大出口角离心泵叶轮后方非定常流动

利用LDV(激光多普勒测速仪)测量了比转速为93的单级悬臂蜗壳式离心泵蜗壳3个断面内的非定常流动。叶片出口角为44°,实验液体为水。测量分别在最优工况和小流量工况下进行。结果表明,蜗壳内空间固定点处液体速度随叶轮转动呈周期性变化。随着测量点离叶轮出口距离的增加,速度度衰减较快,周期性趋弱。速度波动值随测量点与叶轮出口距离的增大而减小,其波动幅度占速度平均值的20％-70％。离隔舌越近,速度波动值越大。液流角波动值比速度波动值高1-2个数量级。平均速度随测量点到叶轮出口距离的增加而下降,平均液流角随距离的增加而出现最大值,而后再降低。蜗壳内液体角动量不守恒,流动沿叶轮圆周不是轴对称的。     

离心风机振动噪声及压力脉动实验研究

利用传声器、加速度计、微型精密压力传感器对离心风机噪声、管道振动及压力脉动进行测量分析。结果表明，在风机噪声、管道振动、压力脉动频谱中与叶轮转动相关的离散分量明显，旋转频率分量最大；离散频率处噪声、振动与压力脉动相干函数值在0.5以上，而宽频分量处的相干函数值较小；管道内强烈压力脉动主要在距离风机出口5D(D为管道水力直径)的范围内，强度与参考动压ρv2b/2（ρ为流体密度，v为体积速度）相当；在10D以后，管内流场趋于均匀，压力脉动值约为参考动压的20%;压力脉动频谱中旋转频率分量最为明显，其幅度在风机出口2D~4D附近达到最大，为参考动压的25%左右。     

离心泵蜗壳内部非定常流动测量

利用LDV（激光多普勒测速仪）在最优工况和小流量工况下测量了比转速为93的单级悬臂蜗壳离心泵输送水时蜗壳内的非定常流动。研究表明,蜗壳内液体速度随叶轮转过角度呈周期性脉动。随着测量点离叶轮出口距离的增加,液体圆周分速度衰减较快,变得越来越均匀,周期性脉动越来越弱。速度波动值随测量点与叶轮出口距离增大而减小,其波动幅度占速度平均值的30％-70％。液流角波动值比速度波动值高1—2个数量级。离隔舌越近,速度和液流角波动值越大,隔舌对非定常流动的影响越显著。小流量工况的速度和液流角波动值比最优工况高。流动沿叶轮圆周是非轴对称的。蜗壳内流动是扩散的。小流量工况下,蜗壳流速比最优工况更不均匀,扩散更严重。     

特低比速离心泵叶轮内部流动分析

利用基于离散涡形式的奇点法。研究特低比转速离心泵叶轮内部流动特点，分析了分流叶片对流场的影响。结果表明，特低比转速离心泵叶轮内部存在大面积回流区。分流叶片可以控制回流区。提高长叶片表面的液体静压力。并提高叶轮的扬程。     

包角对高比转速双叶片自吸离心泵外特性及振动特性的影响

为研究包角角度对高比转速离心泵的外特性和压力脉动的影响情况,基于SST k-ω湍流模型,对比转速n_q=327的双叶片自吸泵进行了三维非定常数值模拟,采用计算标准差法,对各个监测点的压力脉动进行分析,主要研究了230°～300°包角情况下的外特性变化情况及内流场时空演变特征。结果表明:随着包角角度的增大,扬程呈现先上升后下降的情况,且流量越大,扬程下降越快;随着包角角度的增大,叶轮所受扭矩逐渐降低,存在一个最佳的包角使得效率值最高;双叶片离心泵在运转的过程中隔舌沿叶轮旋转方向20°位置压力脉动最为严重,同时由于双叶片叶轮呈180°中心对称,压力波动最大处的正对面位置压力脉动同样较大;包角角度增大,叶轮中的涡黏度会随之下降。该研究可为高比转速双叶片自吸离心泵设计中包角的选择提供了参考。     

倾斜蜗舌对前弯离心风机蜗舌区域流动影响的数值研究

为分析蜗舌的不同倾斜角度对离心风机蜗舌区域的非定常流动特征的影响,本文以一款高压前向离心风机为研究对象,对3种不同倾角的蜗舌结构风机进行了稳态的三维流场计算,并采用大涡模拟方法对其最优工况进行了非定常数值模拟。结果表明:随着蜗舌倾角的增加风机全压大致呈线性下降趋势,而适当的蜗舌倾角有利于提高风机的效率;蜗舌表面最高压力区随着倾角的增大,逐渐从蜗舌顶部中间位置向靠近后盖板侧的蜗舌顶部移动;不同倾角下蜗舌中间点P_2的压力脉动主频均为叶片通过频率,而点P_1和P_3的压力脉动主频为叶轮转频或其2倍转频。     

偏离工况下离心泵的压力脉动和振动分析

为分析偏离工况下离心泵压力脉动和振动情况,本文采用大涡模拟和滑移网格技术研究一离心泵在偏离工况下叶轮内部和叶轮与蜗壳动静干涉位置的压力脉动,并对其进行了频域分析。分析结果表明:离心泵内部流动产生的压力脉动主频多数情况下是其通过频率。在不同运行工况下,叶轮出口处的压力脉动幅值均最大,大流量偏离工况下离心泵内部各部分压力脉动特性与设计工况基本相同,只是脉动幅值略有增大;小流量偏离工况下,离心泵叶轮出口(叶轮和蜗壳动静干涉区域)压力脉动幅值有所增大,脉动主频不再是通过频率,而且其频谱宽度明显增大;当离心泵运行工况小于0.6Q时,压力脉动明显比设计工况剧烈。     

离心泵作透平最佳工况点下的瞬态流动特性分析

为揭示离心泵作透平在最佳工况点下主要过流部件的瞬态流动特性,采用修正的PANS模型对一台比转速为90的离心泵作透平的瞬态流动特性进行数值模拟,通过试验验证数值计算的准确性;根据叶片的进、出口速度三角形计算理论最佳工况点,并对最佳工况下叶栅内部的流动规律进行预测;对蜗壳、叶轮在最佳工况点下的内部瞬态流动特性进行分析。结果表明,叶轮理论进、出口最佳工况点分别为55 m³/h、108 m³/h,实际最佳工况点为80 m³/h;叶片与蜗壳隔舌的动静干涉会促进隔舌前缘旋涡的脱落,当叶轮前缘与隔舌前缘平齐时,蜗壳内压力脉动强度最低;叶栅内旋涡的脱落频率约为2f_n,涡量的演变主要由其输运方程中的拉伸项及科氏力项共同主导;吸力面附近涡量的演变对叶轮前、中部流道内的压力脉动影响较大,而叶片尾缘涡量的演变对叶轮出口处的压力脉动影响较大。研究结果可为提高离心泵作透平在余能回收系统中的运行稳定性提供参考。     

超低比转速复合式离心泵内部流动特性分析

为研究超低比转速复合式离心泵内部流动特性,以一台比转速为16、半开式复合叶轮离心泵为研究对象,应用ANSYS-Fluent19R1软件对模型泵进行三维全流场数值模拟计算,得出泵内部流场及作用在叶轮、蜗壳上的径向力分布规律。结果表明:在不同流量工况下,随着流量的增加,在隔舌附近出现较大的压力梯度;在长叶片与短叶片相间隔流道内低速区面积较大、叶轮出口处分布较多的旋涡;当流量从0.2倍增加至1.8倍额定流量时,作用在蜗壳上的径向力幅值逐渐减小,作用在叶轮上的径向力幅值先减小后增加,在1.0倍额定流量时径向力幅值达到最小,而后增大。为超低比转速复合式离心泵的设计优化提供参考。     

长短叶片叶轮双吸离心泵径向力数值仿真

将1200S56型单级双吸离心泵原型叶轮改型为长短叶片复合叶轮,以该改型双吸长短叶片复合叶轮离心泵为研究对象,基于CFD理论对该离心泵内部流场进行数值仿真。通过改变边界条件获得不同工况下叶轮出口与蜗壳耦合面的静压、速度分布。采用叶轮出口压力法分析该离心泵在不同工况下的径向力,并与原型叶轮离心泵径向力分析结果对比。结果表明:采用长短叶片复合叶轮使叶轮出口的静压力及绝对速度变大,增加了离心泵的扬程,有效的提高了泵的整体水力性能;短叶片的增加使该泵径向力的最小值点向大流量偏移,出现在1.2倍额定流量工况,最小值由原型叶轮的5574N减小到1494N;采用长短叶片复合叶轮改善了泵在大流量工况下的径向受力情况。     

导叶周向布置位置对核主泵压力脉动的影响

基于RNG k-ε湍流模型和滑移网格模型,对核主泵导叶在不同周向位置缩比模型的内部流动进行全三维非定常数值计算。研究导叶周向布置位置对叶轮出口、叶轮-导叶间隙处以及泵壳内压力脉动的影响规律,并分析导叶周向位置对导叶下游流动的影响,结果表明:导叶周向位置对模型泵内压力分布影响较大,在时域图中,导叶位置主要影响模型泵内压力脉动的波动幅度,导叶在α=0?时压力脉动的主波动幅度最小;在频域图中,导叶位置主要影响压力脉动能量幅值,导叶在α=0?时脉动能量幅值最小。叶轮出口的压力脉动能量幅值最大,泵壳内的能量幅值最小,压力脉动主要由动、静叶间的相互干涉引起。叶轮出口、叶轮-导叶间隙处的压力脉动频率主要受叶频影响,泵壳内的压力脉动频率仅与转频有关。导叶周向位置对导叶下游的内部流动影响较大,导叶在α=0?时截面B—B内的压力分布均匀、压力梯度小。合适的导叶周向位置可有效改善泵内的压力脉动分布,进而降低泵的振动。     

Investigation on Reduction of Pressure Fluctuation for a Double-Suction Centrifugal Pump

Double-suction centrifugal pumps have been applied extensively in many areas,and the significance of pressure fluctuations inside these pumps with large power is becoming increasingly important.In this study,a double-suction centrifugal pump with a high-demand for vibration and noise was redesigned by increasing the flow uniformity at the impeller discharge,implemented by combinations of more than two parameters.First,increasing the number of the impeller blades was intended to enhance the bounding effect that the blades imposed on the fluid.Subsequently,increasing the radial gap between the impeller and volute was applied to reduce the rotor-stator interaction.Finally,the staggered arrangement was optimized to weaken the efficacy of the interference superposition.Based on numerical simulation,the steady and unsteady characteristics of the pump models were calculated.From the fluctuation analysis in the frequency domain,the dimensionless pressure fluctuation amplitude at the blade passing frequency and its harmonics,located on the monitoring points in the redesigned pumps(both with larger radial gap)are reduced a lot.Further,in the volute of the model with new impellers staggered at 12°,the average value for the dimensionless pressure fluctuation amplitude decreases to 6% of that in prototype pump.The dimensionless rootmean-square pressure contour on the mid-span of the impeller tends to be more uniform in the redesigned models(both with larger radial gap);similarly,the pressure contour on the mid-section of the volute presents good uniformity in these models,which in turn demonstrating a reduction in the pressure fluctuation intensity.The results reveal the mechanism of pressure fluctuation reduction in a double-suction centrifugal pump,and the results of this study could provide a reference for pressure fluctuation reduction and vibration performance reinforcement of doublesuction centrifugal pumps and other pumps.     

不同叶片数下管道泵内部流动及振动特性的数值与试验研究

为研究不同叶片数下管道泵内部的流动特性及振动特性,采用标准k-ε湍流模型和滑移网格技术,在CFX数值计算软件中,分别对6叶片和7叶片的管道泵内部全流场进行三维非定常数值模拟,计算得到不同流量下叶轮内部流动特性、蜗壳内部静压特性以及叶轮转矩波动特性。对比0.1qV工况下两种叶片数下的数值计算结果,发现6叶片下的“射流-尾迹”效应及静压变化梯度均大于7叶片,6叶片下的转矩波动强度大于7叶片;不同叶片数下,叶轮内部的相对速度变化规律、静压变化规律以及蜗舌附近低压区的发展变化规律与蜗舌和叶轮的相对位置有关。采用振动试验测量不同叶片数下管道泵的振动水平,分析振动试验结果和数值计算结果表明,在不同流量下,6叶片的振动水平高于7叶片,主要在于6叶片具有较强的压力脉动和不稳定流体力的作用;叶频及其倍频是管道泵产生振动的主要激励频率。因此,可以通过优化叶片设计参数(Z,β2,β1)来改善管道泵内部的不稳定流动状态,进而降低振动水平。     

液电混合直线驱动系统耦合特性及位置控制

液压系统与电-机械系统是广泛应用于航空航天、工业、非道路移动机械等领域的两种不同驱动方案。在实际中,两者通常单独使用,电-机械驱动方案能效高,但承载能力弱,液压驱动方案功率密度大、动态响应快,但能量效率低。为此,结合两个驱动方案优点,集成设计电-机械执行器与液压缸,构建一种新型液电混合直线驱动系统,分析系统工作原理及两个非相似驱动子系统耦合特性、力纷争现象及其影响。在此基础上,提出一种电-机械驱动单元运动控制与液压驱动单元力控制的调控方案。研究结果表明,采用所提调控方案可减轻两个非相似驱动子系统耦合作用,在液压阀低压损的同时,可获得良好的位置控制特性。新型液电混合直线驱动系统将为液压系统和电-机械系统的进一步发展提供新思路。     

Numerical and experimental investigations on the hydrodynamic radial force of single-channel pumps

In order to clarify the generation mechanism and characteristics of hydrodynamic radial force in single-channel pumps, the transient flow in three single-channel pumps was analyzed by computational fluid dynamics (CFD). The three pumps had the identical impeller but with a spiral volute (model 1), a circular volute (model 2), and a torus (model 3). Experiments on pump performance were performed and high frequency pressure sensors were mounted in the spiral volute to measure pressure distribution in the volute of model 1. It indicates that the numerical results are approximately consistent with the experimental results. The radial force is mainly caused by the pressure acting on the blade. The impeller radial force in model 1 was the largest while the model 3 was the smallest, as it is not affected by rotor stator interaction, and rotor stator interaction plays a vital role in the shock load of pumps. The radial forces of different rotational speed were analyzed and indicated that Reynolds number has little influence on the radial force coefficient C_F. The dominant frequency of the radial force on the impeller is the rotational frequency of impeller for all rotational speeds. Moreover, the amplitude of the radial force fluctuations increased with increasing flow rate in model 2, but the change was not obvious with the increasing of flow rate in model 3, while at lower flow rate the largest amplitude of the radial force fluctuations was presented in models 1.     

Influence of tip clearance on pressure fluctuations in an axial flow pump

Rotor-stator interaction in axial pumps can produce pressure fluctuations and further vibrations even damage to the pump system in some extreme case. In this paper, the influence of tip clearance on pressure fluctuations in an axial flow water pump has been investigated by numerical method. Three-dimensional unsteady flow in the axial flow water pump has been simulated with different tip clearances between the impeller blade tip and the casing wall. In addition to monitoring pressure fluctuations at some typical points, a new method based on pressure statistics was proposed to determine pressure fluctuations at all grid nodes inside the whole pump. The comparison shows that the existence of impeller tip clearance magnifies the pressure fluctuations in the impeller region, from the hub to shroud. However, the effect on pressure fluctuation in the diffuser region is not evident. Furthermore, the tip clearance vortex has also been examined under different tip clearances.     

基于正交设计法的中比转速泵无过载优化设计

以D82-19-2型中比转速离心泵为研究对象,选取导叶喉部面积、叶片数、叶片包角、叶轮出口直径、叶轮出口宽度、叶片出口角、叶轮进口直径7个参数为变量,运用正交设计法制定七因素三水平正交方案L18(37),借助数值模拟方法对泵的性能进行预测,通过分析得到了几何参数对中比转速离心泵性能影响的主次顺序:叶片数对扬程和效率的影响起主要作用,叶片包角对轴功率的影响起主要作用;正交优化方案的数值模拟结果表明,该方案既满足无过载性能的要求,又保持了较高的效率,可为中比转速离心泵无过载设计提供参考。     

离心泵流动诱导噪声的数值预测

通过计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)结合声振耦合求解方法针对一离心泵所产生的流动诱导噪声在泵壳外部的辐射情况进行数值预测。蜗壳内壁面上的非定常压力脉动监测值显示出蜗舌附近区域的脉动幅值较大,而在远离蜗舌位置处的脉动相对变化较小,在叶片扫掠频率及其谐频下的压力脉动要明显高于其他频率。通过声振耦合计算之后得到的泵壳外部声场辐射结果来看,当斯特劳哈尔数Sr=4时,由于该处所对应的压力脉动频率与泵壳结构的第四阶固有频率接近,可能会在声场与结构之间发生小幅共振,进而使得外场辐射噪声较大,也说明泵壳结构的振动模态对声场计算结果影响十分显著。通过外场监测点上叠加后的总声压级结果显示,各点基本上在60 dB上下波动,外场噪声辐射是泵内流体的压力脉动与壳体结构模态综合作用的结果。     

航空燃油离心泵内流特性分析

针对航空发动机燃油离心泵内流特性研究,采用雷诺平均方法和滑移网格技术,在多工况下进行数值模拟,得到了内部流场细节和压力流量曲线。结果表明:由于流体绕过叶根时加速,可能出现局部低压区并导致气蚀;随着流量的增大,叶轮中相对速度增大,根据速度合成法可知,叶轮边缘出流速度随之减小,最终导致泵内静压降低;随着转速的提高,泵内速度和静压增大,且叶根附近出现局部高流速低压区并逐渐扩张,此区域也是局部低压区。根据压力流量曲线可知,随着流量的增大,泵输出的压力降低;随转速的提高,泵输出的压力升高;在低转速条件下,大流量运行无法实现。