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。     

微型高速离心泵多工况内部空化特性分析

基于CFX软件和RNG k-ε湍流模型,研究了不同流量和不同进口压力条件下泵内空化流动的特性。通过Rayleigh-Plesset方程均相流动空化模型分析了叶轮内的空泡数与叶轮扭矩随空化系数变化的关系,空化的初生、主要位置和流道的静压变化特性。结果表明:空泡体积随空化系数的减小而增大,空化初生在叶片前缘及附近流道。随着进口压力的减小,诱发空化的低压区主要集中于叶片与流道的中部且压力分布不均匀。各小流量工况下,扭矩变化随着空化系数的减小而减小,在空化系数较大时,不同工况下的扭矩均会有不规则波动且各曲线变化临界点会随着流量的增加逐渐向前移动,但总体变化趋势大致相同。本文研究的微型高速泵内空化流场的特性及空化对泵稳定运行性能的影响可供设计较高运行效率的微型高速离心泵参考。     

基于 FBM 模型的轴流泵空化流动特性 CFD 分析

轴流泵运行工况多变,容易发生空化,会严重影响泵的水力性能。为研究轴流泵空化工况下的流动特性,进行了全流道空化流动数值模拟和压力脉动分析,通过比较实验数据和不同湍流模型的计算结果,验证了FBM模型在预测轴流泵外特性和空化性能方面的优越性。研究结果表明:FBM模型预测非设计条件下的数值误差最小,特别是在具有小流量条件的流场中误差最小,其中平均扬程误差1.19%,平均效率误差5.31%;FBM在预测空泡体积数、含气量上的精度均大于其他三种湍流模型,与实验结果最接近;在NPSH=5.25m空化刚开始阶段,叶片上的压力脉动的主要频率位于fn及其倍频处,叶片吸力面的压力监测点由于受到空泡溃灭影响出现大量低频幅值,导叶出口监测点的压力脉动受到导叶片背面流动状态的影响出现大量低频信息。     

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。     

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。     

不同空化条件下轴流泵反向发电压力脉动特性研究

以南水北调某泵站为模型,对该泵站大型轴流泵反向发电发生空化条件现象进行全流道数值模拟。对反向发电工况下空化现象进行定常与非定常研究,并与试验结果做比较,得出了水泵反向发电时发生不同空化条件下的气泡体积分布规律,并预测了叶片发生空化的发展特性。在反向发电工况下对三个监测面的压力脉动进行研究,得出压力脉动幅值在导叶进口处最小,转轮出口处幅值最大,约为转轮进口处7倍,水流受转轮转动影响严重,主频为转频。不同空化数下转轮前后的压力脉动幅值随着空化系数减小而增大,压力脉动主频不受空化系数影响。空化数越小,叶片受到的径向力减小,轴向力增加,加剧转轮的不稳定性。为确保轴流泵反向发电运行的稳定与高效,应使得装置在较高的空化系数下运行。     

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。     

混流式水轮机空化流动模拟中的空化模型对比研究

以某水电厂混流式机组为例,在同样的工况下,采用Schnerr-Sauer空化模型和Z-G-B空化模型对其进行空化流动模拟,并与现场真机试验情况进行对比,从而比较各模型的计算效果。结果表明,水轮机叶片背面进水边、出水边附近的大部分区域、水轮机叶片下半段与下环交界处的空化程度较为严重。此外,Schnerr-Sauer空化模型仅适用于空泡数量比较少的情形,且仿真效果不甚理想;而Z-G-B模型的适用范围较广,且效果较好,因此可以在混流式水轮机空化流动模拟中更多地采用。     

虹吸式轴流泵装置固液两相流数值模拟

为研究轴流泵输送含沙水流时的工作性能,基于Euler多相流模型、RNG k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,对轴流泵装置内固液两相流动进行数值模拟。重点分析了0.8、1.0和1.2倍设计流量条件下轴流泵装置在含沙工况和清水工况的能量性能和流态差别。同时,进一步探究了不同固相颗粒直径和浓度对装置内部固液两相流动的影响规律。结果表明:同一流量条件下,含沙工况下的泵装置效率和扬程都比清水工况低,且导叶体和出水流道流态较清水工况差;随着固相颗粒直径的增加,叶轮叶片壁面处颗粒体积分数逐渐增大,且颗粒体积分布均匀性越差,固相颗粒主要集中于叶片压力面进口处及吸力面靠近轮缘处;而随着颗粒浓度的增大,叶片表面及导叶表面固相颗粒分布的均匀度变差,固相颗粒主要分布于靠近叶片压力面进口处、吸力面靠近轮缘处,导叶处流态变差。研究结果可为轴流泵装置的优化设计提供一定参考。     

襟翼长度对混流式水轮机空化性能的影响

为了研究襟翼结构尺寸对水轮机空化性能的影响,以HLX180-LJ-145混流式水轮机为原型,应用UG建立在原型转轮进口靠近下环处两叶片中间位置增加襟翼结构的加襟翼转轮模型为研究对象,利用ANSYS CFX软件对0.8Q_d小流量和1.0Q_d设计流量工况点清水和含沙水介质下的转轮空化现象进行数值分析,分别采用长度在60 mm、80 mm和100 mm的3种襟翼,对比两种流量工况下加入襟翼前后混流式水轮机转轮内部流动形态,研究襟翼长度对水轮机空化性能的影响。结果表明：转轮叶片吸力面靠近转轮出口处易产生空化,增加襟翼后,转轮内总受压面积增大,空泡体积分数减小,转轮进口来流得到充分分流,带襟翼转轮过流通道的叶栅稠密度增加,叶片表面流动分离延迟,水流流线变得顺畅,水流流态变好,含沙水对转轮的磨蚀冲击减弱,空化性能得到明显的改善。该研究对不同水流介质下的水轮机改造设计与优化具有一定的参考作用。     

Numerical Investigation of Performance of an Axial-Flow Pump With Inducer

The interaction of flow through the inducer and impeller of an axial-flow pump equipped with an inducer has significant effect on its performance. This article presents a recent numerical investigation on this topic. The studied pump has an inducer with 3 blades mounted on a conical hub and a 6-blade impeller. The blade angle of the impeller is adjustable to generate different relative circumferential angles between the inducer blade trailing edge and the impeller blade leading edge. A computational fluid dynamics code was used to investigate the flow characteristics and performance of the axial-flow pump. For turbulence closure, the RNG k-ε model was applied with an unstructured grid system. The rotor-stator interaction was treated with a Multiple Reference Frame (MRF) strategy. Computations were performed in different cases: 7 different relative circumferential angles ( Δθ ) between the inducer blade trailing edge and the impeller blade leading edge, and 3 different axial gaps (G) between the inducer and the impeller. The variation of the hydraulic loss in the rotator was obtained by changing Δθ . The numerical results show that the pressure generated is minimum in the case of ( G = 3%D), which indicates that the interference between inducer and impeller is strong if the axial gap is small. The pump performances were predicted and compared to the experimental measurements. Recommendations for future modifications and improvements to the pump design were also given.     

Numerical analysis of cavitation within slanted axial-flow pump

In this paper, the cavitating flow within a slanted axial-flow pump is numerically researched. The hydraulic and cavitation performance of the slanted axial-flow pump under different operation conditio...     

Application of modified κ-ω model to predicting cavitating flow in centrifugal pump

Considering the compressibility of the cavity in the cavitating flow, this paper presents a modified κ-ω model for predicting the cavitating flow in a centrifugal pump, in which the modified κ-ω model and Schnerr-Sauer cavitation model were combined with ANSYS CFX. To evaluate the modified and standard κ-ω models, numerical simulations were performed with these two models, respectively, and the calculation results were compared with the experimental data. Numerical simulations were executed with three different values of the flow coefficient, and the simulation results of the modified κ-ω model showed agreement with most of the experimental data. The cavitating flow in the centrifugal pump obtained by the modified κ-ω model at the design flow coefficient of 0.102, was analyzed. When the cavitation number decreases, the cavity initially generates on the suction side of the blade near the leading edge and then expands to the outlet of the impeller, and the decrease of the total pressure coefficient mainly occurs upstream of the impeller passage, while the downstream remains almost unaffected by the development of cavitation.     

离心泵内气液两相流动的图像测量

本文利用高速摄像和图像处理技术，对离心泵半开式叶轮内的气液两相流动进行了图像测量。结果表明，单气泡运动轨迹都有向叶片非工作面靠拢的趋势，但随运行工况的改变，其运动轨迹略有变化。另沿叶轮轴向选择3个测量断面，分别获得了不同掺气量、不同运行工况下多气泡滞留图谱。由图谱可知，当被输送介质掺气量达到一定浓度时，气泡总是先在叶轮后盖板和叶片出口非工作面附近滞留，随掺气浓度增大，逐步发展到叶轮前盖板和叶片工作面附近，且运行工况对气泡滞留图谱也有一定影响，大流量运行工况对滞留气泡有一定的冲刷作用，小流量运行工况下气泡滞留严重。     

混流式水轮机卡门涡致振机理探讨与分析

水轮机出现卡门涡后易引起振动等问题。许多安装混流式水轮机的水电站发生卡门涡频率的强烈振动，严重时甚至造成转轮叶片裂纹破坏，学界多认为这是由卡门涡共振引起。本研究通过比较卡门涡频率和固有频率的巨大差异、大朝山电站转轮叶片减薄修型后强振工况向大负荷转移等事实，提出新观点：大多数卡门涡强振及其破坏并非由共振引起。本研究进行了模型水轮机卡门涡观测试验，比较了流量、空化系数对可见卡门涡的影响，发现可见卡门涡多发生于大流量工况或低空化系数导致的涡心压力较低时，指出卡门涡由其涡心空化造成。通过电站消除卡门涡危害的措施等进一步说明：卡门涡共振存在于小流量工况，但共振能量低，没有显著破坏性;大流量工况的卡门涡强振并非共振，而源于卡门涡空化空腔溃灭产生的巨大冲击力。     

15度斜式轴流泵装置水动力特性实验研究

15度斜式轴流泵装置是我国近年在低扬程、大流量泵站引入的一种新型泵装置,由于出水流道前端呈S形弯曲,流道内的二次流导致某些工况下压力脉动和振动较大,这一问题尚有待深入研究。本文针对浙江盐官泵站技术改造所研制的新型15度斜式轴流泵装置进行了水动力学特性的实验研究。研究发现,与泵段相比,斜式轴流泵装置的最优工况点向负叶片角度和小流量区偏移。泵装置在较小叶片角度下的空化特性优于大叶片角度;当装置空化余量低到使泵装置效率下降1%时,叶片背面出现占据近1/3叶道区域的空化区。斜式轴流泵的飞逸转速在较大负叶片角度时可达额定转速的1.73倍。斜式轴流泵压力脉动在导叶出口、出水弯管和出水流道内明显高于常规立式轴流泵;从水泵进口方向看,当叶轮逆时针方向旋转时,斜式轴流泵装置出水流道隔墩左侧流量大于右侧。本文研究成果为大型斜式轴流泵站优化设计和稳定运行提供了新的科学依据。     

Design and experiment of the centrifugal pump impellers with twisted inlet vice blades

In order to introduce gap drainage technology into practice, the design concept and expression format of spatial geometry are proposed for gap drainage impeller with twisted vice blades. First, the profile of vice blade at leading edge and relative position of main blade need to be parameterized. In addition, the influence of these parameters on the performance of a centrifugal pump should be studied. After the above-mentioned work is done, a centrifugal pump with good performance can be designed. On the basis of previous research results, the geometric parameters of twisted blades are determined and the centrifugal pump impellers are designed and manufactured. Through performance tests and cavitation tests, it is verified that the twisted vice blades on centrifugal pumps are effective and practical.     

长短叶片转轮对低比速混流式机组的性能改善研究

基于计算流体动力学分析理论,对含有常规转轮和长短叶片转轮的混流式水轮机开展全流道数值分析,研究高水头下低比转速混流式水轮机转轮在不同工况下的流动现象,探明转轮加装短叶片对混流式水轮机内部流动状态的影响。在最优工况下,通过对比计算所得的两种转轮内部的流速和压力分布发现:加装短叶片以后转轮叶片吸力面进口附近的涡流得到明显抑制,长叶片的压力负荷得到减弱;增加短叶片后,转轮出口环量减小较为明显,对尾水管流态改善、转轮及机组的能量特性提高有重要作用。研究结果表明,在相同的单位参数下,相比常规叶片转轮,长短叶片转轮改善了转轮进口的入流条件,从而提升了机组的运行稳定性和能量特性,可作为高水头转轮设计的主要方向。