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。     

叶轮流道入口喉部面积对离心泵空化性能的影响

为了探究叶轮流道入口喉部面积对离心泵空化性能的影响,以某型号离心泵为研究模型,通过修改叶片包角和方格网流线构建了4组具有不同叶轮流道入口喉部面积的叶轮,基于RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对4组模型泵方案的空化性能进行数值模拟。研究结果表明：在保持叶轮流道出口面积不变的前提下,叶轮流道入口喉部面积增大,初生空化余量NPSH_i与临界空化余量NPSH_r的变化存在相反的趋势,两者之间没有倍数关系;临界空化余量NPSH_r主要与叶轮流道面积的变化趋势有关,宽敞流道有利于降低离心泵的临界空化余量,提高空化严重时的断裂扬程;初生空化余量NPSH_i与叶轮进口几何形状有关,为获得较小的初生空化余量,在水力设计过程中,须采用使入口喉部面积减小的措施。     

液体射流泵空化流动特性分析

为分析工作液压力及流速、安装高度对液体射流泵空化流动的影响,应用Realizable k-ε湍流模型结合SchnerrSauer空化模型,对面积比为4的液体射流泵进行研究,并通过与试验数据进行对比,验证了模型的有效性。计算结果表明：射流泵工作液压力及射流速度从196 kPa、22.60 m/s提高至462 kPa、33.87 m/s,初生流量比到极限流量比的工况范围明显减小,从0.234降至0.108;射流泵安装高度从3.0 m降低到-2.0 m时,初生流量比从1.250增加至1.713,极限流量比从1.435增加至1.907。较大的工作液压力及流速会加快空化初生到极限空化的发展过程,实际应用时可通过降低射流安装高度减免空化发生。研究成果可为分析液体射流泵空化影响因素,减免空蚀破坏提供依据。     

叶片进口冲角对离心泵空化特性的影响

基于ANSYS CFX软件应用标准k-ε湍流模型、均质多相模型和Rayleigh-Plesset方程对一比转数为89的模型泵在冲角变化时泵内的空化流场进行数值模拟.根据计算结果预测了模型泵无空化时的能量特性和空化时的空化性能,并分析了空化状态下叶轮中间流面上的空泡体积分布和叶片中间流线的载荷特性.研究表明,模型泵叶轮叶片冲角变化时,对设计点的扬程和效率影响不大,对于空化性能则存在一个最优值,不是冲角越大越好.     

水平轴海流机空化流动模拟

海流机是海流能利用的一种新形式,其空化性能的好坏直接影响到海流发电机组的安全和稳定运行。基于两相混合流模型对一模型水平轴海流机空化流动进行研究,得到不同空化数下的空泡形态及其性能曲线。数值模拟结果表明,采用数值计算方法能够有效地预测海流机的空化现象,计算得到模型海流机的初生空化数,空泡形态与试验结果相类似;海流机空化通常发生在近叶尖吸力面上,并随空化数的降低沿叶片展向和弦向变长;空化数相对较高时,空化出现在叶片弦向中间区域,随空化数降低向叶片尾缘发展;空化初生时,海流机性能没有明显改变;只有当空化数降低到一定程度时,海流机推力升高,输出功率下降,海流机性能恶化,实际运行中应当避免在此工况下运行。     

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。     

改进空化模型和修正湍流模型在螺旋桨空化模拟中的评估分析

为评估改进Sauer空化模型和修正切应力输运湍流模型联合使用时在螺旋桨空化模拟中的效果,以及"当σ>σi时,叶梢截面压力系数分布相对不再改变"的空化初生判定准则的适用性,以E779A螺旋桨为对象,对轻度(Ac/A0<0.1)、中度(0.1≤Ac/A0<0.25)和重度(0.25≤Ac/A0<0.5)空化程度下的桨叶空化形态、空化面积、叶截面压力系数分布、推力和力矩崩溃性能曲线以及初生空化数进行校验和分析。结果表明,在轻度空化下模拟空化面积较试验值略小;中度空化下与试验值吻合很好,模拟精度明显高于同类文献;在重度空化下因包含了泡空化面积而较试验值要大。在设计和非设计进速系数下,预报因空化引起的推力下降起始点均与试验值吻合很好,但推力衰减指数较试验值要大。应用空化初生判定准则得到J=0.77工况下初生空化数为3.25,较试验值仅偏差0.6%。由此表明,所采用的数值模型对于螺旋桨轻度和中度空化程度下的空化性能模拟具有较高的精度,所提出的空化初生判定准则是可信而且适用的。应用该准则,在求取0.88R(低侧斜桨)或0.7R(大侧斜桨)截面的初生空化数后,可较准确地预报螺旋桨空化斗图谱,进而预报舰艇空化初始航速。     

大流量工况下离心泵非定常空化流动特性分析

为了研究在大流量工况下离心泵的空化现象,以及该工况下的空化与压力脉动关系,通过实验测试,在蜗壳内建立监测点进行数值分析,研究了大流量工况下,不同空化阶段离心泵的压力脉动情况,并且对离心泵的非定常空化流动特性进行了分析。首先,通过搭建离心泵闭式管路实验台,对离心泵外特性及不同程度空化情况进行了测试;然后,应用RNG k-ε湍流模型和全空化模型,对一台单级单吸悬臂式离心泵进行了数值计算,得到了空化流场和蜗壳上监测点P1～P5的压力脉动时域和频域特征;最后,基于数值计算结果,分别对叶轮内不同空化状态下,蒸汽体积分数、中间截面速度矢量分布以及监测点的压力脉动进行了分析。研究结果表明：随着空化的加剧,叶片吸力面的空泡区域不断扩大,对流道进口的堵塞作用逐渐增强,而蜗壳上各压力脉动监测点的主频也随之发生显著变化;因此,对泵蜗壳上压力脉动的监测和分析可为空化现象的判断提供参考。     

基于计算流体力学的串列轴流泵空化性能分析

对一串列轴流泵内部空化流场进行计算,研究设计流量下串列泵内部空化发展过程,分析串列泵的空化性能。湍流模型采用一种RANS/LES的混合模式FBM模型,通过二次开发引入到计算软件;采用Zwart空化模型处理相间质量传输过程。基于一普通轴流泵的试验空化特性数据对上述计算方法进行验证,结果表明上述计算方法可以较好地预测轴流泵的空化特性。研究结果表明,在设计流量下,串列泵内部空化发展可以分为四个阶段:空化初生阶段、首级叶轮空化发展阶段、次级叶轮空化发展阶段和空化充分发展阶段。在首级叶轮空化发展阶段和次级叶轮空化发展过程中,串列泵的能量特性存在一个过渡阶段。在该过渡阶段,串列泵整体外特性仍具有较高水平,这是由于首级叶轮外特性下降的同时次级叶轮外特性稍有上升。     

球式配流阀内空化数研究

针对配流阀吸水过程发生空化带来水压泵容积效率低的问题，作者以表征空化特征的空化数为角度，分析了影响配流阀空化数变化的主要因素，开展了配流阀吸水过程相关实验和AMESim仿真研究。结果表明，泵腔内压力变化随工况不同而变化，全工况内的实验与仿真计算所得空化数变化趋势一致。利用阀配流系统模型综合对比了柱塞直径、柱塞行程、阀座锥角、入口直径、余隙容积各特征参数对空化数的影响，得出高转速下各因素对吸水空化程度的影响规律，结果发现，阀座锥角和入口直径不影响空化初始时间，阀座锥角变小后空化程度会有波动变化；柱塞直径和行程的大小只会影响空化发生的先后，并不改变最小空化数；余隙容积增大可显著减小吸水空化发生的时间。     

航空燃油离心泵抗汽蚀优化设计及仿真

针对航空燃油离心泵工作时出现的汽蚀问题,采用正交试验法对离心泵叶轮进行优化设计.选取叶轮出口直径D2、叶轮出口宽度b2、叶片数Z、叶片厚度H为正交试验的4个因素,完成了正交试验并对试验结果进行极差分析,得到了以泵汽蚀余量为优化指标的影响排序,并最终获得最优参数组合.通过流场仿真对现用离心泵和优化后离心泵的泵汽蚀余量和蒸...     

Analysis of internal flow and cavitation characteristics for a mixed-flow pump with various blade thickness effects

In this study, a numerical analysis was carried out to investigate the effects of blade thickness on hydraulic performance and cavitation phenomenon of a mixed-flow pump. The three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equation, which was discretized using the finite volume method, was applied to solve a steady-state analysis. For cavitation analysis, the Rayleigh-Plesset equation was applied to calculate the transition between liquid and vapor phases. The hydraulic performance of a mixed-flow pump changes depending on the blade thickness and was systematically analyzed under various operating conditions. Blade thickness was defined as a blockage, and the cavitation coefficient was considered to express the suction performance. Cavitation characteristics were analyzed for each blockage in relation to the vapor volume fraction. The amount and pattern of vapor were different for each blade thickness case. Furthermore, in this paper, detailed flow analyses that consider the angle of incidence are presented and discussed. To verify the numerical analysis results, an experimental test was conducted at specific points.

     

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。     

诱导轮空化流动数值模拟

应用基于Rayleigh-Plesset方程的混合流体模型对一个涡轮泵诱导轮中的空化流动进行了模拟.计算获得了叶片和横截面上的静压分布,并得到诱导轮扬程性能;分别对不同流量和径向叶顶间隙下的蒸气相体积份额进行了比较;同时分析了诱导轮中空化区发展的规律和气相空间分布的特征.计算结果与相关实验和数值研究成果基本一致.     

调压阀流体空化特性仿真及影响因素分析

针对船用二级调压阀空化问题,建立流域瞬态仿真模型,结合Singhal空化模型和标准k-ε湍流模型对调压阀流体空化现象进行数值模拟,通过流场气体体积分数分析,得出了流体空化强度及分布形态的演变规律,通过流体速度场和压力场分析,阐明了空化演变过程调压阀流场特性,进而研究了开度、流量和背压对调压阀流体空化现象的影响规律.结果...     

Comparative study of tip leakage vortex trajectory and cavitation in an axial flow pump with various tip clearances

In order to analyze the effect of blade tip-gap size on the tip leakage vortex (TLV) dynamics and TLV-induced cavitation, a scaled axial flow pump model was created and numerically studied by the combination of an improved SST k-w turbulence model and a homogeneous cavitation model. The trajectories of TLV core was obtained by using the swirling strength method at different tip-gap sizes vary significantly. The scale of TLV increases as the tip-gap size increases, and the starting point of TLV is sliding further downstream along the blade chord. The angle between the blade suction surface and the TLV also presented an increasing trend with the tip-gap size. The statistics of the velocity normal to the tip chord, as well as the turbulent kinetic energy (KTE) distributions were employed to illustrate a more disordered flow field, which was generated in the tip clearance in a larger amount of leaking flow due to the increased tip-gap size. The in-plain static pressure and vapor volume fraction distributions at different blade chord sections, coupled with three-dimensional cavitation patterns among three tip gaps, are further analyzed to verify the wandering motion of TLV, which shows good agreement with the visualization experiment. Considering the adverse effect of the TLV cavitation, a small tip gap is recommended for improving the axial flow pump performance.

     

叶片进口修缘对离心泵汽蚀性能影响的数值计算与试验研究

为了改善离心泵的汽蚀性能,根据经验,确定了两种叶片进口修缘形式。首先通过原型泵的外特性试验,确定了能量性能和汽蚀性能曲线。基于完整空化模型和混合流体两相流模型,对原型泵运行工况下叶轮内空化流动进行全流道数值计算。预测得到原型泵能量性能和汽蚀性能曲线,与试验曲线吻合良好;同时得到汽蚀发生过程中叶轮流道内空化发展的静态特征,与理论相符。故采用相同的数值分析方法对两种叶片进口修缘后的叶轮进行分析,分析表明：进口修缘后泵的汽蚀性能得到了提高,叶片进口工作面修缘形状越接近流线型,泵的汽蚀性能越好。对较好修缘形式的泵进行试验,得到其能量性能曲线和汽蚀性能曲线,数值分析与试验研究的曲线吻合,修缘后泵的临界汽蚀余量得到改善。研究结果对离心泵汽蚀改善的方法具有一定的指导意义。     

水滴迷宫式调节阀空化特性计算与结构改进

针对超(超)临界机组中水滴迷宫式调节阀在高温高压工况下引起的严重气蚀问题,基于计算流体力学理论和空化机理,选用标准k-ε湍流模型、Mixture模型和Schnerr-Sauer空化模型,比较了改进前后调节阀在典型开度下的压力、速度、气相体积分数等结构性能.计算结果表明:原始碟片结构压降大,最大可至19.95 MPa,流...     

The characteristics investigation under the unsteady cavitation condition in a centrifugal pump

Numerical simulation and experimental method are combined to investigate the pump inlet and outlet pressure fluctuations, the vibration characteristics and the internal flow instabilities under the unsteady cavitation condition in a centrifugal pump. It is found that the unsteady cavitation starts to generate as the NPSHa is lower than 5.93 m. Apparent asymmetric and uneven cavity volume distribution on each blade and in the impeller can be observed as the NPSHa decreases from 4.39 m to 1.44 m, which includes the cavitation develops from cavitation surge, rotating cavitation to asymmetric cavitation. The flow vortexes in each blade channel are produced in the cavity trailing edges by the shedding and collapse of cavitation, which interfere with each other and aggravate the flow instabilities. The dominant frequencies of the pump inlet and outlet pressure fluctuations are the shaft frequency and blade passing frequency under the unsteady cavitation conditions, respectively. Broadband pulses are obtained from both the pump inlet and outlet pressure pulsations, which results from the random shedding and collapse of unsteady cavitation bubbles. Obvious corresponding relationship between the root mean squares of the vibration measured in different positions and the suction performance curve is found under both the non-cavitation and unsteady cavitation conditions.

     

低装置汽蚀余量下原油外输泵的选型

通过实际工程案例,详细介绍了如何在设计过程中合理地调整影响泵汽蚀余量的几个因素,从而达到合理选择原油外输泵的目的。在海洋石油工程中,基本上每个项目都会应用到原油外输泵（或凝析油外输泵）,然而每个项目的工作条件又不尽相同。本文简要介绍了低装置汽蚀余量条件下,原油外输泵选型时出现的问题,在工程实施中采取了一些预防措施,从而实现其成功应用。