离心泵叶轮区瞬态流动及压力脉动特性

目前离心泵过流部件的瞬态流动分析主要集中在蜗壳内,对旋转叶轮区内的流动特性研究较少。基于RNG k-ε湍流模型和滑移网格,对不同工况下离心泵内部瞬态流场进行数值模拟,计算得到的离心泵扬程和效率曲线与试验结果吻合较好。在离心泵叶片正背面分别设置3个监测点,分析叶轮区压力脉动特性。结果表明,设计工况下叶片正背面压力脉动的主频为叶轮转频或2倍叶轮转频,非设计工况下其主频均为叶轮转频。从叶轮进口到出口,叶片正背面的压力脉动最大幅值都逐渐增大。同一监测点上压力脉动最大幅值在小流量时最大,约为设计工况下5倍。分析小流量工况下叶轮内部相对速度分布,叶轮出口处附近随时间变化的旋涡是内部流动不均匀的主要原因,使得离心泵在该工况下运行效率低、压力脉动强度大。     

基于CFD/CA声比拟分析的两级离心泵流动诱导噪声数值模拟

针对两级离心泵的流体诱发噪声产生的复杂机理,基于Lighthill声比拟理论,采用了计算流体力学(CFD)与计算声学(CA)结合的数值模拟分析方法,研究了两级离心泵变工况下的流场特性及诱发的辐射噪声。采用SST k-ω模型计算分析了不同工况下两级离心泵内部非稳态流场及关键区域压力脉动特性,进而采用声学有限元法(AFEM)计算离心泵内场辐射噪声的声压级变化。研究结果表明,两级离心泵压力脉动幅值从吸水室进口到叶轮出口逐渐增大,叶轮出口处的压力脉动强度最大、声压级最高,且不同工况下压力脉动的主频保持为叶频及其倍频,叶轮和蜗壳之间的动静干涉是流动诱导噪声产生的主要原因;总体声压级在低流量工况下较高,随流量增大逐渐减小,在设计工况处最小;越接近压力脉动主频,声压级的分布越离散,宽频特性越明显,压力脉动强度为流动诱导噪声产生的主要影响因素。研究结果对两级离心泵的低噪设计和水力性能改善提供理论依据和参考。     

基于DES的离心泵内部瞬态流动数值研究

为了阐明变工况运行条件下离心泵内部瞬态流动特性,评价其瞬态水力性能及其压力脉动特性,提高离心泵的运行稳定性,基于DES分离涡模型,在小流量、额定流量和大流量工况下对泵进行了性能预测和数值模拟。与试验结果比较发现,性能预测结果和试验结果吻合较好,额定工况下泵内部流动参数梯度变化均匀。在此基础上,在泵内部设置p1～p9压力脉动监测点,通过对监测点的压力脉动时频分析,表明进口流道p1压力脉动频率与叶频的倍频保持一致,以低频脉动为主;受隔舌结构影响,出口流道p6压力脉动频率的脉动幅值较大,以高频脉动为主。比较叶轮旋转第1～第6圈静压分布和涡量分布规律,第3圈后叶轮内部流动趋于稳定,第6圈后蜗壳内部流动达到稳定,表明离心泵叶轮和蜗壳内部涡团的演化过程非同步。     

蜗壳式多级离心泵特性及压力脉动研究

为了研究压力脉动在蜗壳式多级离心泵内的级间相互关系,以改变第二、第三级间叶轮的周向位置建立不同方案,利用FLUENT软件,采用SST k-ω湍流模型对蜗壳式多级离心泵的内部流场进行多工况的非定常数值模拟,获得各个方案不同监测点的压力脉动特性,并对其进行对比分析。结果表明:在本研究中,压力脉动的级间叠加现象只发生在第四级叶轮内。即使第四级叶轮处于相同位置时,不同方案下,第四级叶轮及蜗壳内的压力分布也呈明显不同。在发生压力脉动级间叠加的第四级监测点上,压力脉动主频的幅值发生了明显变化,但是主频的频率值却无任何改变。     

叶轮形式对双吸离心泵压力脉动特性影响试验研究

双吸离心泵压力脉动是影响水泵机组运行稳定性的关键因素之一.为研究叶轮形式对双吸离心泵压力脉动的影响,对5种方案的叶轮进行压力脉动同台试验.通过在吸水室和压水室壁面布置压力脉动传感器,采集各个测试流量下的压力脉动信号,并进行混频幅值和频谱分析,得到吸水室和压水室的压力脉动分布规律.结果表明:双吸离心泵普遍存在叶片通过频率、泵轴旋转频率和低于轴频的低频脉动成分.相对于传统双吸叶轮,两侧叶片交错布置后可改善压力脉动特性;调整叶片出口边形状,增加叶片后盖侧的包角,可明显降低压水室叶片通过频率的脉动幅值,减轻动静干涉的危害;采用长短叶片形式可改善叶轮进口流态,降低吸水室的压力脉动,改善小流量工况下压水室的压力脉动特性.     

离心泵隔舌间隙对叶轮流体作用力的影响

本文对直径分别为150 mm和160 mm的两个叶轮内部三维流场进行了定常和非定常计算,研究了不同工况下离心泵叶轮上的稳态力和瞬态力的变化规律、以及隔舌间隙对激振力的影响。计算结果表明,离心泵偏离设计工况时稳态作用力会显著增加;而瞬态作用力与叶轮和隔舌的干涉流动有很大关系,不同工况下瞬态作用力呈周期变化,其变化频率与叶片通过频率基本一致,随流量增大其幅值也明显增大;切割叶轮会造成叶轮稳态力和瞬态力的幅值均变小。     

立式轴流泵装置叶片区压力脉动数值分析

压力脉动是影响轴流泵装置安全稳定运行的重要因素之一,为明确轴流泵装置叶片区压力脉动的变化规律,基于CFD软件对立式轴流泵装置全流道进行三维非定常数值计算,获得了轴流泵装置叶轮和导叶体区域的压力脉动时域数据,分析了最优工况时各监测点压力脉动特性,以及3个特征监测点的压力脉动随流量的变化规律。结果表明:最优工况时,叶轮进口压力脉动幅值从轮缘到轮毂逐渐减小;叶轮出口压力脉动幅值从轮缘到轮毂先减小后增大;导叶体出口处的压力脉动幅值从轮缘到轮毂先增大后减小。叶轮进口轮缘处压力脉动幅值随流量增大而减小;叶轮出口轮缘处压力脉动幅值随流量增大先减小后增大;导叶体出口轮缘处压力脉动幅值随流量增大而减小。小流量工况时各监测点的压力脉动主频幅值均大于最优工况和大流量工况。计算结果为分析轴流泵安全稳定运行提供了参考。     

交错叶片对双吸离心泵性能特性影响分析

为了积极响应及实现国产化要求,对原进口泵进行整机国产化研制,通过数值模拟分析了叶轮叶片交错角度为0°、15°、30°时离心泵内的流态和压力脉动。结果表明:随着叶片交错角度的增大,小流量工况下,扬程值逐渐降低,效率值无明显变化;大流量工况下,扬程值和效率值逐渐增大;额定工况下,随着叶片交错角度的增大,压出室对称分布的两个单独流道同一位置处静压值逐渐增大,相对速度值逐渐减小,而叶片处的相对速度值无明显变化。压出室内压力脉动幅值随着叶片交错角度的增大出现明显的减弱现象。同一叶片交错角度下,随着压出室过流断面的增加,压力脉动幅值逐渐减小,隔舌位置处压力脉动幅值受动静干涉作用最大。站场运行结果表明,叶片交错角度为30°的国产泵较原进口泵振动值减小、耗能降低、泵运行平稳且效率高。     

高速离心泵的压力脉动特性分析

为揭示高速离心泵的水力不稳定性,采用雷诺时均方法和SST k-ω湍流模型,对一带前置诱导轮和半开式复合叶轮的高速泵进行了不同工况下三维非定常湍流数值模拟,得到了泵内部流场特性及泵内监测点的压力脉动情况,并对其进行了频谱分析。结果表明,由于诱导轮、叶轮与扩压器的动静耦合作用,高速泵内存在比较明显的压力脉动。叶轮域从叶片入口到出口,压力脉动的峰峰值逐渐增加;相同径向位置处工作面的压力脉动明显高于非工作面。叶轮内压力脉动的频率为3fr(导叶叶片数×叶片通过频率)及其倍频,主频为3fr。导叶扩压器域内隔舌位置处的压力脉动峰峰值最大。随着水流向下游流动,扩压器内的压力脉动逐渐减小。螺旋线部分压力脉动的主频为3fr,与诱导轮叶片的通过频率相吻合。扩散段部分压力脉动的主频为7fr,与叶轮长叶片的通过频率吻合。     

时序效应对导叶式离心泵内部压力脉动影响的数值分析

为了研究时序效应对导叶式离心泵内部非定常压力脉动的影响,基于雷诺时均(Reynolds averaged Navier-Stokes,RANS)方程,在0.6Qd、1.62Qd两个非设计工况下,应用SST k-ω湍流模型对导叶在一个栅距内的5个不同时序位置下泵内部流动进行三维非定常数值计算,得到导叶和蜗壳流道内压力脉度强度分布随不同导叶时序位置的变化规律,结果表明,导叶时序效应对叶轮与导叶的动静干涉引起的压力脉动强度影响较明显;在导叶靠近进口的吸力面区域和导叶喉部区域存在着较大的压力脉动强度;压力脉动强度沿着导叶流道向下游传播并逐渐减弱;导叶时序效应对蜗壳平面的压力脉动强度影响非常明显,压力脉动强度呈现不规律分布;当在小流量0.6Qd工况时,当导叶时序位置为C3时,导叶内压力脉动强度最大值为0.44,而当导叶时序位置为C2和C4时,压力脉动强度最大值分别为0.24和0.22;当在大流量1.62Qd工况时,当时序位置为C2时,压力脉动强度最大值为0.87,而当时序位置为C1和C4时,压力脉动强度最大值为分别为0.72和0.77;在非设计工况下,蜗壳内的压力脉动强度相对导叶的压力脉强度较弱。C4时序位置能减小余热排出泵运行中的压力脉动强度,从而提高泵的稳定性,为导叶的安装位置提供参考。     

非设计工况下带分流叶片半开式离心叶轮内部流动特性数值研究（英文）

In order to investigate the complex flow characteristics inside an unshrouded centrifugal impeller with splitter blades at off-design conditions, and analyze its influence on pump operation stability, a numerical simulation study was carried on using the curvature-corrected SST-CC turbulence model; the head and efficiency accorded with experimental results. The pressure fluctuation, unsteady radial force and velocity were analyzed quantitatively and the numerical results indicate this: the peak to peak value of pressure fluctuation in the impeller channel gradually increases in the flow direction and at 0.49 Qn, the slope of peak to peak value to normalized impeller channel behind the splitter blade is 8.57 times greater than that before the splitter blade. The greater the flow rate deviates from the design condition, the larger the peak to peak value of the pressure fluctuation and radial force; in particular at 0.27 Qn, the maximum radial force is 194.29% greater than that of the design condition. When the operating flow rate is smaller than0.83 Qn, the stall occurs and the stall vortex could block the impeller discharge; as the flow rate decreases further, the pressure amplitude at rotational frequency gradually increases in the impeller channel and the prevailing frequency changes from the blade passage frequency(BPF) to the rotating stall frequency in the diffuser. The tip leakage vortex(TLV) is generated in the tip region and rotated move downstream in the impeller flow channel, and the backflows appear on the blade suction side and in the tip and the tongue regions; the smaller the flow rate, the more serious the TLV and backflow phenomenon. The rotating stall causes uneven flow in the impeller channel, increasing the pressure fluctuation and the radial force, and resulting in an imbalance of the impeller rotation.     

S形下卧式轴伸贯流泵装置叶片区压力脉动特性研究

为研究S形下卧式轴伸贯流泵装置叶片区压力脉动特性,采用非定常CFD方法对不同工况时泵装置进行了全流道三维非定常流场数值计算,通过在叶片区设置监测点以获得叶片区关键位置的压力脉动数据,并进行频谱分析。通过与实测泵装置扬程和效率对比,证明该方法能较准确地反映泵装置内部非定常流动特征。研究表明:高效工况和大流量工况时,转轮进口和出口的脉动幅值从轮缘向轮毂侧逐渐减小,小流量工况时未呈现该规律,各工况时转轮进口和出口脉动主频受叶频控制。流量系数KQ在(0.368~0.552)范围内转轮进口处同一监测点的压力脉动幅值随流量增大而降低,转轮与导叶体间的脉动幅值随流量的增加先减小后增大,在高效工况附近脉动相对最小。导叶体出口的压力脉动主频受叶频的影响较小,未与导叶体叶片数成规律。     

Unsteady Turbulent Simulation and Pressure Fluctuation Analysis for Centrifugal Pumps

The pressure fluctuation in the flow passage of both impeller and casing is addressed on design condition. The initial conditions for the unsteady turbulent simulation are resulted from the steady calculations, and the three dimensional unsteady turbulent simulation concerning the rotor-stator interaction is executed by a Navier-Stoke solver embedded with k -ε turbulence model and with appropriate moving interface boundary conditions. Detecting points are distributed in the flow passage in different radial and circumferential positions to capture the static pressure fluctuation character for one cycle of the impeller. The time-domain spectrums show that the static pressure curves are periodic and have five peaks and five valleys. With the radius increasing, the pressure fluctuation peak-to-peak values in the impeller are increasing, and reach the maximum value on the interface. In the casing flow passage, those values are about 7% of local static pressure except some ones near the tongue. The values become decreasingly in the diffuser pipe. The frequency spectrums transformed by fast Fourier transform (FFT) show that the dominant frequency is approximate with the blade passing frequency, and the pressure fluctuations in impeller passage have high frequency content while those in casing ones have no such information.     

3D Particle image velocimetry test of inner flow in a double blade pump impeller

The double blade pump is widely used in sewage treatment industry,however,the research on the internal flow characteristics of the double blade pump with particle image velocimetry(PIV) technology is very little at present.To reveal inner flow characteristics in double blade pump impeller under off-design and design conditions,inner flows in a double blade pump impeller,whose specific speed is 111,are measured under the five off-design conditions and design condition by using 3D PIV test technology.In order to ensure the accuracy of the 3D PIV test,the external trigger synchronization system which makes use of fiber optic and equivalent calibration method are applied.The 3D PIV relative velocity synthesis procedure is compiled by using Visual C++ 2005.Then absolute velocity distribution and relative velocity distribution in the double blade pump impeller are obtained.Test results show that vortex exists in each condition,but the location,size and velocity of vortex core are different.Average absolute velocity value of impeller outlet increases at first,then decreases,and then increases again with increase of flow rate.Again average relative velocity values under 0.4,0.8,and 1.2 design condition are higher than that under 1.0 design condition,while under 0.6 and 1.4 design condition it is lower.Under low flow rate conditions,radial vectors of absolute velocities at impeller outlet and blade inlet near the pump shaft decrease with increase of flow rate,while that of relative velocities at the suction side near the pump shaft decreases.Radial vectors of absolute velocities and relative velocities change slightly under the two large flow rate conditions.The research results can be applied to instruct the hydraulic optimization design of double blade 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。     

变转速工况下离心泵蜗舌处压力波动的试验研究

对某一单吸离心泵在变转速工况下蜗舌处的压力波动进行了测量与分析。该离心泵的叶轮为半开式叶轮并具有背叶片,它由原叶轮车削后得到,从而使得叶轮出口离蜗舌距离较大。结果显示:随着转速的提高,离心泵的流量及效率线性增大,而扬程以二次曲线形式增加。该离心泵蜗舌附近的压力波动频谱以叶轮转动频率整数倍的离散分量为主,特别是叶片通过频率及其二次谐波。最大波动分量的幅度占参考动压ρv22/2(v2为叶轮出口周向速度)的0.5%左右。随着转速的增大,压力波动的增加速度比转速提高速度快,且宽频波动幅度的提高比离散分量显著。另外,频谱分量中存在叶轮转动频率非整数倍的离散分量,以及与转速无关而取决于流体系统固有振动特性的离散分量。     

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。     

不同工况对离心叶轮内部流场特性影响的实验研究

利用激光多普勒测速系统(LDV)在设计和非设计等3种工况下对后弯闭式离心叶轮内部气流流动的影响进行了实验测量。利用测量数据对比描述了不同流量下流道出口主流速度分布的特点。径向面上的速度矢量图说明了不同进口条件下流道内气流流动产生分离的位置、强度以及发展。二次流矢量图表明流量的改变导致在垂直于主流方向引起截然不同的二次涡旋流动。     

多级离心泵扬程预测及内部流场数值模拟

为了研究多级离心泵的性能及其内部流场分布,采用SST k-ε湍流模型对原型泵的首级、第二级及第三级叶轮进行定常和非定常数值模拟计算,分析其外特性、内部流场和压力脉动.研究表明,通过前三级叶轮的扬程能较准确地预测原型泵的扬程.不同流量工况下隔舌处均易出现低压区域,大流量工况蜗壳出口近隔舌处也易出现局部低压区和高压区,隔舌...     

非均布导叶对核主泵模型泵性能及压力脉动的影响

为研究核主泵模型泵导叶非均布对于其外特性及压力脉动影响,分别采用SST(剪切应力输运)k-ω湍流模型和分离涡模拟方法对泵内部流场进行了三维定常和非定常数值模拟,得到两模型泵外特性曲线和内部压力脉动情况,并对压力脉动进行时域频域分析。结果表明:采用特定形式的非均布导叶可以改善出口流动,提升模型泵多工况性能;导叶非均布对于泵内不同区域压力脉动影响不同,但其改变了由动静干涉产生的脉动频率分布,削弱了脉动幅值,有助于降低泵的振动和噪声,提高核主泵的安全性。