移动泵站轴流泵的CFD数值模拟分析

为了研究轴流泵的水力特性,了解不同工况下轴流泵的工作状态并了解其流道内流场特性,基于福建侨龙公司多功能移动泵站轴流泵三维数模,采用fluent软件,选用k-ε湍流模型对模型泵进行数值模拟。通过数值模拟预测了轴流泵的水力特性,并与试验结果进行对比分析,验证了模型准确性。在此基础上,分析了两种不同工况下轴流泵叶轮叶片和导叶表面的压力及速度分布情况,揭示了叶片和导叶的流态以及表面压力在流场中的分布规律。数值模拟结果对深入了解轴流泵内部流动规律和指导水力机械设计有一定的参考价值。     

面积比原理在冲压泵设计中的应用研究

基于面积比原理对冲压泵叶轮出口与导叶进口的匹配进行设计与研究,采用数值模拟和试验研究相结合的方法研究了叶轮出口与导叶进口面积比和导叶进口与导叶到泵腔壁间环形进口面积比对泵内部流场和性能的影响.分别对5种不同面积比的冲压泵模型进行计算分析,结果表明:随着叶轮出口面积F2与导叶进口面积F3比值Y=F3/F2的增大,导叶进口流速越来越小,冲压泵的扬程和效率不断提高,当由Y=1.48增大到Y=3.49时,扬程和效率分别提高了约3.0％和2.0％.随着导叶到泵腔壁间环形进口面积F的增大,导叶出口的平均静压值先增大而后又下降,冲压泵的扬程和效率也先增大后下降,当F=1 680.4 mm2(F/F3=197.2％)时,扬程和效率都达到最大值.     

轴流式水泵非定常湍流数值模拟的若干关键问题

为准确捕捉轴流式水泵不稳定流场特征,采用雷诺时均法和大涡模拟方法对轴流泵非定常湍流进行数值模拟,并就相关问题进行深入研究。研究发现,与其他湍流分析方法相比较,大涡模拟方法在轴流泵非定常流场分析中具有更高的计算精度;同时将轴流泵进水流道与泵段一起进行流场计算后,发现叶轮进口的流动是极不均匀的,靠近弯肘形流道内侧的速度明显大于其他部位,这一现象与通常假定的轴流泵进口流动是均匀的设计与分析理论有很大区别。研究还发现,为了获得轴流泵流场内不同压力脉动频率成份,脉动计算的采用样时间应不少于8个旋转周期;轴流泵内部的水压力脉动幅值在叶轮附近区域沿半径逐渐增大,而在导叶出口之后沿半径逐渐减小。     

轴伸式贯流泵装置全流场三维湍流数值模拟

为探讨轴伸式贯流泵装置双向运行时的内部流动结构并进行性能预测,应用三维湍流Navier-Stokes、Realizable 两方程湍流模型、壁面函数法和滑移网格技术,进行泵装置双向运行时的全流场三维湍流数值模拟研究。计算所采用的模型贯流泵具有特定的S形叶片及正向运行时的后置弯曲导叶。研究结果揭示了贯流泵装置正、反向运行时的全流道速度等值线、静压等值线、出水流道断面矢量及出水流道的流线形状特征,探讨在泵装置实际安装条件下泵与流道的相互影响,进行泵装置性能的数值模拟预测,并与试验结果进行比较分析。数值模拟结果表明,泵段的出口流态及导叶对流道的流动结构有很大的影响,扩散形流道对流道进口流态反映敏感,无导叶的直形泵装置出口扩散流道内的流动为轴向旋涡、环形旋涡、轴向流动的叠加,数值模拟计算预测泵装置性能的方法是有效、可行的,能够满足工程需要。     

化工轴流泵的非均匀导叶布置

化工轴流泵的工作介质特性使其不便设置导轴承,导致泵转轴缩短,叶轮出口至弯管进口之间只有一段很短的垂直空间,在该空间采用常规导叶布置会恶化水力性能,而化工泵中通常不设置导叶的做法又会使叶轮出口圆周速度分量对应的能量在流道中逐渐损耗。为提高机组效率,采用计算流体力学(CFD)方法分析了均匀布置导叶时的流场特点,发现导致水力性能恶化的原因,提出非均匀导叶布置方案,并进行了数值模拟及对比。结果表明,合理的非均匀导叶布置方案能有效改善装置水力性能。     

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。     

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。     

燃油汽心泵的数值模拟与试验

作为离心泵的一种演变泵型,燃油汽心泵在航空发动机中应用前景良好,叶轮区形成的汽心对泵的工作状态和性能影响较大。基于RNG κ-ε湍流模型对汽心泵内流场进行了非定常汽液两相数值模拟,研究了进口节流活门开度与出口负载对汽心区域的影响规律。为验证数值模拟结果的精度,利用汽心泵样机开展了基本特性试验。结果表明,汽心泵内燃油汽化发生于叶轮进口端;汽心区域随出口负载减小逐渐扩张。扩张至叶片区后,燃油全部从叶片压力面一侧流道进入蜗室;其他工况不变时汽心区随节流活门开度减小而迅速扩张,2mm开度时泵的效率最低可降至20%以下。数值模拟与样机试验误差基本在10%以内。     

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。     

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。     

Numerical investigation of two-phase flow characteristics in multiphase pump with split vane impellers

Multiphase pump is a cost-effective option for subsea oil and gas field development. The ability to handle different inlet gas volume fractions (GVFs) especially high inlet GVF is critical to the development of pump performance. In this study, the two-phase flow characteristics in normal impeller and split vane impeller at different inlet GVFs were investigated by steady numerical simulations. The gas distribution on blade-to-blade plane and meridional flow channel at different inlet GVFs were analyzed and compared. Gas accumulation area and movement characteristics of the gas-liquid flow in impeller flow passage were also pointed out by unsteady simulations. Experimental results of the pump differential pressure were compared with the numerical simulation results, to validate the accuracy of numerical simulation method. The flow characteristics in pump with modified impeller and its performance at different inlet GVFs were both compared with that of the normal impeller. The steady simulation results of normal impeller in different inlet GVFs show that gas concentrating area in the flow passage increases as inlet GVF grows. The unsteady simulation results indicate that gas pocket firstly occurs on the pressure side of impeller, then moves to the suction side in the middle area of blade and finally transfers to outlet of impeller and disappears. The errors between numerical simulation results and experiment data are below 10 %, which validated the feasibility of the numerical simulation method. Simulation results on the split vane impeller demonstrate that the gas accumulation area in flow passage of the modified impeller is dramatically decreased compared to that of the normal impeller. The performance of the modified impeller is generally better than the normal impeller especially in high inlet GVF conditions.

     

Computational study on the performance improvement of axial-flow pump by inlet guide vanes at part loads

In order to investigate the influence of adjustable inlet guide vanes on the hydraulic performance of axial-flow pump and impeller, the axial-flow pump with different inlet guide vane adjustable angles was simulated based on the RNG k-ε turbulent model and Reynolds time-averaged equations. The multivariate non-linear regression prediction model was established about the effect of adjustable inlet guide vane on the hydraulic performance of axial-flow pump based on the numerical simulation. The performance curves of axial-flow pump with different inlet guide vane adjustable angles were obtained by calculation, showing that the performance curve shifts towards larger flow volume in case the guide vanes are turned from positive to negative angle. With the increase of inlet guide vane positive angle, the optimum operating of pump is closer to smaller operating condition, but the hydraulic efficiency of pump is lower. The larger the flow is, the larger the decreasing amplitude of pump efficiency is. With the decreases of inlet guide vane negative angle, the higher hydraulic efficiency of pump increases first then decreases. The inlet guide vane angle affects the axial velocity distribution of the blade trailing edge.

     

导叶周向布置位置对核主泵压力脉动的影响

基于RNG k-ε湍流模型和滑移网格模型,对核主泵导叶在不同周向位置缩比模型的内部流动进行全三维非定常数值计算。研究导叶周向布置位置对叶轮出口、叶轮-导叶间隙处以及泵壳内压力脉动的影响规律,并分析导叶周向位置对导叶下游流动的影响,结果表明:导叶周向位置对模型泵内压力分布影响较大,在时域图中,导叶位置主要影响模型泵内压力脉动的波动幅度,导叶在α=0?时压力脉动的主波动幅度最小;在频域图中,导叶位置主要影响压力脉动能量幅值,导叶在α=0?时脉动能量幅值最小。叶轮出口的压力脉动能量幅值最大,泵壳内的能量幅值最小,压力脉动主要由动、静叶间的相互干涉引起。叶轮出口、叶轮-导叶间隙处的压力脉动频率主要受叶频影响,泵壳内的压力脉动频率仅与转频有关。导叶周向位置对导叶下游的内部流动影响较大,导叶在α=0?时截面B—B内的压力分布均匀、压力梯度小。合适的导叶周向位置可有效改善泵内的压力脉动分布,进而降低泵的振动。     

矿用抢险多级泵转子部件轴向力数值模拟及平衡方法研究

因对称布置的矿用抢险多级排水泵出口段的轴端水压力较大,无法平衡轴向力,本文采用非对称布置的叶轮导叶结构,其轴向力可达到平衡,本文进一步采用切割末级叶轮后盖板的方式来完全平衡整泵转子的轴向力。基于CFX软件,采用标准k-ε模型对装配了不同尺寸后盖板的叶轮、导叶、进出水段的矿用抢险多级排水泵的全流场模型进行了数值模拟,获得了整泵的外特性及转子部件的轴向力的结果,得到末级叶轮后盖板不同切割尺寸与轴向力的尺寸范围;预估了轴向力完全平衡时,末级叶轮后盖板的切割尺寸,通过数值模拟验证了预估结果。本文所采用的矿用抢险多级泵转子部件轴向力平衡措施以及模拟方法,可为类似的多级泵产品提供参考。     

基于OpenFOAM的导叶式离心泵数值模拟研究

针对目前有关OpenFOAM对带导叶这种特殊结构的离心泵的计算研究较少且没有形成系统性研究的现状,为了验证OpenFOAM开源软件在导叶式离心泵数值计算方面的可靠性,分别对0.6Qd～1.4Qd流量工况下的导叶式离心泵进行外特性试验以及稳态和瞬态的数值计算.结果表明:OpenFOAM计算得到的外特性结果贴近试验数据,最...     

基于数值模拟的新型轴向导叶性能分析

由于塑料具有成本低、轻巧、表面光洁等优点已获得广泛的工程应用。但传统扭曲空间导叶由于叶片几何边界复杂,很难通过注塑工艺进行生产,而应采用圆柱叶片。因此,本文通过125QJ20型塑料泵的研发,设计出新型轴向导叶。为分析该导叶的性能,结合自主开发的导叶设计软件DLSJ,根据参数设计出另一径向导叶模型,并将同一叶轮分别与两个导叶进行匹配。再通过Fluent软件,采用标准k-ε模型、SIMPLEC算法对这两组模型分别进行了全流场数值计算,并对导叶内部内流场进行对比分析,结果表明轴向导叶外特性明显优于径向导叶。通过流场分析,该新型轴向导叶能改善导叶内部流动,提高井泵水力性能。同时,新导叶具有注塑简单的特点,可有效降低成本,有着较好的市场前景。     

某离心压缩机首级叶轮叶片断裂事故分析与改进研究

本文研究了某离心压缩机首级叶轮叶片断裂事故。分析了该叶片发生断裂的原因,发现该事故主要是由于叶轮固有频率与进口导叶尾迹频率接近发生共振引起的。在此分析基础上,提出了以下改进措施：一方面通过增加叶片厚度来改变叶轮固有频率,以避开进口导叶尾迹频率;另一方面,同时通过叶片进口处沿轴向切除14.4mm,以减小进口导叶尾流激振力。到目前为止,改进后的叶轮现场运行情况良好。     

导叶出口安放角对双向轴流泵性能的影响

导叶出口安放角是影响导叶能量回收能力的关键因素之一,为研究其对双向轴流泵性能的影响,采用流线法设计了11个不同出口安放角的导叶模型,通过数值方法分析各模型内流场特性和外特性。结果表明:设计工况下,出口安放角为70°时,模型效率最高,随着该角度增大,导叶出口后轴截面上的低压区扩大,同时在导叶吸力面中部靠近进口位置出现了较大的低压区,产生脱流及二次回流损失,模型效率下降。说明在设计导叶时,选取较小的出口安放角,且不同截面的翼型骨线采用直线与圆弧的直弯组合形式可以有效改善双向轴流泵在设计工况下的性能。