颗粒特性对离心泵叶轮叶片的磨损分析

为了预测离心泵叶轮叶片的磨损位置和计算磨损量的大小,利用有限元软件Ansys-FLUENT和离散元软件EDEM基于计算流体动力学(CFD)和离散单元法(DEM)耦合的方法,探究了颗粒体积分数(2%、3%和4%)、粒径(1 mm、2 mm和3 mm)、形状(球形、类球形和三角形)对离心泵叶轮叶片的磨损影响。结果表明离心泵内部压强最大处为隔舌部位,出口管道的滞留区域与大涡量区域分布一致,管道涡具有滞留作用;随着颗粒体积分数的增加,颗粒最大速度增加,最小速度减小,叶轮叶片磨损量增大,磨损分布不变;当粒径增大时,颗粒最大速度与最小速度同时增大,磨损增加,磨损最严重的位置由尾部变为头部,颗粒尖锐程度的增加也使得磨损加剧。     

基于反问题设计的离心泵叶轮泥沙磨损特性优化研究

离心泵被广泛应用于我国黄河沿岸的提灌泵站中。黄河水中的泥沙对离心泵造成的泥沙磨损问题严重影响离心泵的安全高效运行。反问题设计是离心泵叶轮优化设计的常用方法，但作为其关键设计参数的叶片载荷加载方式对离心泵磨损性能的影响尚不清楚。针对叶片载荷加载方式对离心泵叶轮泥沙磨损特性影响的问题，采用固液两相流数值计算的方法，研究了前盖板前加载后盖板后加载、前后盖板均偏中加载以及前后盖板均偏后加载3种不同叶片载荷加载方式对离心泵水力性能、叶轮磨损特性和固液两相流流场特性的影响。结果表明：相比于其它方案，前后盖板均偏中加载方案得到的离心泵具有较优的水力性能。在各工况下，相比于原叶轮，前后盖板均偏中加载方案的叶片最大磨损率减小25%~73%，小流量工况下可减小73%，大流量工况下可减小25%，明显提高了叶片的磨损性能。相比于原叶轮，3种优化方案在前盖板背面流线上的压力分布更均匀光顺;在小流量工况下，前后盖板均偏中加载方案和前后盖板均偏后加载方案叶片表面的固相体积分数较小，各种方案得到的叶片表面的速度分布基本相同;在额定流量工况下，原叶轮的叶片表面体积分数较小，前后盖板均偏中加载方案和前后盖板均偏后加载方案的叶片工作面固相速度大的区域相对较小，固相速度也有所减小。因此，前后盖板均偏中加载方案具有较优的水力性能和磨损特性，可为离心泵叶轮磨损特性的优化提供参考。     

基于CFD的离心泵叶轮水力性能优化

离心泵已广泛应用于工农业生产生活中,因此其效率的提升对于满足实际需要和节约能源有着非常重要的意义。为了解决某型号离心泵叶轮出口部位的少量紊流,为该离心泵叶轮添加了5个短叶片,以求减少紊流、改善叶轮出流状况、保护固定导叶,并达到进一步提升效率的目的。将添加短叶片前后的离心泵基于SST模型进行流场模拟,并绘制出Q-η曲线进行比较,然后将设计工况下添加短叶片前后的压力云图、速度流线图与实际试验数据进行比较分析。结果发现,在添加短叶片后,叶轮出口部位的紊流明显减小,液流更加均匀,效率也得到了一定程度的提升。试验结果可为该型号离心泵的优化和效率的进一步提升提供一种新的思路和理论参考。     

基于数值模拟的管道离心泵水力性能及能量耗散研究

采用雷诺时均的方法,基于SST k-ω湍流模型,开展了管道离心泵能量损失可视化的数值模拟研究。计算结果表明：叶轮内高压主要分布在叶片出口边,蜗壳内压力主要分布在隔舌和出口通道;管道离心泵的能量耗散中脉动熵产占主导地位,设计工况下管道离心泵的能量耗散最低,小流量工况的能量耗散是设计工况的3.4倍,大流量工况的能量耗散是设计工况的2.9倍;叶轮进口边、压力面、出口边以及间隙处能量耗散最大,蜗壳隔舌和出口通道内能量耗散最大。研究成果对同类水泵的低能耗设计提供了参考。     

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。     

双吸离心泵空化性能试验验证与数值模拟

对一台双吸离心泵的能量特性和空化外特性进行了试验测量,基于SST k-ω湍流模型及Zwart-GerberBelamri空化模型对双吸离心泵内部流动进行数值模拟,计算得到的双吸离心泵扬程曲线、效率曲线及扬程随有效空化余量变化曲线与试验结果吻合较好。数值模拟结果表明:随着有效空化余量的减小,叶轮内低压区从叶轮进口处向出口处渐渐扩大,叶轮内空化沿叶片吸力面从叶片头部向叶片尾部逐渐发展,并集聚在叶片吸力面顶部附近;泵扬程下降的主要原因是叶轮内空泡的阻塞作用,并叶轮内空化发展到一定程度时叶轮流道内出现旋涡区,使影响叶轮内部流态,导致泵扬程突降。     

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。     

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。     

串列叶片技术在离心泵中应用的数值研究

将离心压缩机叶轮的串列叶片技术应用于低比转速离心泵,通过对2种叶轮的数值模拟计算分析,从流动而言,叶轮出口速度分布更加平稳,弱化射流-尾迹结构;从性能而言,整个运行范围内,扬程略减小,而使得H-Q曲线斜率平缓.     

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。     

基于支持向量机的离心泵磨损特性分析方法

针对离心泵磨损机理错综复杂和高度非线性的特点,提出了基于最小二乘支持向量机的离心泵磨损特性分析方法,通过对算法的实现,建立了离心泵的磨损特性分析和几何参数优化的智能模型,模拟得到离心泵的磨损特性关系,分析了磨损随轮叶片几何参数的变化规律。与神经网络和普通支持向量机方法进行计算比较,结果表明,最小二乘支持向量机磨损预测模型得出的的平均相对误差只有0.005%,学习速度为12步,训练时间为1.1s,学习速度和预测精度得到了很大的改善。可为离心泵的磨损特性分析及其抗磨可靠性设计提供新的可行方法。     

长短叶片水轮机转轮内固液两相流数值模拟

运用RNGκ-ε湍流模型和两相流混合模型,分别对常规叶片和长短叶片的混流式水轮机全流道在不同开度下的含沙水流运动进行数值模拟,并对常规叶片转轮磨损情况与实验结果进行比较分析。对固体颗粒在2种转轮内的流动状况及叶片表面泥沙磨损程度进行分析时发现:2种转轮叶片表面泥沙颗粒速度曲线趋势相同,都是在叶片进口处存在速度最大值;在最优工况下,常规叶片表面的泥沙浓度要高于长短叶片,在叶片进口压力面和出口处出现了严重的泥沙磨损;长短叶片表面的泥沙浓度分布更为均匀。此外,在计算过程中还发现,叶片进口压力面的磨损程度随开度的减小而稍有加剧,最严重区域发生在距叶片进口1/5位置处。     

乌兹别克斯坦共和国乌鲁格纳尔泵站改造

水泵抽送含沙水,其叶轮和流道的磨损破坏速度与转速有关,转速越高,磨损越快,因此,高扬程水泵降低转速对水泵的运行寿命有利。文章结合泵站改造,简要介绍高扬程、中档转速水泵的选用、研制、试验过程。经改造,各项技术指标均满足合同要求。     

海浪发电机双向轴流叶轮设计与仿真分析

为了使海洋浮标具备正常的定位及监测功能,需要合理地进行双向轴流叶轮的选型分析。采用软件对翼型进行选择,并通过 Fluent 软件对翼型进行水动力仿真分析,由压力云图得到影响流体动力性能的主要因素是前半段的弧线。基于此设计 S 翼型,进行 UG 建模,并通过接口导入 Fluent 软件进行叶轮仿真,以选定叶片数量。采用叶素动量理论( BEM) 对海流能自供电浮标叶轮翼型进行原理分析,建立 Bladed 模型,仿真得到叶轮输出特性,从而验证了水动力仿真的正确性。通过模拟试验平台对所设计叶轮的可行性进行验证。结果表明: 桨距角为 15°,尖速比为 4,叶片数量为 4 的叶轮在流速2. 2 m / s 下获能效率最大,其数值接近40% 。通过对仿真及理论分析的正确性进行验证,能够为之后的水槽及海试试验提供数据参考。     

水泵叶轮直径对低扬程泵装置水力性能的影响

采用数值计算的方法,分别计算了具有不同水泵叶轮直径的立式轴流泵装置和灯泡贯流泵装置的流道水力损失,比较了水泵叶轮直径对流道水力损失的影响;根据叶片泵的相似律,分析了在一定设计流量条件下水泵叶轮直径与nD值的关系以及对水泵选型设计的影响。结果表明：选取较大的水泵叶轮直径将显著提高流道效率和泵装置效率;＂增径降速＂与降低nD值是一致的;在泵装置扬程较低的情况下,选取较小的nD值便于选用到水力性能较好的轴流泵水力模型。     

循环水泵节能技术研究与实施

针对广东梅县发电厂循环水泵能耗高的情况，对循环水泵进行了节能技术改造的措施研究，主要内容是利用二元准正交迭代法开发了超高比转速高效离心泵叶轮，并研究了新叶轮与原泵壳的流动匹配性能，从而实现在电机、泵壳（基础部分）、管道等均不变的条件下，通过更换转轮等关键部件达到提高运行效率及降低能耗的目标，取得了显著的经济效益。     

Numerical prediction of 3-D periodic flow unsteadiness in a centrifugal pump under part-load condition

Numerical simulation and 3-D periodic flow unsteadiness analysis for a centrifugal pump with volute are carried out in whole flow passage, including the impeller with twisted blades, the volute and the side chamber channels under a part-load condition. The pressure fluctuation intensity coefficient （PFIC） based on the standard deviation method, the time-averaged velocity unsteadiness intensity coefficient （VUIC） and the time-averaged turbulence intensity coefficient （TIC） are defined by averaging the results at each grid node for an entire impeller revolution period. Therefore, the strength distributions of the periodic flow unsteadiness based on the unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes （URANS） equations can be analyzed directly and in detail. It is shown that under the 0.6Qd~. condition, the pressure fluctuation intensity is larger near the blade pressure side than near the suction side, and a high fluctuation intensity can be observed at the beginning section of the spiral of the volute. The flow velocity unsteadiness intensity is larger near the blade suction side than near the pressure side. A strong turbulence intensity can be found near the blade suction side, the impeller shroud side as well as in the side chamber. The leakage flow has a significant effect on the inflow of the impeller, and can increase both the flow velocity unsteadiness intensity and the turbulence intensity near the wall. The accumulative flow unstea- diness results of an impeller revolution can be an important aspect to be considered in the centrifugal pump optimum design for obtaining a more stable inner flow of the pump and reducing the flow-induced vibration and noise in certain components.     

离心叶轮内宾汉流体的密相两相湍流数值模拟

阐述了宾汉流体控制方程的特点,首先对单相的宾汉流体与密相液固两相流进行了计算,计算结果与实验数据吻合较好。其次对离心叶轮内的含颗粒的宾汉流体的两相流动进行了计算,从进口到出口,宾汉流体的速度是减小的,压力随半径增大逐渐升高,而且压力面上的压力大于吸力面上的压力。吸力面上的颗粒拟温度小于压力面上的颗粒拟温度,而且靠近壁面处的大于叶道中的。从减轻叶片磨损角度来讲,双圆弧型线比单圆弧的好,叶片出口角小的比出口角大的好。最后比较了液固两相流与含颗粒的宾汉流体的两相流的流动,颗粒拟温度有较大差别。     

Master equation and runaway speed of the Francis turbine

The master equation of the Francis turbine is derived based on the combination of the angular momentum(Euler) and the energy laws. It relates the geometrical design of the impeller and the regulation settings(guide vane angle and rotational speed) to the discharge and the power output. The master equation, thus, enables the complete characteristics of a given Francis turbine to be easily computed. While applying the energy law, both the shock loss at the impeller inlet and the swirling loss at the impeller exit are taken into account. These are main losses which occur at both the partial load and the overloads and, thus, dominantly influence the characteristics of the Francis turbine. They also totally govern the discharge of the water through the impeller when the impeller is found in the standstill. The computations have been performed for the discharge, the hydraulic torque and the hydraulic efficiency. They were also compared with the available measurements on a model turbine. Excellent agreement has been achieved. The computations also enable the runaway speed of the Francis turbine and the related discharge to be determined as a function of the setting angle of the guide vanes.     

Optimization design of multiphase pump impeller based on combined genetic algorithm and boundary vortex flux diagnosis

A novel optimization design method for the multiphase pump impeller is proposed through combining the quasi-3D hydraulic design(Q3DHD), the boundary vortex flux(BVF) diagnosis, and the genetic algorithm(GA). The BVF diagnosis based on the Q3DHD is used to evaluate the objection function. Numerical simulations and hydraulic performance tests are carried out to compare the impeller designed only by the Q3DHD method and that optimized by the presented method. The comparisons of both the flow fields simulated under the same condition show that(1) the pressure distribution in the optimized impeller is more reasonable and the gas-liquid separation is more efficiently inhibited,(2) the scales of the gas pocket and the vortex decrease remarkably for the optimized impeller,(3) the unevenness of the BVF distributions near the shroud of the original impeller is effectively eliminated in the optimized impeller. The experimental results show that the differential pressure and the maximum efficiency of the optimized impeller are increased by 4% and 2.5%, respectively. Overall, the study indicates that the optimization design method proposed in this paper is feasible.