多工况下分流叶片离心泵非定常空化特性分析

为了进一步优化离心泵叶轮流道,提高离心泵的空化性能,对有/无分流叶片离心泵进行全流道三维非定常湍流空化数值模拟,分析0.4Q~1.0Q工况下泵的空化性能。结果显示:在空化充分发展的情况下,无分流叶片离心泵扬程对NPSH的降低比较敏感;添加分流叶片后,离心泵的扬程提高,叶轮进口部位的低压区域减少,叶轮内湍动能明显减小,泵的抗空化性能明显增强;随着流量的降低,泵的临界空化余量降低,但泵内发生严重空化的速率逐渐加快;当离心泵内发生严重空化时,空泡将堵塞整个叶轮流道。     

低比转速离心泵空化性能的数值模拟

为了对低比转速离心泵空化发生时的内部气液两相流动进行分析,应用计算流体力学(CFD)软件对比转速为66的离心泵空化性能进行气液两相流场的数值研究。对不同有效空化余量时叶轮内部气泡分布的研究表明,泵在进口压力较高时就已经在叶片的进口背面产生空化初生,临界空化余量和许用空化余量时,气泡在叶片表面和流道内部均有分布,占据了部分叶轮流道,影响叶轮内部能量交换,并可能对泵造成空蚀。对该实型泵进行试验研究,验证了数值计算的精确度。     

大型双吸离心泵内流场的数值模拟与性能预估

针对高扬程大流量的大型双吸离心泵的汽蚀问题进行了数值模拟。依据k-ε紊流模型加壁面函数法对叶轮内的三维紊流流动进行数值计算与分析,采用雷诺时均Navier-Stokes方程进行模拟并通过压力耦合方程组的半隐式方法进行求解。利用FLUENT软件模拟得到叶片流速分布、压力分布及全流道流线分布图,分析出离心泵叶轮通道内的流动规律,并将模拟结果与试验值进行对比,可知在设计工况点时相对误差最小,扬程相对误差为1.75%,效率相对误差为2.27%。结果表明:利用计算流体动力学进行三维紊流数值模拟可以反映大型双吸离心水泵内部真实流动,效率的变化趋势符合离心泵工作特性的一般规律,模拟结果与试验结果一致。     

空化对轴流泵叶轮能量转化特性的影响

为了研究轴流泵空化对叶轮内部流动特性以及能量转化特性的影响,结合SST CC k-ω湍流模型与均相多相流模型对轴流泵进行了非定常空化计算。结果表明:随着有效汽蚀余量的逐渐降低,轴流泵内空化体积分数逐渐增加,诱导叶片表面出现侧向射流与漩涡等不良流态,对叶片出口流场的均匀性产生不良影响;自叶片进口至叶片出口,空化区域内的液体相对速度较未空化时增大,绝对速度与静压较未空化时减小。沿轴向,在无空化与空化初生时,动静扬程先不发生变化,随着泵进口压力逐渐降低,当有效汽蚀余量a=5.33 m时,静扬程不变而动扬程出现小幅增加,泵的水力性能出现小幅上升;在a=4.71 m时,静扬程下降且下降幅度高于动扬程上升幅度,泵扬程效率明显下降。随着空化程度的进一步增大,动静扬程继续下降,轴流泵水力性能急剧下降。     

不同介质条件下航空液冷泵空化特性的数值模拟及实验研究

该文针对某型号航空液冷泵设计参数和要求,采用加大流量设计法设计了两套水力模型(圆柱叶片叶轮和长短叶片复合叶轮),并进行了内部流动数值模拟和空化可视化试验验证.研究结果表明,通过减少长叶片数、增加短叶片的复合叶轮与常规的圆柱叶片叶轮扬程流量系数变化规律基本一致,额定流量工况下,扬程相近.当空化数σ=0.05后,圆柱叶片叶...     

不同叶轮形式离心泵压力脉动和空化特性试验研究

压力脉动和空化特性是影响离心泵稳定运行的两个重要因素。针对国内某大型调水工程的立式带导叶离心泵,在保证蜗壳、导叶和叶轮出口直径等设计参数一致的情况下,设计了两种不同形式的模型叶轮,并进行了模型泵的同台试验。两个叶轮的比转速都为106.43,叶片数分别为7和9,叶轮流道、叶型也不相同,其中,对9叶片叶轮叶片进口边进行了"C形"修型。结果表明,两种叶轮形式离心泵内部压力脉动的频率成分及其分布特性类似,总体上都为叶片通过频率及其谐频,且该频率的压力脉动能通过叶轮流道逆水流方向向进口端传播。叶轮形式对压力脉动幅值的影响比较显著,相比7叶片叶轮,9叶片叶轮的压力脉动幅值降低了10%以上。同时,对叶片进口边修型后,初生空化得到有效延迟,设计流量点附近的临界空化余量下降约10%。适当提高叶片数与叶片进口边修型可显著提高离心泵空化性能。     

高速离心泵空化特性研究

基于RNG k-ε模型和Rayleigh-Plesset空化模型,对高速离心泵在不同空化程度下进行数值模拟,探索空化在高速离心泵叶轮内部的演变过程及流体诱发压力脉动的变化规律。研究不同流量、不同空化系数下其外特性曲线的变化规律,叶片在不同空化程度下空泡主要发生位置及空泡体积分数占比情况,并探索空化发展过程中叶轮圆周出口不同监测点的压力脉动变化规律。结果表明,不同流量工况下空化的水力性能影响效果不同,小流量时空化对效率影响较小,大流量时空化系数越小,效率下降得越快;随着空化系数和流量的减少,扬程陡降临界点逐渐向前移动;空化由弱到强过程中,叶片上空泡主要发生的相对位置逐渐向后缘移动且空泡体积分数不断增加;空化对叶轮圆周出口压力脉动影响变化速率快慢的界点在σ=0. 086附近。     

中比转速离心泵叶片穿孔空化性能分析

为分析叶片穿孔对泵空化性能的影响，该文以中比转速(n_s=129)离心泵为研究对象，通过设计不同穿孔直径(D=2,3和4 mm)及穿孔角度(α=-25°,5°,35°和65°)的12种叶片头部穿孔方案，在初生空化和临界空化工况下，对中比转速离心泵进行数值模拟计算。研究发现：空化工况下穿孔方案对离心泵扬程和效率影响不超过1%，叶片进口端穿孔可以平衡叶片工作面与吸力面压力差，将各流道单个低压区阻断为两个，有效改善叶轮内压力分布，减小叶轮叶栅切面气泡体积分数并抑制空泡产生；适当的穿孔角度与穿孔直径搭配方案在初生空化和临界空化工况下均有益于提升离心泵抗空化性能，研究得出的最佳穿孔方案为方案H(D=3和α=35°)、方案I(D=4和α=35°)和方案J(D=2和α=65°)。     

双吸泵小流量工况下的空化特性研究

为研究双吸泵在小流量工况下叶轮内部空化特性,同时进一步说明小流量工况相比于设计工况时的空化特性差异,结合均质两相流模型和SST k-ω湍流模型,对双吸泵小流量工况和设计工况下的全流道空化流场进行数值模拟,以分析不同流量工况下空化分布与发展情况,以及空化对各叶片载荷造成的影响。研究结果表明:适当减小双吸泵进口流量,有助于改善双吸泵的空化性能;在小流量工况下空化首先发生于叶片吸力面头部靠后盖板附近,而且此处的空泡体积分数最大,这一空化特征同设计工况有所差异;随着NPSH的降低,叶轮内空化不断加强,但是小流量工况下的空化强度始终不及设计工况;不同空化状态会导致叶片吸力面压力的变化,从而表现为叶片表面载荷分布的变化。     

升力做功对离心泵水力性能的影响

分别用试验研究和数值模拟手段对离心泵内升力做功对其水力性能的影响展开了研究。研究结果表明：离心泵叶轮在相同半径下，叶片工作面的压力与吸力面之间存在压力差ΔP，由此产生升力，且随着流量的增加升力做功逐渐减小；离心泵内升力做功和离心力做功共同决定着其外特性曲线，其中，升力做功最大可达到离心力做功的90%左右，占总扬程的46%左右；在不同工况下，离心力做功基本不变，升力做功的变化则较为明显，这就决定了其外特性曲线的变化趋势。对理论计算与试验结果进行了比较，两种结果相互吻合，验证了数值模拟的正确性。     

基于FINE的离心泵叶轮水力性能数值模拟与试验对比

应用NUMECA公司的FINE软件,采用Navier-Stokes方程组和Spalart-Allmaras湍流模型,对两种离心泵内部流动进行数值计算,得到叶轮内流场在3种不同工况下的流动分布。结果表明:增加叶轮叶片能有效的改善液流的流动稳定性,对提高整个泵的高效区范围和扬程有显著作用。数值模拟可以准确的对离心泵内部的复杂三维流动与水力性能进行有效预测。     

中比转速离心泵小流量工况下压力脉动特性

采用Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型,对不同流量工况下离心泵内部非定常流动进行了数值计算,计算得到的离心泵外特性与试验结果吻合较好。数值模拟结果表明,不同流量工况下叶轮内压力脉动具有明显的周期性变化,压力脉动强度随着流量的减小而增强,叶片压力面脉动强度更加剧烈,叶轮旋转频率始终占主导作用。由叶轮进口至出口,叶片压力面和吸力面压力脉动最大幅值均渐渐增大。相同监测点的压力脉动最大幅值在30%设计流量工况时最大,约为设计流量工况下3~4倍。随时间叶轮流道内存有旋涡的产生、发展、脱落的周期性变化过程,这是造成离心泵运行效率低、压力脉动副值增大、脉动波形紊乱的主因。     

离心泵空化诱导的非定常激励特性

为了研究离心泵空化诱导的非定常激励特性，采用数值模拟方法，分析了泵叶轮内压力脉动、涡量脉动及径向力特性。结果表明：叶轮内压力脉动的主频均为叶轮转频f_i,涡量脉动的主频为1/5f_i、f_i、2f_i;压力脉动强度从叶轮进口到出口逐渐增强；涡量脉动强度在叶轮出口处最大，进口处其次，叶片中部最小；空化发展诱发低频压力脉动和低频涡量脉动；径向力的大小和方向，由于空泡排挤作用而发生变化，空化充分发展时空泡脱落和溃灭，导致径向力骤增。对离心泵内空化诱导的振动和噪声产生机理的深入研究提供了参考。     

对角泵叶轮内部流动与能量特性数值分析

利用RNGh紊流模型封闭时均N—S方程组，对一组对角泵叶轮的内部三维流动进行了数值模拟，在分析基本流态的基础上，对对角泵叶轮的能量特性进行了预测和比较。计算结果表明，对应于不同的叶片夹角，对角泵叶轮的能量性能差异很大。轴流泵叶片对角布置后，离心力的作用使对角泵叶轮的扬程提高，使得叶轮的最优比转数随叶片夹角的减小而减小。随着叶片夹角和流量的减小，对角泵叶轮的功率不是增加而是减小，功率特性由轴流泵逐步向离心泵过渡。与对应的轴流泵相比，对角泵的最优效率点向小流量方向偏移，但高效区变宽。叶片夹角为150。的对角泵叶轮的流量加权平均效率比对应的轴流泵叶轮高0．82％。因此，选择优秀的水泵水力模型，通过优化叶片夹角、叶轮室及轮毂的形状和尺寸，能够改善和提高对角泵叶轮的能量特性。     

基于涡量输运方程的离心泵空化涡动力学特性数值研究

空化是影响离心泵等水力机械安全运行的关键因素。为研究空化发生时离心泵内涡动力学特性,该文以一单级单吸离心泵为研究对象,基于修正的SST k-ω湍流模型结合Zwart空化模型进行空化流动数值模拟,并利用外特性试验结果验证了数值计算的准确性。结果表明：随着空化数的降低,泵内依次发生空化初生、轻度空化和不稳定空化;严重空化时,流道内空化尾部产生旋涡结构,涡动力学分析显示此处为高涡量区;不同方向上的涡拉伸项与涡扩张项对叶轮内涡量的生成起主要作用,斜压扭矩项在汽液交界面对涡量的生成具有重要贡献,科氏力项对涡量的影响最小。     

离心泵性能预测及实验研究

借助CFD软件FINE,应用k-ε湍流模型,对离心泵内部全三维湍流流场做数值计算。计算结果表明:随着流量的增大,叶片表面压力梯度逐渐减小;在小流量工况时,水流冲击叶片进口工作面,大流量工况时,水流冲击叶片进口吸力面;流量大小与叶轮内的轴向漩涡的位置无关;与实验结果比较,表明在设计工况附近,数值模拟对离心泵内部的复杂三维流动的水力性能预测是准确的。     

入口含气率对深海多相混输泵性能影响研究

该文以标准状态下的水(连续相)和空气(离散相)作为流动介质,基于Eulerian-Eulerian非均相流模型,在不同进口含气率工况下对离心式深海多相混输泵内部流动特性进行数值模拟计算,研究离心式深海多相流混输泵的内部流动特性。通过获得叶轮和扩压器内部相态分布情况以及液相速度流线图,探索气液两相流在混输泵内部的流动规律。结果显示:气液两相工况下,混输泵从首级到末级的增压能力变化趋势相同,不同含气率下,末级混输泵的增压能力变化更大,含气率越高对增压能力影响越大;在低含气率下整个流道内的气相分布很均匀,气相更多聚集在叶片吸力面及出口边附近且有沿着叶片吸力面向叶轮出口运动的趋势,当进口含气率大于10%后,叶轮流道内叶片吸力面处出现较为明显的相态分离现象;不同含气率下叶轮和扩压器内压力脉动幅值变化趋势相似,幅值随着含气率的增加不断上升,通过实验结果验证了数值计算所采用的计算模型和方法是可靠的。     

离心泵叶轮旋转失速团特性分析

旋转失速是一种会显著降低水泵性能的不稳定流动现象。为研究离心泵旋转失速团的特性,采用动态混合非线性SGS模型对一离心泵叶轮进行了大涡模拟,得到了泵内部失速流场和压力脉动特性。研究发现,对于所研究的叶轮来讲,叶轮失速频率为转频的24%,叶轮内存在3个失速团,失速团的转速为叶轮转速的8%。对不同时间的内部流场进行分析,可以看到失速团首先产生于叶片吸力面,并逐渐增大,几乎阻塞了整个流道,导致顺着叶轮旋转方向的相邻叶片的进口冲角减小,该通道过流能力提高,退出阻塞状态;而在逆叶轮旋转方向的相邻叶片的进口冲角增大,通流能力减弱,直到流场也发生阻塞。按照这种传播规律,失速团在叶轮流道内以8%的叶轮转速缓慢传播。     

口环间隙泄漏对离心泵空化性能的影响分析

以DG-350型多级离心泵次级叶轮为研究对象,研究了口环间隙对离心泵空化性能产生的影响。通过定常数值模拟,计算出了离心泵的扬程和效率,同时得出了口环与进口段交汇处的速度矢量图、涡量云图和空化区域分布图以及叶轮流道内的空化区域分布图。模拟结果与实验结果的对比分析表明:(1)误差都在实际工程所要求的5%左右,说明计算与模拟结果准确;(2)由于口环与进口段交汇处速度旋涡的存在,使得离心泵的进口段与前口环交汇处区域的压力降低,从而导致了空化现象的发生;(3)随着口环间隙的增大叶轮流道上的空化区域也随之增大,从而减小了流体的过流面积,使流体速度和必须的汽蚀余量增大,NPSHR增大,则叶轮进口处的空化区域也就会增大。     

基于CFD技术的双吸离心泵节能技术研究

应用CFD计算分析软件FLUENT6.3.26,选取标准κ-ε湍流模型和SIMPLE算法,对某型双吸离心泵节能改造前后泵内流道进行三维湍流数值模拟,并与现场采集的实际运行数据进行比较分析。结果表明,节能改造后的双吸离心泵叶轮和蜗壳内流场分布更趋均匀合理,能量损失减少,从而效率有明显提高,并与实测数据基本吻合。同时也证明CFD计算分析结果,可以较准确的显示出泵体内流道的流动特性和规律,对双吸离心泵的性能预测、水力设计和改型优化等具有重要的指导意义。