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。     

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。     

中比转速离心泵叶片穿孔空化性能分析

为分析叶片穿孔对泵空化性能的影响，该文以中比转速(n_s=129)离心泵为研究对象，通过设计不同穿孔直径(D=2,3和4 mm)及穿孔角度(α=-25°,5°,35°和65°)的12种叶片头部穿孔方案，在初生空化和临界空化工况下，对中比转速离心泵进行数值模拟计算。研究发现：空化工况下穿孔方案对离心泵扬程和效率影响不超过1%，叶片进口端穿孔可以平衡叶片工作面与吸力面压力差，将各流道单个低压区阻断为两个，有效改善叶轮内压力分布，减小叶轮叶栅切面气泡体积分数并抑制空泡产生；适当的穿孔角度与穿孔直径搭配方案在初生空化和临界空化工况下均有益于提升离心泵抗空化性能，研究得出的最佳穿孔方案为方案H(D=3和α=35°)、方案I(D=4和α=35°)和方案J(D=2和α=65°)。     

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。     

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。     

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。     

离心泵变频调速空化特性数值分析

针对某型卧式单级单吸离心泵构建了三维模型,运用计算流体力学理论,采用多参考系模型(MRF)和两相流的混合模型(M ixture)进行模拟,得到水泵内部压力、汽液两相和汽泡相体积分数随电机输出频率和水泵转速的变化规律。计算结果表明:进口低压区的压力与电机输出频率和水泵转速成反比,当其低于汽化压力时,空化必然产生;泵内汽泡相所占的比例与电机输出频率和水泵转速成正比,比例越大,发生空化的概率越大,且越严重。该分析结果符合工程实际,为变频调速在离心泵中得到更好更合理的应用提供了理论依据。     

口环间隙泄漏对离心泵空化性能的影响分析

以DG-350型多级离心泵次级叶轮为研究对象,研究了口环间隙对离心泵空化性能产生的影响。通过定常数值模拟,计算出了离心泵的扬程和效率,同时得出了口环与进口段交汇处的速度矢量图、涡量云图和空化区域分布图以及叶轮流道内的空化区域分布图。模拟结果与实验结果的对比分析表明:(1)误差都在实际工程所要求的5%左右,说明计算与模拟结果准确;(2)由于口环与进口段交汇处速度旋涡的存在,使得离心泵的进口段与前口环交汇处区域的压力降低,从而导致了空化现象的发生;(3)随着口环间隙的增大叶轮流道上的空化区域也随之增大,从而减小了流体的过流面积,使流体速度和必须的汽蚀余量增大,NPSHR增大,则叶轮进口处的空化区域也就会增大。     

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。     

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°、+2°、0°和-2°时的临界空化余量分别为7.79 m、6.77 m、6.45 m和5.94 m;空化首先发生在靠近叶片进口边的叶顶处,随着进口压力的降低,空化区域进一步向出口边和叶根处发展;该轴流泵随着叶片安装角的减小,叶片表面的空化面积逐渐减小,且每个叶片表面的空化区域分布规律一致,但其空化面积不同,存在一定的非对称性。     

基于CFD的多级离心泵吸水室优化研究

为分析吸入段90°转角产生的水流偏向对多级离心泵性能的影响,将多级离心泵首级单独取出并配以导叶和进出水段,完成了三维实体建模及网格剖分,基于大型SST剪切应力模型和N-S方程进行了数值模拟计算。仿真结果表明,叶轮进口水流偏向一侧,叶轮各通道的压力分布存在不均匀的情况。在计算结果基础上,对吸水室进行了型线调整,压缩了回流区域,使进水变得较为均匀。优化后,在1.1Q_d,1.0 Q_d和0.6 Q_d工况下,效率分别提高了1.4%,1.1%和2.6%。所研究的优化方法可为多级离心泵的优化提供一种新的思路。     

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。     

侧向进水泵站流态模拟及改善研究

为解决侧向进水泵站前池和进水池内部大范围漩涡问题,以某一具体泵站为工程基础,基于三维不可压缩流体的雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,采用ANSYS CFX软件对前池和进水池进行数值计算,采用定性方法分析了前池和进水池所选横断面流态,采用定量方法分析了进水池内部所选纵断面特征线上轴向速度均匀度。通过数值计算流线图发现:对于原始方案,水流以斜交形式进入进水池,侧向进水泵站2#至5#进水池右侧边壁处存在大范围回流区域;为改善原侧向泵站进水结构的不良流态,通过多方案整流措施的数值计算,相比于原方案,采用导流墙和立柱相结合的整流措施,前池及进水池内大范围回流区域消失,整流后进水池纵断面特征线上的轴向速度均匀度总平均提高18.15%,最大提高至27.82%。研究成果为改善侧向进水泵站流态提供了参考。     

双吸离心泵泵站压力脉动与振动特性现场试验研究

双吸离心泵运行时,动静干涉会引起特定压力脉动,其频率为叶轮转频与叶片数相乘,即叶频。前期研究表明叶频压力脉动主要产生于压水室的隔舌区域,是引起水泵机组和泵房振动的重要激振源。为了揭示双吸离心泵系统压力脉动和振动特性的关系,开展了泵站压力脉动和振动特性的现场试验。通过在泵基础、出水管和泵房楼板位置布置振动传感器,同步测量了泵出口阀门不同开度下和泵启动开阀过程中的振动信号,借助时频分析方法开展了泵房振动信号的溯源分析。分析结果表明:在稳态工况中,水泵压力脉动和振动的相干性主要表现在转频、叶频及其倍频,且叶频压力脉动具有向上游衰减快,向下游衰减慢的特点;在启动工况中,水泵压水室压力脉动与基座(特别是垂直方向),甚至泵房出水侧楼板振动在叶频和转频处表现出相干性。根据现场测试结果认为,干室型双吸离心泵泵房在设计时,需要重点关注水泵叶频压力脉动作用下出水侧楼板等泵房结构的动力学响应问题。     

叶片数对高比转速离心泵固液两相非定常流的影响

为了探索叶片数在固液两相流条件下对高比转速离心泵非定常特性的影响情况,利用ANSYS CFX软件,采用Mixture多相流模型,对4种不同叶片数离心泵的固液两相湍流进行了非定常数值模拟,分析了叶片数对固液两相流离心泵瞬时扬程、压力、压力脉动及径向力的影响。研究结果表明：① 随着叶片数量的增多,固液两相流离心泵的瞬时扬程增大,波动频率变快,蜗壳内及隔舌处的压力值越来越大,波动频率变快,脉动幅值反而越来越小,叶轮上的径向力会减小,隔舌处的径向力会增大;② 不同叶片数的固液两相流离心泵蜗壳内及隔舌处的压力脉动主频均出现在其叶频处;③ 叶片数为5时,是蜗壳的内压力值和压力脉动幅值增减速度快慢的分界点,也是叶轮上及隔舌处径向力大小增减速度快慢的分界点。     

流道喷涂对双吸离心泵压力脉动特性影响研究

流道喷涂技术能有效提高水泵过流部件抗磨损能力并降低水力损失,但其对压力脉动特性的影响并不明确。本文采用试验的方法,对一双吸离心泵流道喷涂前后的压力脉动进行同台测试,并分析了混频幅值和频谱特性。结果表明:流道喷涂处理降低了流道粗糙度,减小了水力损失,提高了效率,但同时也改变了水泵固有的压力脉动特性。对于吸水室,喷涂处理缩小了压力脉动稳定区的范围,使小流量工况区的压力脉动峰峰值达到喷涂处理前的2.8倍,加剧了水泵在小流量工况下运行的不稳定性。对于压水室,喷涂处理使靠近隔舌区域在小流量区的压力脉动明显增加,使远离隔舌区域在大流量区的压力脉动增加。而在设计流量区域,喷涂对各个位置压力脉动影响不明显。为了使喷涂技术发挥综合效果,保证水泵运行稳定,应该尽量避免喷涂后的水泵在偏离设计流量工况运行,特别是严格避免水泵在低于0.75倍设计流量工况运行。     

基质吸力对灰岩区滑带土强度影响的试验分析

基质吸力是非饱和土中水-土耦合作用的重要力学参数,对于研究非饱和土抗剪强度、降雨或库水位变化诱发的滑坡稳定性具有重要意义。为了探究降雨诱发的基质吸力变化对灰岩区滑带土的影响,通过标准应力途径三轴试验系统,对4组不同基质吸力条件下、3组不同净围压下的试样进行试验,分析得到基质吸力与最大剪应力的关系曲线、应变与剪应力的关系曲线、净围压与剪应力的关系曲线,采用非饱和土双应力变量强度理论进行分析。结果表明:相同基质吸力条件下,剪应力随着剪应变的增加呈现快速增长和缓慢增长2个阶段,其界限点在剪应变10%处;在相同围压条件和非饱和条件下,剪应力随着基质吸力的增加而增加;总黏聚力与基质吸力呈线性关系,其增长斜率夹角即基质吸力相关角为15.5°;当基质吸力为0,30,60,90 kPa时,其总黏聚力分别为22.7,33.4,43.8,46.9 kPa,内摩擦角分别为21.8°,23.6°,26.2°,24.5°。根据Fredlund和Ralaadjo非饱和土双应力强度理论,提出了该滑坡滑带土的抗剪强度修正公式,研究成果可为非饱和土抗剪强度的进一步研究提供参考。     

低扬程立式泵进水流道基本流态及水力性能的比较

采用数值计算和模型试验的方法分别研究了低扬程立式泵装置常用的肘形、钟形和簸箕形等三种形式进水流道的基本流态,给出了表达这三种形式进水流道水力性能的主要指标。结果表明:三种形式进水流道都可为水泵叶轮室进口提供良好的进水流态,但流道水力损失差别较大;肘形进水流道流态简单、水力损失小,钟形和簸箕形进水流道的流态较复杂、水力损失较大;对于年运行时数较多的大型泵站,宜优先选用水力性能最好的肘形进水流道。