Numerical simulation of water flow in an axial flow pump with adjustable guide vanes

A new adjustable guide vane (AGV) is proposed in this paper. This vane can reduce hydraulic losses and improve the performance of an axial flow pump. The formula of AGV adjustment was obtained after theoretical analysis. The fluid flow inside the axial flow pump with a fixed guide vane and adjustable guide vane was simulated. The calculated Q-H curves for the fixed guide vane agreed well with the experimental ones. The results show that the attack angle and flow separation have an important contribution to the vortices which create hydraulic losses in the guide vane channel. The AGV can decrease hydraulic losses and significantly enhance the pump head and efficiency by changing the guide vane angle.     

基于喉部参数控制的离心泵导叶扩散度研究

为研究导叶扩散段无量纲参数对离心泵水力性能的影响,通过控制导叶喉部参数设计出5种导叶扩散度方案,采用雷诺时均N-S方程和RNGκ-ε湍流模型对离心泵进行全流场计算,对比分析了不同扩散度方案对上游叶轮、导叶本身以及下游压水室水力性能的影响,并验证了数值分析的可靠性.研究表明:导叶扩散度对上游叶轮水力性能较大,叶轮效率随导...     

Entropy production analysis for hump characteristics of a pump turbine model

The hump characteristic is one of the main problems for the stable operation of pump turbines in pump mode.However,traditional methods cannot reflect directly the energy dissipation in the hump region.In this paper,3D simulations are carried out using the SST k-ω turbulence model in pump mode under different guide vane openings.The numerical results agree with the experimental data.The entropy production theory is introduced to determine the flow losses in the whole passage,based on the numerical simulation.The variation of entropy production under different guide vane openings is presented.The results show that entropy production appears to be a wave,with peaks under different guide vane openings,which correspond to wave troughs in the external characteristic curves.Entropy production mainly happens in the runner,guide vanes and stay vanes for a pump turbine in pump mode.Finally,entropy production rate distribution in the runner,guide vanes and stay vanes is analyzed for four points under the 18 mm guide vane opening in the hump region.The analysis indicates that the losses of the runner and guide vanes lead to hump characteristics.In addition,the losses mainly occur in the runner inlet near the band and on the suction surface of the blades.In the guide vanes and stay vanes,the losses come from pressure surface of the guide vanes and the wake effects of the vanes.A new insight-entropy production analysis is carried out in this paper in order to find the causes of hump characteristics in a pump turbine,and it could provide some basic theoretical guidance for the loss analysis of hydraulic machinery.     

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。     

用可调进口导叶调节特性的大型混流泵

阐述了大型混流泵采用可调进口导叶调节特性的原理、技术特点和结构设计 ,介绍了带可调进口导叶的SEZ2 0 0 0— 1 62 5VR型泵的具体结构和运行效果。     

基于轴流泵间隙流动的新水力设计方法

轴流泵叶轮轮毂与轮缘处间隙流动及边界层对轴流泵性能的影响很大,应用Numeca及Flu-ent等软件对轴流泵叶轮轮缘间隙中的流动进行数值模拟,根据流动模拟结果对叶轮叶片型线及轮毂、轮缘处的叶型设计进行修正,使其速度-压力分布比较理想,并提出了基于间隙流动的轴流泵水力设计方法,这种新的水力设计方法有利于改进轮缘和轮毂处边界层以及轮缘间隙中的流动,达到提高轴流泵效率的目的。     

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。     

基于CFX正交试验的深井离心泵导叶的优化设计

为提高深井离心泵的水力性能,针对100QJ16型深井泵,按照L9(34)正交表,选取空间导叶的进口冲角、包角、叶片出口安放角和叶片数等4个因素,每个因素取3个水平,设计出9个导叶模型,并分别与同一个叶轮装配。基于CFX软件,对两级模型泵进行了全流场数值模拟,获得9组方案在额定工况下的扬程和效率。采用极差分析法分析了各几何参数对扬程和效率的影响规律以及影响空间导叶性能的主要因素和次要因素。空间导叶进口冲角和叶片包角对两级泵的扬程和效率的影响较大。将优化方案进行了样机试验,其效率达到了设计要求。     

新型轴流导叶可调液力变矩器设计与分析

采用“两圆弧+直线”的设计方法设计了有效直径370 mm的新型轴流导叶可调液力变矩器循环圆;运用等倾角射影法设计了新型轴流导叶可调液力变矩器各叶轮叶片的叶形,并给出了其总体结构。为了实现导轮叶片的转动,设计了导叶调节机构和导轮内外环结构,阐述了实现导轮叶片转动的过程,并定义了导叶开度的变化范围。运用CFD方法对所设计的新型轴流导叶可调液力变矩器进行数值模拟计算,获得了其原始特性,并对其特性进行了分析。由分析可知,通过调节导叶开度的变化能够实现轴流导叶可调液力变矩器能容的连续可控。由于其连续可控的能容特性,在与发动机共同工作时能够实现动态匹配,进而提高整机性能。     

立式轴流泵出水流道流场试验研究

大型低扬程水泵采用渐扩出水流道,出水流道水力损失占泵扬程的15%～20%左右。为立式轴流泵设计制作了不同扩散角、无中隔板和有中隔板多种透明出水流道,采用五孔探针测定和丝线观测出水流道内流场,研究流场形成机理,分析流动规律,并与等圆出水管内流动比较。结果表明,由于后导叶出流环量、泵轴旋转诱导、出水弯管二次流和扩散的影响,出水流道内为复杂的螺旋流,断面轴向流速和周向流速分布不均匀、不对称,不均匀程度大于等圆出水管内流动,断面环量有向周边集中的趋势。成果对大型轴流泵装置出水部分的优化水力设计,提高泵装置效率有重大意义。     

基于CFX的导叶与叶片间距对泵装置性能改变的研究

基于CFX采用数值模拟方法计算轴流泵导叶进口边与叶轮叶片出口边的平行间距S的变化对泵装置性能的影响。在质量守恒定理和动量守恒定理的基础上,应用Navier-Stoke方程和标准k-ε湍流模型,通过对轴流泵全流道三维湍流数值模拟,求解了导叶出口处的速度场和压力场。分析了S=9mm,S=12mm,S=15mm 3种情况下,流量、扬程、功率和效率的关系,研究了轴流泵导叶进口边与叶轮叶片出口边的平行间距的变化对泵装置性能的影响。     

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...     

轴流风机后导叶三维数值优化设计方法及其应用

基于轴流风机安装后导叶能明显改善性能,但用目前使用的二维理想的工程方法无法设计良好导叶,必须通过大量后导叶安装角试验,才能改进使用。本文提出轴流风机后导叶三维数值优化设计方法,并用于一个商用风机,设计工况全压和全压效率均提高13%,有很好的变工况性能;本文还对比了用传统工程方法设计的后导叶的性能。     

导叶式气液旋流分离器试验研究

根据气井井下工况特点设计了一种直径为50mm的新型导叶式气液旋流分离器,并进行了模拟分离试验。试验中重点分析了导叶式气液旋流分离器的叶道出口角度、锥体角度、叶道出口速度以及人口含液浓度对其分离性能的影响规律。     

高压叶片泵流量脉动CFD模拟

高压泵是液压系统中的核心设备,流量脉动是影响其输出稳定性的重要参数。针对液压系统双作用高压叶片泵,采用CFD方法对其内部流场进行了三维瞬态模拟,分析了不同工况对出口流量脉动及其性能的影响规律。结果表明：排油初期高压差的作用使得工作腔内会出现明显的回流现象,产生较高的流量脉动;随着叶顶间隙的增大,泵的流量脉动减小,但容积效率明显下降,间隙值为30μm时,容积效率仅为61.1%;流量脉动幅度随叶片数的增多而减小;吸液压力为0.1 MPa时的流量脉动率为0.2 MPa时的4.4倍,容积效率增大了5.6%。因此,提高吸液压力可以有效改善泵的流量脉动和容积效率。     

Numerical study on the internal flow characteristics of an axial-flow pump under stall conditions

When an axial-flow pump works in low flow rate conditions, rotating stall phenomena will probably occur, and the pump will enter hydraulic unsteady conditions. The rotating stall can lead to violent vibration, noise, turbulent flow, and a sharp drop in efficiency. This affects the safety and stability of the pump unit. To study the rotating stall flow characteristics of an axial-flow pump, the steady and unsteady internal flow field in a large vertical axial-flow pump was investigated using 3D computational fluid dynamic (CFD) technology. Numerical calculations were carried out using the Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) solver and Menter's shear stress transport (SST) k-ω turbulence model. Steady flow characteristics including streamline, velocity vector, pressure and turbulent kinetic energy are presented and analyzed. Unsteady flow characteristics are described using post-processing signals for pressure monitoring points in the time and frequency domains. Using Q-criterion, the locations and evolution rules of the core region of the vortex structure in guide vanes under deep stall conditions were investigated. The reliability of the numerical simulation results was verified using the experimental prototype pressure fluctuation test. In this way, typical flow structure and pressure fluctuation characteristics in an axial-flow pump were analyzed, with contrastive analysis in design condition and stall conditions. Finally, the mechanism of low-frequency pressure fluctuation in a pump unit under the stall condition was revealed.     

球形叶片液压泵流量特性

讨论了一种新型结构的球形叶片液压泵,在详细阐述球形叶片液压泵结构特点的基础上,分析了球形泵的工作原理。通过建立球坐标得出球形叶片液压泵排量的计算公式,采用Pro/E体积测量法验证了理论分析的准确性。进一步分析了该泵的流量输出特性,讨论了斜盘角度、叶片数目等参数对球形叶片液压泵流量脉动的影响。结果表明：叶片数目增加时,叶片泵的流量脉动明显减小。     

大型立式轴流泵叶片进口流场及其对水泵影响研究

分析各因素对大型立式轴流泵叶片进口流态的影响,研究该断面流场的形成机理。提出叶栅对进口流态反作用和相互自动调整的观点,即如果叶栅来流非均匀轴向,叶栅过流特性会反过来影响来流流态并调整达到平衡。结果表明,立式轴流泵叶片进口流场既非轴向,又非均匀,不符合常规假设。用五孔探针实测叶轮直径D=1.64m轴流泵叶片进口流场,证明了理论分析的正确性。分析叶片进口流态对水泵性能、导轴承偏磨和间隙气蚀的影响,提出改善流态的方法。成果对改进轴流泵及其进水流道设计理论和方法,提高运行性能具有重大意义。     

基于CFD的离心压缩机整级性能优化设计

本文采用CFD技术研究离心压缩机整级性能优化设计方法.首先用一元理论进行初始设计,应用全三维流场分析的方法分析叶轮、扩压器以及回流器叶片参数变化对压缩机性能的影响.在此基础上,对主要几何参数进行了优化设计.研究结果表明;通过在压缩机运行过程中调节扩压器叶片的角度,可以使压缩机的最大效率和工况范围均得到改善.对于本模型的压缩机,效率可提高3％以上.优化设计后压缩机整级气动性能得到明显改善.     

用于轴流风机的轴流叶轮气动性能试验研究

参照GB/T 1236—2000《工业通风机用标准化风道进行性能试验》,对同一台轴流风机的5种轴流叶轮分别进行了气动性能试验,通过对比5种轴流风机的气动性能试验数据进行分析,研究了单级轴流叶轮的叶片角度和叶片数对其性能参数的影响,得出了全压、风量、效率随叶片角度和叶片数改变的变化规律,试验结果表明:在最高效率工况条件下,首先对比相同叶片角度,不同叶片数的第一组试验系列,得出叶片数Z=6时,风量最大,功率最小。然后在相同叶片数,不同叶片角度的第二组试验系列,得出Z=6,β=38°时,风量最大,全压最大,功率最大,全压效率居中,因此得出应用于新型轴流式灭火风机的轴流叶轮最佳叶片数和叶片角度的组合。