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。     

含空间导叶的扩压器内部复杂流动的数值分析

该文以某多级气液混输泵为研究对象,采用混合模型进行数值模拟计算,探究了在4种不同进口含气率条件下,含空间导叶扩压器内部的复杂流动。结果表明：在不同进口含气率条件下,混输泵扩压器各流道内均产生了不同程度的通道涡,导致气体在扩压器导叶背面涡核中心附近聚集,从而降低了混输泵的运行效率。通过非定常数值模拟分析发现,随着进口含气率的增大,概率密度函数峰值不断减小,而低频段的压力脉动幅值逐渐变大。扩压器的轴向振动幅值远大于相同条件下径向振动幅值,且系统各方向的低频振动幅值均随着进口含气率的增大而增大,并在转轮叶频处振动幅值最大。分析结果显示：在气液两相流条件下,该混输泵扩压器各流道内产生的通道涡及气体聚集是导致扩压器内不稳定流动的关键原因;在低进口含气率条件下,系统主要表现为相对更加集中的脉动能量;扩压器内部不稳定流动及转轮转动是诱发系统振动的主要原因,且主要表现为轴向振动。     

基于机器学习的半开式混输泵气液两相压升特性预测研究

针对半开式混输泵气液两相运行，特别是喘振工况下，压升难以获取的问题，采用机器学习的方法预测其压升特性，以协助优化设计，保障混输泵安全运行。该文通过试验的方法，获得混输泵气液两相压升的数据；然后构建以转速、液相流量和入口体积含气率作为输入特征，并基于高斯过程回归(GPR)、BP神经网络(BPNN)以及支持向量机回归(SVR)等算法的机器学习模型，开展混输泵压升的预测和分析。结果表明：在混输泵正常工况时，BPNN模型在高含气率的预测值严重偏离试验值，GPR模型预测的相对误差在5%；在混输泵喘振工况时，BPNN和SVR模型的预测误差随着喘振的持续进行逐渐增大；GPR模型在喘振区间的压升预测值误差均小于SVR和BPNN模型，大部分样本点相对误差在5%。GPR模型的气液两相压升预测能力最优，该方法通过少量试验数据，即可达到大量试验的效果；以概率分布方式输出预测值更能适应喘振工况大压力波动的样本特征，显著提高了混输泵喘振现象的研究效率。     

立式轴流泵装置叶轮间隙泄漏流动与受力稳定性研究

为了研究不同叶顶间隙对轴流泵泄漏流动特性的影响,采用SST k-ω湍流模型,对立式轴流泵原型进行三维数值模拟计算,分析泄漏流动对叶片表面压力分布和泵装置叶轮受力特性的影响。计算结果表明,随着流量的增大,轴流泵叶顶泄漏涡的发生位置逐渐向叶片尾缘处移动,随着流量的增大,叶片前缘压力面处出现泄漏涡,叶片表面压力差最大值也从叶片前缘处逐渐向叶片尾缘处移动。通过叶轮受力特性分析可知,设计流量工况下间隙尺寸对叶轮径向力的变化影响较小,非设计流量工况下,随着间隙尺寸的增大,叶轮受到的径向力波动幅度逐渐增大,可能对轴流泵的稳定运行造成影响。     

含气率对气液两相流离心泵性能的影响

为了研究进口含气率对气液两相流离心泵外特性以及内部流场特性的影响,该文采用计算流体动力学分析方法对某一气液两相流离心泵进行三维数值模拟研究。结果表明:扬程随着进口含气率的增加而降低,特别地,当进口含气率由3%增加到5%时,泵的扬程相对于纯水设计工况降低了37%;气液两相流工况叶轮流道会出现气体聚集区域,随着进口含气率的增加气体聚集区域面积也会增大;气体主要聚集在叶轮流道的上盖板附近,且随着进口含气率的增加气体聚集区向叶轮出口扩散。通过该研究得到以下结论:进口含气率的增加会导致泵的扬程降低;进口含气率会影响叶轮内部气体分布规律,进而影响内部流场,导致泵的性能发生改变。     

3级离心混输泵在气液两相流条件下流动特性分析

以深海3级离心式混输泵为几何计算模型,水和空气为研究介质,在进口含气率在0～20%条件下对泵进行三维全流道数值模拟,采用Eulerian-Eulerian非均匀流模型作为湍流计算模型,其中气相采用零方程模型。该次计算对3级泵外特性和内部气体分布、压力分布等内部流场特性。结果显示:随着含气率的增加扬程和效率均呈现下降趋势,且扬程和效率均随着进口气体含量下降速度加快。但是在含气率从0到1%时存在含气率增加,扬程和效率增加的现象。且气体在转轮内部的分布从进口压力面向出口出口吸力面发展,且随着进口含气率的增大,气液出现分离现象,且在转轮流道中出现断塞流现象。转轮各叶片的吸力面和压力面的压力分布在气液分离处出现负压现象。湍流强度的变化受到含气率的大小影响不同。     

离心泵叶顶泄漏涡结构特性研究

叶顶间隙产生的泄漏涡会对半开式离心泵性能产生不利影响,为了探究不同流量工况下泄漏涡结构及其运动轨迹的变化规律,本文采用SST k-ω湍流模型对半开式离心泵进行全流道数值模拟,分析了泄漏涡的结构特征和泄漏流速度分布,改进了泄漏涡运动轨迹预测模型。结果表明,数值模拟值得到的外特性与试验值吻合较好;叶顶泄漏流相对速度的弦向分量的最小值出现的位置与泄漏涡的初始位置重合,并且随着流量的减小向上游移动。叶片进口边负的弦向分量导致回流的形成,而法向分量的增大是导致小流量工况前缘溢流和大流量工况叶片尾缘二次泄漏流的根本原因。叶顶间隙内速度梯度较大的泄漏流会引发高熵产,并且与主流混掺形成泄漏涡,在泄漏涡周围同样引发高熵产,高熵产区面积随着流量的减小而增大。改进轨迹预测模型用叶顶间隙进口的平均速度代替了原先叶轮进口平均速度,扩展了预测范围,减小了预测结果的误差,说明改进模型能够很好地预测泄漏涡核的迁移轨迹。     

轴流泵叶轮叶顶区空化流的数值模拟与实验研究

为分析大流量工况下轴流泵叶顶区空化流场特性,采用修正的空化模型和SST k-ω湍流模型以及结构化网格技术,对南水北调工程某一轴流泵模型叶顶区流场进行数值模拟,并分析其大流量工况下叶顶间隙内的轴向速度和湍动能分布特性,揭示了叶片不同弦长截面的空穴分布和压力场的关联性。采用高速摄影技术,对叶顶区不同空化数下的空化流场进行实验测量,并与数值计算结果进行对比分析。研究结果表明,叶轮叶顶区空化主要分布在叶顶间隙区、泄漏涡卷吸区和涡带区域。在大流量工况下叶顶区空泡分布起始于叶顶叶片弦长中间位置,随着叶顶翼型弦长系数的增加,由叶顶角涡引起的间隙空化从叶顶压力面拐角处发起,并覆盖叶顶间隙区;泄漏涡空化区随着泄漏涡的产生、增强和耗散,与之对应也具有空化初生、发展和溃灭的过程。在大流量空化严重工况下,流动分离诱导叶片压力面前缘约50%区域出现片状空化,叶片吸力面中后部也形成了片状附着空化,同时叶顶区刮起涡空泡、泄漏流空泡和叶顶泄漏涡空化涡带并存,严重堵塞了叶轮流道。     

不同叶顶间隙下斜流泵轮缘压力脉动特性的数值分析

为了阐明斜流泵小流量工况下近叶顶间隙区域的压力脉动特性,揭示不同叶顶间隙RTC对斜流泵瞬态运行稳定性的影响,对斜流泵模型进行非定常数值模拟。选取叶顶间隙RTC分别为0、0.5、1和1.5 mm的4种方案,基于LES大涡模拟、SIMPLEC算法与结构化网格,通过压力脉动频谱分析,了解RTC与近叶顶间隙区域压力脉动的内在关系。结果表明,RTC引起的泄漏流与主流掺混加剧了叶顶间隙区域流动的不稳定性,降低了叶片的做功能力;较大的RTC可以有效减少叶顶间隙区域的高频压力脉动,但引起的泄漏流加剧;随着RTC的增大,叶轮近壁区压力脉动平均值逐渐减小,水力性能下降。斜流泵设计时,选取适当小的RTC可以提高斜流泵的整体水力性能。     

离心泵内气液两相非定常流动模态分解与重构研究

为了深入探究离心泵内复杂的气液两相非定常流动，该文采用数值模拟并结合动态模态分解的方法，分析了3%和5%进口含气率下，叶轮内的不稳定流场，并对叶轮内气相体积分数和液相速度分布进行了动态模态分解和重构。主要结果如下：3%进口含气率时，叶轮内流场不稳定，分解后其1～4阶模态频率均为特殊频率，反映了气泡聚集和脱落对流场的扰动；5%进口含气率时，其1～4阶模态频率以叶轮转频及其倍频为主，反映了叶轮旋转对流场带来的扰动；动态模态分解法可以对流动规律明显的流场很好地实现重构，但是对于规律不明显的流场，其只能在主流大尺度层面实现降阶重构，对局部小尺度流动重构误差较大。     

轴流泵叶顶泄漏涡及其空化的数值模拟与可视化试验

为了研究叶顶泄漏涡的三维结构及其空化特性,该文以某一轴流泵模型为研究对象,利用修正的滤波器模型(Modified Filter-based Model,MFBM)对轴流泵叶顶间隙流动进行数值模拟,并与试验进行对比。结果表明修正后的湍流模型可以很好地预测泵的水力性能和空化性能。该文通过轴向速度和湍动能分布,详细地解释了不同工况下叶顶间隙内的流场结构。利用最小张量法则,可以判别叶顶区的空化初生现象,且结果与利用最大旋涡准则预测的涡心涡量和压力分布相一致。通过叶顶区的三维涡量分布,揭示了叶顶泄漏涡的三维卷吸过程,表明了叶顶泄漏涡的空间结构。利用数值模拟和可视化试验,说明了叶顶空化涡的类型及其演变过程,尤其是叶片出口处几乎垂直于叶片吸力面的大尺度空化云结构,其初生机理及其诱导的流动失稳等现象将是今后研究的重点。     

气液条件下离心泵的气相分布特性分析及性能预测

以气液混输离心泵作为研究对象,采用N-S方程和欧拉-欧拉模型,对进口含气率为1％到10％时的气液两相流工质条件下进行全流道数值模拟,计算求解时采用混合网格对流体域进行离散,分析不同含气率下的外特性变化情况和叶轮流道的气相分布情况.结果表明:随着进口含气量的增加,泵的扬程和效率都有所降低,并且含气率越大,性能下降越快,气...     

竖井贯流泵水力不稳定特性的改善研究

为有效抑制竖井贯流泵水力不稳定马鞍区的产生,该文基于URANS方法和FBM-CC湍流模型,开展了沟槽控制技术改善竖井贯流泵水力不稳定特性研究。在深度失速工况下,采用正交试验方法优选出显著改善竖井贯流泵水力性能的沟槽控制技术方案,利用边界涡量动力学和熵产理论深入研究沟槽控制技术改善竖井贯流泵水力不稳定特性的机理。研究结果表明：沟槽控制技术能够有效抑制马鞍区工况下叶顶间隙泄漏涡和叶片表面的流动分离,改善了叶片表面的边界涡量流(BVF)均匀分布情况,提高了叶轮的做功能力以及降低了叶轮区域的水力损失,显著提升了竖井贯流泵的水力性能,其中在深度失速工况时,扬程和效率分别提高了12.3%和1.75%,进而能够有效抑制水力不稳定马鞍区的形成。     

叶顶间隙对轴流泵轮缘泄漏流动影响的大涡模拟

为揭示不同尺寸叶顶间隙下轴流泵轮缘区湍流特征,采用大涡模拟方法对轴流泵在设计流量下的内部非定常流动进行了数值计算,分析了5种叶顶间隙下泵轮缘间隙区的流场结构。通过泵外特性参数预测值与实验结果的对比,证实本文所提出的方法可较准确反映泵内流动特征。结果表明:随轮缘间隙增加,泵扬程、功率和效率均呈下降趋势;叶顶间隙内泄漏流速度沿径向逐渐增大;随间隙尺寸增加,轮缘间隙主泄漏涡强度及与叶片夹角均增大,泄漏涡的非稳定性增强;当间隙δ/D2大于1.0‰,间隙主泄漏涡发展至相邻叶片正面;当δ/D2大于1.5‰,叶顶间隙内出现间隙分离涡,间隙区形成多个次泄漏涡,其影响范围随间隙尺寸的增加而增大。     

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。     

双向潜水贯流泵装置内流及水力性能分析

为明晰双向运行时潜水贯流泵装置的内流特征及水力性能,采用数值模拟技术对双向潜水贯流泵装置进行全流道计算,通过模型试验验证数值计算的有效性。结果表明：在叶轮的叶片安放角0°、双侧可调导叶的叶片调节角0°且灯泡体位于内河侧时,泵装置在排涝工况时最高效率为59.29%,引水工况时泵装置最高效率为58.41%;双向运行各流量工况时,叶轮进水侧的过流结构内部流线均平顺流态较好,叶轮出流侧的过流结构内部流态相对紊乱;在双向运行时,直管式流道的出口面轴向速度分布均匀度均大于92%,速度加权平均角均大于89°,直管式进水流道为叶轮提供良好的入流速度分布;在高效工况时,泵装置出水流道进口的偏流角均低于导叶体出口;叶轮所受的轴向力均随着流量的增大而减小。研究成果为双向潜水贯流泵装置的结构优化提供了一定的参考价值。     

高速潜水轴流泵大流量工况的空化特性

为了研究大流量工况下高速潜水轴流泵的空化特性,基于ANSYS CFX软件,选取Zwart、Kunz以及Schnerr-Sauer 3种空化模型进行大流量工况下高速潜水轴流泵外特性和泵内空化流动特性数值模拟。结果表明:大流量工况下Schnerr-Sauer空化模型预测的外特性变化趋势与试验值最为吻合,相较于另两种空化模型,Schnerr-Sauer空化模型模拟的叶片背面空泡体积分数较高;空化严重区域主要出现在叶片背面进口附近以及叶顶,同一空化数下,流量越大,叶片空化状况越严重;叶片载荷分布由叶片进口边到出口边呈先增大后减小的趋势;各流量下空泡首先出现在叶片背面进口前缘位置,随着空化数的减小,空泡体积分数沿着主流方向朝叶片后缘不断增大直至空泡占据整个叶片背面;叶片背面处的三角形云状空化尾缘空穴极不稳定,随着叶轮旋转,尾缘处空泡微团逐渐脱落,朝着相邻叶片不断移动,对相邻叶片的工作面产生侵蚀破坏,导致叶片载荷发生变化,对轴流泵水力性能产生影响。     

基于CFD的轴流泵流场特性分析

为更深入研究轴流泵,了解不同工况下轴流泵的运行状态,进一步强调最优工况运行的重要性,结合南水北调工程中某泵站模型的数据,采用流体力学软件Fluent,在多重参考坐标系下,选用S-A湍流模型对模型泵进行数值模拟。通过计算,对不同工况下的轴流泵水力性能进行了预估,绘制了轴流泵的特性曲线,与试验值进行比较,吻合较好,说明了数值模拟的准确性。根据数值计算结果,分析了轴流泵叶轮叶片和导叶叶片表面的速度及压力分布,揭示了叶片和导叶表面流态和压力的分布规律:叶片压力径向递增,相对速度由轮毂到轮缘逐渐加快,按圆柱面分布,导叶表面压力呈带状分布,水流最终从导叶出口沿轴向流出。     

低比转速离心旋涡泵的气液混输汽蚀试验分析

提出了低比转速离心旋涡泵的叶轮设计方法,研制了具有诱导轮、复合离心叶轮和开式旋涡叶轮串联组合结构型式的低比转速离心旋涡泵样泵,并设计了气液混输泵闭式试验装置,进行了气液混输对汽蚀性能影响的试验;以清水汽蚀试验作为对照,分析了试验工况点的含气量和气液混合总流量两个关键因素变化对汽蚀性能的影响.试验结果表明,气液混输时泵的汽蚀性能陡降,且含气量越大,汽蚀性能越低;样泵适合在额定流量5m~3/h且含气量在0-0.42 m~3/h范围内进行气液混输.     

蜗壳式混流泵压力脉动特性研究

基于雷诺时均方程和RNG k-ε湍流模型,应用SIMPLE算法,对混流泵内部流场进行非定常数值模拟,分析不同工况监测点上压力脉动的时域特性和频域特性。取定常计算的外特性与实验值对比,对比结果为不同工况的扬程偏差均小于5%,证明该数值模型能准确地描述泵内流场特征。结果表明:叶片进口处水流冲击产生的回流和漩涡是引起叶轮内压力脉动的主要动力源,叶轮与蜗壳间的动静相干作用是产生蜗壳内压力脉动的主要动力,并且在向下游传播过程中,压力脉动逐渐减弱,叶频占主导地位,在小流量工况运行时,主频有向叶轮转频迁移的趋势,大流量工况下最大压力脉动发生在转轮中间位置;叶轮内的压力脉动要远远高于蜗壳,这是引起机组振动和噪声的主要来源。