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。     

诱导轮和离心泵叶轮内部空化流动数值分析

为了提高诱导轮离心泵的空化性能和运行稳定性,阐明诱导轮和离心泵叶轮几何参数对空化性能的影响规律,基于空泡可压缩性影响修正的RNG k-ε模型和改进的空化模型,对诱导轮和离心泵叶轮内部流场进行空化数值计算。数值结果表明:在小流量工况和额定工况下,空化性能曲线基本一致;在大流量工况下,空化特性曲线波动相对比较严重,空化性能较差。额定流量下泵蜗壳水力损失最小,小流量工况下蜗壳水力损失最大。临界汽蚀余量时,蜗壳水力损失突升。无空化条件下,随着前口环间隙值的增大,诱导轮扬程、效率和前口环间隙泄漏量增大,泵和叶轮的扬程、效率值降低,泵的空化特性曲线的稳定性变差,使诱导轮叶片出口液流角发生偏转,导致诱导轮和离心泵叶轮内部产生周期性的交变空化流。     

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。     

水泵水轮机泵工况下近设计点驼峰现象的流动机理研究*

中高比转速水泵水轮机泵工况下近设计点驼峰严重制约了其稳定运行范围,是制约抽水蓄能电站安全与经济运行的关键问题之一。作为流动问题的宏观表现,驼峰现象必然与水泵水轮机内部的非定常流动存在密切关系。为此,基于试验和数值模拟,对水泵水轮机泵工况下可调导叶流道内的非定常流动进行研究,探究模型机泵工况下的压力脉动特性、非定流动机理及与性能曲线稳定性之间的关系。结果表明：在设计和小于设计工况下,可调导叶流道内均存在两种显著的周期性压力脉动。模型机泵工况下的流量扬程曲线在0.45~0.75倍设计流量区间内出现驼峰,频域分析清晰地揭示了以上两种压力脉动是对该驼峰存在重要影响的流动参量。     

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。     

S形下卧式轴伸贯流泵装置叶片区压力脉动特性研究

为研究S形下卧式轴伸贯流泵装置叶片区压力脉动特性,采用非定常CFD方法对不同工况时泵装置进行了全流道三维非定常流场数值计算,通过在叶片区设置监测点以获得叶片区关键位置的压力脉动数据,并进行频谱分析。通过与实测泵装置扬程和效率对比,证明该方法能较准确地反映泵装置内部非定常流动特征。研究表明:高效工况和大流量工况时,转轮进口和出口的脉动幅值从轮缘向轮毂侧逐渐减小,小流量工况时未呈现该规律,各工况时转轮进口和出口脉动主频受叶频控制。流量系数KQ在(0.368~0.552)范围内转轮进口处同一监测点的压力脉动幅值随流量增大而降低,转轮与导叶体间的脉动幅值随流量的增加先减小后增大,在高效工况附近脉动相对最小。导叶体出口的压力脉动主频受叶频的影响较小,未与导叶体叶片数成规律。     

立式轴流泵装置叶片区压力脉动数值分析

压力脉动是影响轴流泵装置安全稳定运行的重要因素之一,为明确轴流泵装置叶片区压力脉动的变化规律,基于CFD软件对立式轴流泵装置全流道进行三维非定常数值计算,获得了轴流泵装置叶轮和导叶体区域的压力脉动时域数据,分析了最优工况时各监测点压力脉动特性,以及3个特征监测点的压力脉动随流量的变化规律。结果表明:最优工况时,叶轮进口压力脉动幅值从轮缘到轮毂逐渐减小;叶轮出口压力脉动幅值从轮缘到轮毂先减小后增大;导叶体出口处的压力脉动幅值从轮缘到轮毂先增大后减小。叶轮进口轮缘处压力脉动幅值随流量增大而减小;叶轮出口轮缘处压力脉动幅值随流量增大先减小后增大;导叶体出口轮缘处压力脉动幅值随流量增大而减小。小流量工况时各监测点的压力脉动主频幅值均大于最优工况和大流量工况。计算结果为分析轴流泵安全稳定运行提供了参考。     

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。     

高速离心泵的压力脉动特性分析

为揭示高速离心泵的水力不稳定性,采用雷诺时均方法和SST k-ω湍流模型,对一带前置诱导轮和半开式复合叶轮的高速泵进行了不同工况下三维非定常湍流数值模拟,得到了泵内部流场特性及泵内监测点的压力脉动情况,并对其进行了频谱分析。结果表明,由于诱导轮、叶轮与扩压器的动静耦合作用,高速泵内存在比较明显的压力脉动。叶轮域从叶片入口到出口,压力脉动的峰峰值逐渐增加;相同径向位置处工作面的压力脉动明显高于非工作面。叶轮内压力脉动的频率为3fr(导叶叶片数×叶片通过频率)及其倍频,主频为3fr。导叶扩压器域内隔舌位置处的压力脉动峰峰值最大。随着水流向下游流动,扩压器内的压力脉动逐渐减小。螺旋线部分压力脉动的主频为3fr,与诱导轮叶片的通过频率相吻合。扩散段部分压力脉动的主频为7fr,与叶轮长叶片的通过频率吻合。     

带有前置导叶离心泵空化性能的试验及数值模拟

为分析前置导叶对离心泵空化性能的影响,在不同流量下开展带有前置导叶离心泵的空化性能试验,得到无导叶、导叶预旋角(12(时的离心泵空化性能曲线.空化性能试验结果表明,离心泵的临界空化余量随流量的增大近似线性增大.基于均相流假设的完全空化模型,考虑空化流可压缩性的影响修正RNG κ-ε湍流模型,采用SMPLEC算法,数值求解雷诺平均的Navier-Stokes方程,模拟离心泵安装前置导叶前后不同工况下的全流道空化流动.计算得到的H-LBOSGa曲线与试验数据吻合较好,验证计算方法的准确性.基于数值模拟结果,分析不同工况下叶轮内部空泡体积率的分布规律,发现前置导叶预旋调节对离心泵叶轮空化性能的影响较小,并能有效改善叶轮进口流态,使压力分布更均匀.     

交错叶片对双吸离心泵性能特性影响分析

为了积极响应及实现国产化要求,对原进口泵进行整机国产化研制,通过数值模拟分析了叶轮叶片交错角度为0°、15°、30°时离心泵内的流态和压力脉动。结果表明:随着叶片交错角度的增大,小流量工况下,扬程值逐渐降低,效率值无明显变化;大流量工况下,扬程值和效率值逐渐增大;额定工况下,随着叶片交错角度的增大,压出室对称分布的两个单独流道同一位置处静压值逐渐增大,相对速度值逐渐减小,而叶片处的相对速度值无明显变化。压出室内压力脉动幅值随着叶片交错角度的增大出现明显的减弱现象。同一叶片交错角度下,随着压出室过流断面的增加,压力脉动幅值逐渐减小,隔舌位置处压力脉动幅值受动静干涉作用最大。站场运行结果表明,叶片交错角度为30°的国产泵较原进口泵振动值减小、耗能降低、泵运行平稳且效率高。     

离心泵叶轮区瞬态流动及压力脉动特性

目前离心泵过流部件的瞬态流动分析主要集中在蜗壳内,对旋转叶轮区内的流动特性研究较少。基于RNG k-ε湍流模型和滑移网格,对不同工况下离心泵内部瞬态流场进行数值模拟,计算得到的离心泵扬程和效率曲线与试验结果吻合较好。在离心泵叶片正背面分别设置3个监测点,分析叶轮区压力脉动特性。结果表明,设计工况下叶片正背面压力脉动的主频为叶轮转频或2倍叶轮转频,非设计工况下其主频均为叶轮转频。从叶轮进口到出口,叶片正背面的压力脉动最大幅值都逐渐增大。同一监测点上压力脉动最大幅值在小流量时最大,约为设计工况下5倍。分析小流量工况下叶轮内部相对速度分布,叶轮出口处附近随时间变化的旋涡是内部流动不均匀的主要原因,使得离心泵在该工况下运行效率低、压力脉动强度大。     

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的双流道泵内流特性分析

针对双流道泵小流量工况效率低、运行稳定性差等问题,通过CFD数值分析,对0.6Q_d、0.8Q_d、1.0Q_d、1.2Q_d工况下叶轮流动特性进行了压力、速度分布和隔舌处的压力脉动分析研究。结果表明:叶轮内压力分布存在明显的对称性,泵内各压力梯度所占区域随流量增加而增加,压力分布逐渐向高压区移动。叶轮截面1的速度随着流量增加而逐渐增大。在叶轮截面2内,叶轮内速度随着流量的增加而增加。叶轮进口旋涡随着流量增加而逐渐减小。流体经过截面2旋涡后,在截面3两侧流道内分别形成两个单独流动旋涡。在叶轮截面3内,叶轮流道内速度随着流量增加逐渐上升。隔舌处压力脉动具有周期性。设计工况下相邻波峰与波谷相差31.3 kPa。     

某混流泵压力脉动分析研究

为了研究某混流泵内部流场压力脉动情况,应用商业软件Numeca进行非定常数值模拟。通过设置监测点,得到了叶轮和导叶位置的压力脉动结果,并进行了频域分析。结果表明,泵内压力脉动变化规律是周期性的。在叶轮内,叶片尾缘的压力脉动幅值均大于前缘,而导叶内压力脉动幅度由叶片前缘到尾缘逐渐减小,与叶轮内压力脉动变化规律相反。     

偏离工况下离心泵的压力脉动和振动分析

为分析偏离工况下离心泵压力脉动和振动情况,本文采用大涡模拟和滑移网格技术研究一离心泵在偏离工况下叶轮内部和叶轮与蜗壳动静干涉位置的压力脉动,并对其进行了频域分析。分析结果表明:离心泵内部流动产生的压力脉动主频多数情况下是其通过频率。在不同运行工况下,叶轮出口处的压力脉动幅值均最大,大流量偏离工况下离心泵内部各部分压力脉动特性与设计工况基本相同,只是脉动幅值略有增大;小流量偏离工况下,离心泵叶轮出口(叶轮和蜗壳动静干涉区域)压力脉动幅值有所增大,脉动主频不再是通过频率,而且其频谱宽度明显增大;当离心泵运行工况小于0.6Q时,压力脉动明显比设计工况剧烈。     

双流道泵内部流动非定常数值的研究

在不同工况下,采用滑移网格技术对双流道泵进行了非定常流动数值计算,着重分析了叶轮内不同点的压力波动情况。计算表明,双流道泵内流的非定常特性明显,蜗壳喉部尤为剧烈;从叶轮的进口到出口,压力逐渐增加;不同工况条件下叶轮的压力变化明显,其中小流量条件压力波动最大;叶轮流道内部不同点的压力随时间呈周期性变化规律。该计算为进一步研究双流道泵的水力设计、性能预测、优化设计提供了一定的理论依据。     

诱导轮出口螺距对离心泵空化性能的影响

为了查明诱导轮出口螺距对离心泵空化性能的影响,设计了入口螺距相同、出口螺距逐渐增大的三个诱导轮:诱导轮5-5、诱导轮5-8、诱导轮5-11;采用k-ε湍流模型和Singhal空泡动力学模型,对泵内流动进行空化数值模拟,分析了设计工况下离心泵空化断裂特性和气泡分布流场特征。结果表明:相比于等螺距诱导轮5-5,加设变螺距诱导轮5-8及5-11的离心泵在相同进口压力条件下具有更高的扬程和更少的流场内气泡分布,在同一流量工况下具有更低的空化断裂点,在空化断裂点泵扬程分别提高了10.4%和18.6%;变螺距诱导轮保持进口螺距不变,增大出口螺距可以进一步提升半开式叶轮离心泵抗空化性能。     

时序效应对导叶式离心泵内部压力脉动影响的数值分析

为了研究时序效应对导叶式离心泵内部非定常压力脉动的影响,基于雷诺时均(Reynolds averaged Navier-Stokes,RANS)方程,在0.6Qd、1.62Qd两个非设计工况下,应用SST k-ω湍流模型对导叶在一个栅距内的5个不同时序位置下泵内部流动进行三维非定常数值计算,得到导叶和蜗壳流道内压力脉度强度分布随不同导叶时序位置的变化规律,结果表明,导叶时序效应对叶轮与导叶的动静干涉引起的压力脉动强度影响较明显;在导叶靠近进口的吸力面区域和导叶喉部区域存在着较大的压力脉动强度;压力脉动强度沿着导叶流道向下游传播并逐渐减弱;导叶时序效应对蜗壳平面的压力脉动强度影响非常明显,压力脉动强度呈现不规律分布;当在小流量0.6Qd工况时,当导叶时序位置为C3时,导叶内压力脉动强度最大值为0.44,而当导叶时序位置为C2和C4时,压力脉动强度最大值分别为0.24和0.22;当在大流量1.62Qd工况时,当时序位置为C2时,压力脉动强度最大值为0.87,而当时序位置为C1和C4时,压力脉动强度最大值为分别为0.72和0.77;在非设计工况下,蜗壳内的压力脉动强度相对导叶的压力脉强度较弱。C4时序位置能减小余热排出泵运行中的压力脉动强度,从而提高泵的稳定性,为导叶的安装位置提供参考。     

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。