含沙空化对轴流泵内流动特性的影响

采用SST k-ω湍流模型模拟轴流泵在清水非空化、含沙水非空化、清水临界空化、含沙水临界空化4种状态下的流动特性,分析含沙量和临界空化对泵内流动特性的影响,确定轴流泵在不同状态下的不稳定运行区域。结果表明:在叶片工作面上,非空化和临界空化状态下轴向速度流动系数均分布在-1附近,非空化状态下径向速度流动系数和绝对速度流动系数分别分布在0.6和1.2附近,临界空化状态下径向速度流动系数和绝对速度流动系数分布在1附近。叶片背面进口和出口位置的流动系数最为敏感,空化会引起此处流动系数的剧烈波动,尤其是加入泥沙后,波动更为显著,故叶片背面进口和出口位置为叶轮内的流动不稳定区域,空化和泥沙主要影响此处。未发生空化时,含沙量基本不改变叶轮内流动状态;当泵内发生空化时,在叶片尾端出现流动分离漩涡,加入泥沙后,尾端的漩涡范围变大,叶轮内的流动状态发生改变,说明空化和泥沙均是影响叶轮内流动特性的主要因素。     

叶片安装角对轴流泵空化性能的影响

以TZX700型轴流泵为研究对象,采用商业软件ANSYS CFX17.0对轴流泵全流道进行三维数值计算研究,并对该轴流泵在闭式实验台上进行了外特性实验,实验结果和数值计算结果相吻合.针对该轴流泵在设计工况下提出4种叶片安装角方案,分析轴流泵内部的空化性能随叶片安装角的变化规律.结果表明,该轴流泵在叶片安装角为+4°、+...     

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。     

斜轴变桨轴流泵空化特性试验

为研究单机流量为50m3/s的新型斜轴轴流泵的空化特性,基于轴流泵试验平台,针对斜轴轴流泵开展不同叶片角度条件下的能量特性及内部流动特性分析,总结了该类泵空化现象的发生规律,确定了合理的设计参数与运行参数。结果表明:叶片角度及扬程与水泵空化性能密切相关,在高扬程或超低扬程运行时,水泵空化性能较差,易产生空化;可通过变桨技术,减小水泵叶片角度,从而改善空化性能,获取更优的运行稳定性。     

对角泵叶轮内部流动与能量特性数值分析

利用RNGh紊流模型封闭时均N—S方程组,对一组对角泵叶轮的内部三维流动进行了数值模拟,在分析基本流态的基础上,对对角泵叶轮的能量特性进行了预测和比较。计算结果表明,对应于不同的叶片夹角,对角泵叶轮的能量性能差异很大。轴流泵叶片对角布置后,离心力的作用使对角泵叶轮的扬程提高,使得叶轮的最优比转数随叶片夹角的减小而减小。随着叶片夹角和流量的减小,对角泵叶轮的功率不是增加而是减小,功率特性由轴流泵逐步向离心泵过渡。与对应的轴流泵相比,对角泵的最优效率点向小流量方向偏移,但高效区变宽。叶片夹角为150。的对角泵叶轮的流量加权平均效率比对应的轴流泵叶轮高0．82％。因此,选择优秀的水泵水力模型,通过优化叶片夹角、叶轮室及轮毂的形状和尺寸,能够改善和提高对角泵叶轮的能量特性。     

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。     

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。     

基于特征的轴流泵叶轮自动建模

采用基于特征的造型机制,对轴流泵叶轮的三维自动建模系统进行了研究。所提出的叶轮建模系统基于Pro-Engineer设计软件,采用二次开发工具Pro-Toolkit开发完成。文中重点分析了特征描述法、族表法、用户自定义特征法等三种造型方法的特点及适用性,提出了叶轮轮毂体采用特征描述法、叶片采用用户自定义特征法的基本造型策略。给出了系统的技术路线、轮毂体及叶片自动建模的核心代码。造型实例证明了本方法具有适用性强、速度快的特点,为进行高效率的轴流泵CAD及高精度的流场计算(CFD)提供了一种新的途径。     

45°斜式轴流泵装置的流动特性分析与实验

基于三维不可压缩流体的雷诺平均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,采用CFX软件计算了对某一45°斜式轴流泵装置在额定转速下210 L/s~370 L/s流量范围内多个工况点的内部。分析了进、出水流道的流动特性,重点研究了旋转叶轮对进、出水流道内流场及水力性能的影响,预测了泵装置的水力性能。通过计算得出泵装置的水力性能,并与泵装置模型试验结果比较,表明斜式轴流泵在低扬程泵站中具有较优的性能特性。研究结果对低扬程泵站的水力设计具有重要的参考价值。更多还原     

离心泵叶轮内部流动数值解的评价

在贴体坐标系下,采用有限差分法计算了一个用激光测速计(LDV)测量过的实验叶轮内部无粘性流动。计算表明,在最优工况数值解与LDV测量值最大相对误差为17%,最小相对误差为2.7%,平均相对误差为11%.这一结果说明在最优工况,叶轮内部无粘性流动的数值解与实验得到的粘性解比较接近。因此采用叶轮内部无粘性流动模型和贴体坐标下系的有限差分法来进行离心泵叶片准三维反问题设计有较好精度。     

不同载荷分布形式对轴流泵性能影响研究

针对轴流泵的设计优化开展研究有利于其综合性能的进一步提升。以一轴流泵模型为研究对象;在实验验证数值模拟准确性的基础上;采用反问题设计;通过修改轮毂和轮缘处载荷分布形式;设计了前载、中载和后载 3 种典型载荷分布形式的轴流泵叶轮;并对比分析了不同载荷分布形式对轴流泵性能的影响。结果表明:控制载荷分布可有效控制叶片表面最大压差位置;轮毂与轮缘处后载有利于小流量和设计流量工况下泵段效率的提升;前载可有效改善泵段性能（效率和扬程）在大流量工况下迅速下降的缺点;中载可使泵段获得较为均衡的性能;设计工况下;前载、中载和后载轴流泵模型的效率分别为 79.28%;79.76% 和 82.92%。内流分析表明叶片工作面中后部二次流及叶轮出口处回流的抑制是后载模型在小流量和设计流量工况下性能改善的根本原因;而大流量工况下导叶内流态的改善是前载模型性能提高的主要原因。研究成果可为轴流泵叶轮的优化设计提供参考。     

离心叶轮的叶片数效应研究

叶轮叶片数是离心叶轮的一个重要结构参数,对叶轮外特性与内流场特征都有着直接的影响。利用计算流体动力学软件,生成了叶片数分别为5和6的2个叶轮,然后在相同工况下,计算了这2个叶轮的内外力学性能;通过对2个叶轮的流量-扬程、流量-效率曲线及叶轮内压力、相对速度进行比较,分析了不同叶片数对叶轮性能产生的影响及其成因。比较分析结果有助于设计人员深入了解不同叶片数叶轮的不同流动机理,并可为他们在设计实践中正确选用叶片数提供参考。     

离心泵内部两相流模拟及其叶轮的流固耦合分析

应用N-S方法和标准k-ε湍流模型,采用SIMPLE法,对离心泵内部三维固液两相流进行了模拟计算。得到不同固相(颗粒)浓度下的离心泵内部压力分布和内部颗粒浓度分布情况,并且基于流固耦合原理对离心泵叶轮进行结构分析,采用多物理场协同仿真平台ANASYS Workbench,通过单向流固耦合技术实现离心泵叶轮结构的仿真计算,获得了离心泵叶轮在同一工况、不同固相浓度下的等效应力及变形情况。计算结果表明,蜗壳中压力和固相体积浓度分布规律都是从进口处随蜗壳半径增大而增大,并且在隔舌处出现浓度分布不均匀的现象。各种计算条件下,叶轮的等效应力和总变形情况变化趋势基本上相同,叶轮的应力分布都不均并且存在局部应力集中,固相体积浓度越大离心泵叶片的变形也越严重。     

立体循环一体化氧化沟二维流场模拟分析

利用FLUENT6.3.26软件,采用RNG k-ε湍流模型对立体循环一体化氧化沟(IODVC)进行二维单相流模拟。探究下沟道底部推流器安装方式对整个流场的影响,并得出推流器最佳安装高度和安装位置。利用多重参考系模型(MRF)模拟表面转刷曝气装置的转动,采用风扇模型模拟底部推流器。结果表明:中央隔板底部是污泥淤积危险区;底部推流器安装在直道处比安装在弯道处有更好的推流效果;最佳安装位置在直段约3/4处。推流器叶片轴心高度与下沟道水深之比(y/h)为0.18时,流速大于0.25 m/s的区域占比最大,反应器循环流动效果最佳。     

带前置导轮的轴流泵装置模型试验结果及分析

结合新滩口泵站技术改造,利用前置导轮消除或减轻轴流泵汽蚀以及因进口流态不良引起的水力振动。装置模型试验结果表明：装上前置导轮后,叶轮进口断面的压力变均匀,振动减小,泵的汽蚀和水力性能有了综合改善。     

NUMERICAL SIMULATION OF BUBBLE FLOW INTERACTIONS

Bubble flow interaction can be important in many practical engineering applications. For instance, cavitation is a problem of interaction between nuclei and local pressure field variations including turbulent oscillations and large scale pressure variations. Various types of behaviours fundamentally depend on the relative sizes of the nuclei and the length scales of the pressure variations as well as the relative importance of bubble natural periods of oscillation and the characteristic time of the field pressure variations. Similarly, bubbles can significantly affect the performance of lifting devices or propulsors. We present here some fundamental numerical studies of bubble dynamics and deformation, then a practical method using a multi-bubble Surface Averaged Pressure (DF-Multi-SAP©) to simulate cavitation inception and scaling, and connect this with more precise 3-D simulations. This same method is then extended to the study of two-way coupling between a viscous compressible flow and a bubble population in the flow field.     

湍流流动计算在管道式离心泵性能预测中的应用

本文在双参考系下,选用标准κ-ε湍流模式,利用有限控制体积法对雷诺平均Navier-Stokes方程进行数值离散,采用Simple方法求解,对实际的管道式离心泵产品在不同工况下进行了三维粘性数值模拟。根据数值模拟的结果,分别分析了泵吸水管、叶轮和涡壳内的压力分布和速度分布,计算了泵的扬程、轴功率和效率,并与试验进行了对比,验证了计算方法的可行性。本文的工作对离心泵性能预测和优化设计具有重要意义。