离心泵反转作液力透平进行数值模拟,分析了液力透平在启动过程中转速的变化规律。结果发现：随着转速的增大,透平高效区变宽,高效点明显向大流量偏移。流量越大,透平的飞逸转速就越大,各流量工况下的飞逸转速约为额定转速的1.4倍。在负载系数B_g为1.4905时,其负载力矩达到临界值,继续增加负载,叶轮不在工作,此时的水动力矩小于负载力矩。     

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。     

单驱动型水力回收液力透平研制综述

结合企业成熟的离心泵设计基础,选用优秀的离心泵水力模型作为液力透平的水力模型设计基础,研发了单驱动型液力透平装置。研发工作主要有3个方面:泵作液力透平的水力性能优化、液力透平的测试技术、液力透平与工艺匹配性。运用最新的水力设计理论和先进的CFD分析方法提高了液力透平的综合性能,制定了运用于液力透平测试的测试手段,完成了液力透平的性能测试。液力透平在相应工况下与系统参数的匹配,成功突破了流量变化对单驱动型液力透平运行的限制范围,提高了能量回收效率。这对单驱动液力透平的研制工作具有实际指导意义。     

不同转速下液体透平的性能研究

为了明确转速对离心泵作液力透平的性能影响,本文基于Navier-Stokes方程和标准的湍流模型,采用SIMPLE算法,应用商业软件ANSYS-FLUENT对转速分别为750,1000,1500,2000和2900 r/min下的液力透平进行了数值模拟,得到了不同转速下液力透平的外特性曲线。结果表明:对于所研究模型而言,随着转速的不断增大,液力透平最优效率点的效率呈增大趋势,但增加梯度相对较小;最优效率点的流量与转速呈线性增加的趋势;扬程与功率均随着转速的增加而增大,其中扬程在小流量工况时增加梯度较大,而在大流量工况时增加的梯度相对较小;功率的变化规律恰好与扬程变化规律相反,即功率随着转速的增大在小流量工况时增大梯度较小,而在大流量工况时急剧上升。另外,根据不同转速下液力透平的性能特点得出:在小流量工况时,降速对提高液力透平的效率有显著作用,与之对应,在大流量工况运行时,增加转速也可以提高液力透平的能量回收能力,但前提是需要保证结构强度满足要求。总之,该研究结果可对液力透平的经济运行提供部分参考。     

叶片包角对可逆式泵性能影响的数值研究

为了有效利用能源,将泵在透平工况下运行回收高压液体能量,是节能技术的研究方向之一。叶片包角是可逆式泵设计时的主要参数之一。以比转速72的离心泵为研究对象,分别对不同叶片包角的叶轮进行了泵和透平工况的全流场数值研究。研究结果表明:对于可逆式泵,存在最佳叶片包角使泵的效率最高。随着叶片包角的增大,泵工况下的流量扬程曲线更加陡峭,轴功率逐渐减小;透平工况下的扬程、轴功率逐渐增加,流量扬程,流量轴功率特性曲线越来越陡峭。流场分析结果表明,叶片包角的增加,有效的改善了叶轮内部流场分布,使泵内部的流场分布更加均匀,研究结果对于可逆式泵的设计具有一定的指导意义。     

Analysis of inner flow in low specific speed centrifugal pump based on LES

To investigate unsteady flow in the low specific speed centrifugal pump, a three-dimensional model of a pump that n _s is equal to 50 is modeled with the software Pro/E. With standard k-?, SST k-ω and RNG k-? turbulence model, the testing performance of pump is compared with the simulated results. Based on the result of steady flow, the unsteady flow of RNG k-? turbulence model and large eddy simulation (LES) are calculated at both design and off-design conditions. The time domain of pressure fluctuation value of indicator points, which are located interfaces between volute and impeller, has been investigated numerically. The unsteady flow characteristic of pump with RNG k-? turbulence model is compared with LES. The distribution of vortex in the volute is discovered. The results show that in steady flow, an error of 2.6% of RNG k-? is the lowest, SST k-ω of 3.65% is second and the worst is standard k-? of 4.78% at design condition. The calculated precision using RNG k-? model is highest in steady condition. Because of the interaction of relative movement between volute and impeller, the pressure fluctuation can clearly be observed. The flow separation of the blade pressure surface and the stall channels in off-designed condition is the reason that the efficiency of pump operating under off-design condition is low. The vortex intensity is obviously different in the eight sections of the volute and is gradually increasing from first section to eighth section. Large eddy simulation can discover the unsteady flow of the centrifugal pump effectively.     

固液两相离心泵内部非定常流动特性研究

为研究固液两相流离心泵内部的非定常流动特性,基于滑移网格方法,采用RNGκ-ε湍流模型以及ASMM代数滑移混合物模型,对一台高比转速固液两相离心泵内部流场进行非定常流动的数值模拟,通过分析清水工况数值计算结果、外特性性能实验结果以及固液两相流非定常数值计算结果,获得了非定常条件下固液两相输送离心泵的瞬时外特性曲线和内部流动及磨损规律。研究结果表明:在一个转动周期内,离心泵的扬程、效率和轴功率均呈现正弦波动特征;动静干涉效应使得叶轮出口处的速度和静压分布均呈现周期性波动;模型泵叶轮前后盖板的磨损情况比蜗壳壁面的磨损严重。上述计算结果可为实现高比转速固液两相流离心泵的优化水力设计和减轻磨损提供一定的理论参考。     

离心泵蜗壳内非定常流动特性的数值模拟及分析

基于RNG k-ε湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对离心泵内部非空化和空化工况下的非定常流动特性进行数值模拟,分析空化模型中凝结项经验系数对数值模拟结果的影响,并根据试验结果修正离心泵空化流动数值模拟中凝结项经验系数;数值模拟得到的离心泵扬程随有效空化余量的变化曲线与试验结果吻合较好,验证数值计算模型和方法的准确性和可靠性。数值模拟结果表明：离心泵非定常流动中,非空化、临界空化和充分发展空化工况下,蜗壳内监测点的压力脉动主频均为叶片通过频率;空化对离心泵蜗壳内压力脉动的影响较大,非空化时压力脉动最大幅值在蜗舌处,空化时压力脉动最大幅值在第1断面附近,其原因是离心泵出现空化时第1断面处旋涡强度增强,且随时间变化剧烈,对流动产生强烈扰动。     

基于CFD技术改善双吸离心泵叶轮性能

介绍了低比速离心泵特点,阐述计算的控制方程和叶轮通道网格划分方法.运用CFD软件FLUENT对不同叶片形式叶轮流道进行三维湍流流动计算.计算采用压强连接的隐式修正SIMPLEC算法和雷诺平均法的RNG k-ε湍流模型.根据计算结果分析叶片形式对流速分布、压力分布的影响,揭示叶轮内流动规律,提高低比速离心泵优化设计的水平.     

Molecular dynamics study of the interfacial slip phenomenon in ultrathin lubricating films

The tribological performance of thin films of a liquid alkane has been studied through a molecular dynamics simulation with particular attention being paid to the phenomenon of interfacial slip. The model system for the simulation consists of two solid walls, with the lubricant molecules confined between them. Molecules of n‐decane (C₁₀H₂₂) were chosen to represent the lubricant molecules. The results of the simulation show: the average velocity of decane molecules in a Couette flow exhibits largely a linear distribution, but with a slip velocity at the solid‐liquid interface; when the simulations are performed at different temperatures, the slip ratios were found to vary with temperature; slip behaviour depends strongly on the solid‐fluid interaction; and slip ratios increase with decreasing film thickness, suggesting that slip in the thin films is a confinement‐related phenomenon.     

流固耦合作用对轴流泵内部流场影响的数值计算

采用雷诺时均Navier-Stokes方程和RNG k-ε双方程湍流模型,基于弹性体结构动力学方程,对轴流泵内部流场和叶轮结构响应进行多工况双向同步耦合求解,研究了流固耦合作用对轴流泵内部流场的影响。结果表明:考虑流固耦合作用后,叶片工作面和背面的压差有所减小,说明叶片性能有所下降;叶片出口处的二次回流现象有所加剧;计算得到的轴流泵水力性能参数更加接近试验值,说明考虑流固耦合后的流场更加接近于真实流场。     

Experimental study of the pressure fluctuations in a pump turbine at large partial flow conditions

Frequent shifts of output and operating mode require a pump turbine with excellent stability. Current researches show that large partial flow conditions in pump mode experience positive-slope phenomena with a large head drop. The pressure fluctuation at the positive slope is crucial to the pump turbine unit safety. The operating instabilities at large partial flow conditions for a pump turbine are analyzed. The hydraulic performance of a model pump turbine is tested with the pressure fluctuations measured at unstable operating points near a positive slope in the performance curve. The hydraulic performance tests show that there are two separated positive-slope regions for the pump turbine, with the flow discharge for the first positive slope from 0.85 to 0.91 times that at the maximum efficiency point. The amplitudes of the pressure fluctuations at these unstable large partial flow conditions near the first positive slope are much larger than those at stable operating condtions. A dominant frequency is measured at 0.2 times the impeller rotational frequency in the flow passage near the impeller exit, which is believed to be induced by the rotating stall in the flow passage of the wicket gates. The test results also show hysteresis with pressure fluctuations when the pump turbine is operated near the first positive slope. The hysteresis creates different pressure fluctuations for those operation points even though their flow rates and heads are similar respectively. The pressure fluctuation characteristics at large partial flow conditions obtained by the present study will be helpful for the safe operation of pumped storage units.     

粗颗粒海底矿石浆体提升电泵研究

基于N-S方程和标准k-ε湍流模型,提出了适用于深海采矿的粗颗粒高扬程提升电泵的优化设计方法,该方法由泵结构参数的优化设计、流动分析、特性预测和反求修正设计四部分构成。应用该方法进行了我国深海多金属结核采矿海试系统八级提升电泵的优化设计、流动分析与特性预测,将该八级提升电泵仿真模拟结果与我国研制的首台两级提升电泵实验结果进行对比,表明该泵能获得较好的工作特性指标,满足多金属结核采矿海试系统的要求,其单级扬程和效率有较大的提高,说明该优化设计方法是合理可行的。     

液力偶合器气液界面追踪数值模拟

部分充液下液力偶合器内部介质运动为离心力场作用下的复杂两相流动,而液相分布形态对涡轮输出特性有着直接影响。为掌握偶合器内液相分布规律,将工作腔内介质运动视为分层流动,采用流体体积法(Volume of fluid,VOF)两相流模型,追踪562型标准桃形腔偶合器内不同工况下的气—液分界面。建立三维周期性流道模型,采用Realizable k-ε湍流模型和压力隐式算子分裂(Pressure-implicit with splitting of operators,PISO)压力耦合算法,并用内部面模拟泵、涡轮间的交互作用,转速比i=1.0和i=0.6时的叶片表面液相分布与文献中试验结果具有高度相似性。仿真结果表明,随泵涡轮间转差增大,气液分界面倾斜加剧,直至形成大的环流,而泵轮叶片压力面液相分布区域增大,吸力面液相减小;低挡圈(R=155 mm)对环流形态影响较小,主要起到限矩作用,而高挡圈(R=175 mm)可抑制大环流的产生。