海水淡化用高压泵轴向力数值模拟计算与试验对比

为提高反渗透海水淡化高压泵轴向力计算的准确性,应用CFD技术对模型泵内部的流动进行数值模拟,得到不同流量下前后泵腔的静压分布.并对模型泵样机进行试验研究,实测出不同流量下前后泵腔在不同半径处的静压值.应用多项式拟合分别绘制出两种方法下的压力分布曲线,对盖板进行面积分,计算轴向力大小.与通过试验数据计算出的结果相比,数值模拟计算出来的轴向力相对误差在9%以内,而经验公式计算的轴向力相对误差为14%,采用数值模拟方法计算轴向力具有更高的精度,对多级离心泵轴向力平衡的研究具有指导意义.     

分流导叶数量对混流泵内流场及结构特性的影响

为研究在不同分流导叶数量条件下混流泵的内流场特性及结构特性，以一款自行设计的混流泵为研究对象，采用多重坐标系和单向流固耦合的方法，在不同数量的分流导叶工况下，对混流泵进行了三维定常数值模拟。分析了混流泵在不同工况下的定常流动特性，并且对比了叶轮结构等效应力及变形的模拟结果。     

多级泵内部流场的三维数值模拟及性能预测

利用CFD软件Fluent对多级导叶式清水离心泵的内部流场进行了数值模拟,得出了叶轮及导叶内部流道的速度和压力分布规律,并发现了叶轮进口回流,出口的二次流动特征等叶轮内部流动的细节,导叶出口区产生了一个低压区等流动特征。然后根据自编计算软件利用计算得到的速度场数据计算出泵的扬程、功率、效率和流量之间的关系曲线,并与试验数据进行了比较。结果表明:在设计工况附近,预测值与试验值吻合较好,在其它工况点,特别是小流量工况点,误差较大。     

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...     

混流泵径向间隙对内部非定常流场影响的分析

采用调整混流泵径向间隙的方法,设计了蜗壳基圆直径为280、290、300mm的计算模型,并对其进行了定常和非定常计算.通过对3种模型进行非定常数值计算,得到了不同基圆直径混流泵的压力脉动特性并对其进行比较分析.结果表明:叶轮旋转时叶片和隔舌的动静干涉作用导致蜗壳近壁面各监测点的压力脉动具有明显的周期性;在相同流量下,径向间隙越小,监测点频域振幅越大;隔舌处监测点压力脉动幅度大于其他监测点幅度.对基圆直径为290mm的泵进行数值模拟与外特性试验研究,泵模拟效率为82.3%,试验效率为80%,模拟效率比试验效率高2.3%.对比两者结果可知:数值模拟的结果是可信的.     

离心泵后泵腔内液体压力数值分析与验证

离心泵轴向力的大小与泵腔内压力分布密切相关,而试验测量轴向力成本较高,因此采用数值模拟展开泵腔内压力分布规律研究,并提出简便的试验测量轴向力方法显得格外必要。利用数值模拟计算,在0.6 Q_(sp)~1.2Q_(sp)工况下,研究离心泵后泵腔压力沿轴向、径向、切向分布规律,绘制后泵腔压力在0°、90°、180°、270°及压力均值沿径向分布曲线,得出后泵腔轴向力大小,推导两种近似计算泵腔轴向力公式,提出简便的试验测量泵腔轴向力方法,并将后泵腔压力模拟结果与试验结果对比,验证模拟结果的真实可靠性。结果表明:同一流量工况点,后泵腔压力沿轴向保持不变,沿径向随半径增大而增大。流量越大,后泵腔压力沿切向分布越具有轴对称性,沿径向增大越均匀。后泵腔轴向力两种公式计算结果与数值计算结果相对误差极小,后泵腔区域压力均值与其径向几何中心处压力均值大小相等。在试验测量离心泵泵腔轴向力时,只需要测量泵腔沿180°径向中心处压力值,便可近似求得泵腔区域轴向力大小。     

开敞式混流泵内流的数值模拟与出水机构选择

为了给新型开敞式混流泵的设计积累经验并为特殊出水流道结构设计提供方法,对具有不同出水机构的开敞式混流泵进行数值模拟,分析从小流量到最大流量下的内部流动和水力性能,提出适应特殊液压动力需求的开敞式出水机构方案。给出内部流动数值模拟和性能预测的方法,通过外特性预测结果与模型试验数据的比较,验证数值计算的可靠性。在模型分析基础上,针对轴向有导叶、轴向无导叶和径向无导叶等不同的开敞式出水结构形式,进行整机内部流动分析和外特性预测,对不同结果进行比较分析,给出不同出水机构对于特定结构和动力需求的适应性。     

不同计算方法在轴流式风机数值模拟中的应用

基于MRF定常计算和SM非定常计算方法,对某轴流式风机进行了设计工况下的数值模拟。讨论了不同计算方法边界条件设置和收敛性判定的区别,分析了计算方法对风机全压效率的影响,研究了风机内部流场动静交界面上的静压分布、50%叶高截面静压和速度分布、叶片表面压力分布和叶轮出口动压分布等参数。数值结果表明,定常计算结果和非定常计算结果具有相同的变化趋势,但是存在一定的差异,这主要是由于定常计算没有考虑风机内部流动的非定常效应造成的;非定常计算能够更好地模拟动静交界区域的流动,比采用定常计算具有更好的数值结果。     

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。     

基于CFD的超临界锅炉给水泵变工况模拟及轴向力预测北大核心

本文利用当前公认的优秀CFD模拟软件ANSYS-CFX,对某1000MW超临界锅炉给水泵进行了设计转速下的变工况数值模拟,选用RNG-K-e湍流模型进行多级连算得到了较为详细的泵内流场数据。利用CFD软件计算压力场和经验公式相结合的方法,对给水泵的轴向力进行了预测计算,计算结果表明泵在变工况运行过程中的轴向力变化较大,准确预测轴向力对泵的稳定运行及平衡装置设计具有重要意义。本文基于CFD模拟与经验公式相结合计算轴向力的方法,可以对今后泵产品水力模型设计和泵轴向力预测研究提供一定的参考和指导。     

Effects of meridional flow passage shape on hydraulic performance of mixed-flow pump impellers

During the process of designing the mixed-flow pump impeller, the meridional flow passage shape directly affects the obtained meridional flow field, which then has an influence on the three-dimensional impeller shape. However, the meridional flow passage shape is too complicated to be described by a simple formula for now. Therefore, reasonable parameter selection for the meridional flow passage is essential to the investigation. In order to explore the effects of the meridional flow passage shape on the impeller design and the hydraulic performance of the mixed-flow pump, the hub and shroud radius ratio (HSRR) of impeller and the outlet diffusion angle (ODA) of outlet zone are selected as the meridional flow passage parameters. 25 mixed-flow pump impellers, with specific speed of 496 under the design condition, are designed with various parameter combinations. Among these impellers, one with HSRR of 1.94 and ODA of 90° is selected to carry out the model test and the obtained experimental results are used to verify accuracies of the head and the hydraulic efficiency predicted by numerical simulation. Based on SIMPLE algorithm and standard k-ε two-equation turbulence model, the three-dimensional steady incompressible Reynolds averaged Navier-Stokes equations are solved and the effects of different parameters on hydraulic performance of mixed-flow pump impellers are analyzed. The analysis results demonstrate that there are optimal values of HSRR and ODA available, so the hydraulic performance and the internal flow of mixed-flow pumps can be improved by selecting appropriate values for the meridional flow passage parameters. The research on these two parameters, HSRR and ODA, has further illustrated influences of the meridional flow passage shape on the hydraulic performance of the mixed-flow pump, and is beneficial to improving the design of the mixed-flow pump impeller.     

单流道泵内部非定常流动特性

将叶片和蜗室作为一个整体,对单流道泵内部三维非定常流动特性进行研究,经分析提出了单流道泵内部三维非定常势流流动和三维非定常湍流流动的数值模拟方法,分别计算了单流道泵内部的速度场、压力场和叶片表面的压力分布,对进一步研究单流道泵内部流动具有重要意义。在此基础上计算了叶轮所受的径向力及其变化趋势,为提高单流道泵运行稳定性提供了理论依据。此外还计算了扬程、平均水功率和效率,并与试验值作对比。尽管忽略粘性使得势流计算得到的速度场在蜗壳的局部区域出现反方向流动,从而导致叶片压力面压力沿展向波动变化,但其性能曲线与试验值变化趋势一致,粘性计算结果与试验值相比,精度较高。     

离心泵作透平最佳工况点下的瞬态流动特性分析

为揭示离心泵作透平在最佳工况点下主要过流部件的瞬态流动特性,采用修正的PANS模型对一台比转速为90的离心泵作透平的瞬态流动特性进行数值模拟,通过试验验证数值计算的准确性;根据叶片的进、出口速度三角形计算理论最佳工况点,并对最佳工况下叶栅内部的流动规律进行预测;对蜗壳、叶轮在最佳工况点下的内部瞬态流动特性进行分析。结果表明,叶轮理论进、出口最佳工况点分别为55 m³/h、108 m³/h,实际最佳工况点为80 m³/h;叶片与蜗壳隔舌的动静干涉会促进隔舌前缘旋涡的脱落,当叶轮前缘与隔舌前缘平齐时,蜗壳内压力脉动强度最低;叶栅内旋涡的脱落频率约为2f_n,涡量的演变主要由其输运方程中的拉伸项及科氏力项共同主导;吸力面附近涡量的演变对叶轮前、中部流道内的压力脉动影响较大,而叶片尾缘涡量的演变对叶轮出口处的压力脉动影响较大。研究结果可为提高离心泵作透平在余能回收系统中的运行稳定性提供参考。     

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.

     

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。     

Unsteady Turbulent Simulation and Pressure Fluctuation Analysis for Centrifugal Pumps

The pressure fluctuation in the flow passage of both impeller and casing is addressed on design condition. The initial conditions for the unsteady turbulent simulation are resulted from the steady calculations, and the three dimensional unsteady turbulent simulation concerning the rotor-stator interaction is executed by a Navier-Stoke solver embedded with k -ε turbulence model and with appropriate moving interface boundary conditions. Detecting points are distributed in the flow passage in different radial and circumferential positions to capture the static pressure fluctuation character for one cycle of the impeller. The time-domain spectrums show that the static pressure curves are periodic and have five peaks and five valleys. With the radius increasing, the pressure fluctuation peak-to-peak values in the impeller are increasing, and reach the maximum value on the interface. In the casing flow passage, those values are about 7% of local static pressure except some ones near the tongue. The values become decreasingly in the diffuser pipe. The frequency spectrums transformed by fast Fourier transform (FFT) show that the dominant frequency is approximate with the blade passing frequency, and the pressure fluctuations in impeller passage have high frequency content while those in casing ones have no such information.     

单流道泵叶轮水力径向力的数值计算

将叶片和蜗壳作为一个整体,采用边界元法对单流道泵内部三维非定常势流流动进行了数值模拟,计算了泵叶片表面压力,并在此基础上进一步计算了叶轮上所受的水力径向力及其变化趋势,对提高泵的运行稳定性具有指导意义。     

离心泵径向力的数值分析

利用CFD软件,用数值模拟分析了离心泵的内部流动。对比试验与数值计算外特性曲线,趋势一致,说明本文应用数值计算结果建立的离心泵径向力计算模型具有一定的准确性。通过叶轮出口不同截面的静压分布图,探讨叶轮出口各截面的静压分布规律。利用离心泵径向力的数学计算模型,得出各个工况下叶轮所受的径向力。其值与经验公式计算值进行比较,变化趋势一致,进而用现代数值模拟的方法验证了用经验公式计算径向力的准确性。     

变转速工况下汽车冷却水泵内外特性变化规律

以某汽车冷却水泵为研究对象,通过定常流场模拟和试验得到多转速工况下的外特性曲线,二者有较好的一致性:扬程随转速均匀变大,高效区增宽并向大流量区偏移。通过非定常流场模拟获得了不同转速下流道内流线、径向速度和压力脉动等分布特性,并对比分析了蜗壳和叶轮所受轴向力和径向力的变化趋势。结果表明:流体速度值、压力脉动幅值以及受力等随转速有较大变化,说明该泵长期远离高效区运行,存在较大的运行稳定性隐患和节能优化空间。     

叶片厚度对混流式核主泵叶轮能量性能影响研究

基于三维不可压缩流体N-S方程和RNGκ-ε湍流模型,对混流式核主泵叶轮水力模型的能量性能进行了数值预测,研究了不同叶片厚度及其分布规律对混流叶轮模型水力性能的影响。通过分析叶轮叶片压力面、吸力面的静压分布,获得叶片表面的载荷分布及其变化规律。结果表明:随着叶轮叶片厚度减薄,最高效率值有所增大且高效点向大流量工况偏移;当叶片最厚处位置在靠近进口边约1/3处时,叶轮水力效率值最大;随着叶片最厚位置由进口向出口移动时,最高效率点向大流量工况偏移。