低比转速离心泵非定常空化流动特性

为了研究低比转速离心泵的空化流动特性,基于SST k-ω湍流模型和ZGB空化模型,在不同进口压力条件下对离心泵内部空化流动进行三维非定常数值模拟,研究了离心泵在发生空化时不同位置的压力脉动规律和空泡体积变化规律.结果表明:空化发生后叶轮压力脉动主频为叶频,流道进口处次频脉动幅值增长明显;空化时叶轮流道靠近叶轮出口处的压力脉动幅值增长率与叶轮流道进口处压力脉动幅值增长率相比增长更明显;空化时叶轮流道进口处的压力脉动与叶轮流道、出口及隔舌处压力脉动相比存在迟滞现象;空化过程中空泡体积的增长过程是非线性的.     

叶片包角对离心泵流场及脉动特性的影响

针对离心泵非定常流动压力脉动特性,采用滑移网格的大涡模拟技术对叶片包角分别为95°,100°,105°,108°的4副叶轮进行数值模拟.分析了叶片包角对离心泵水力性能、叶轮出口"射流-尾迹"、测点压力脉动频谱特性和叶轮径向力的影响关系.结果表明:随着包角的增大,离心泵的水力性能下降;包角适当增大,会使叶轮射流-尾迹流动结构变弱.在设计工况下,蜗舌附近测点压力脉动最大;在蜗壳螺旋段压力脉动强度沿流动方向逐渐变弱,而在叶轮流道内压力脉动沿流动方向逐渐增强,在叶轮出口处达到最大;而离心泵叶轮所受径向力随着包角的增大而减小,适当地增大包角可以提高离心泵运行的可靠性.     

包角对中转速比离心泵流场及压力脉动的影响

为了研究叶片包角对中转速比离心泵性能的影响,以转速比为129的中转速比离心泵为研究对象,在确保叶轮其他设计参数恒定的同时,设计了90°、100°、110°、120°、130°5种包角的叶轮。运用Fluent仿真软件非定常数值模拟计算得到不同包角情况下泵外部特性曲线及叶轮内部压力和速度分布云图,通过测量水泵蜗壳及叶轮内7个监测点压力的数据得到离心泵压力脉动特性。研究结果表明:水泵扬程及效率随叶片包角的增大均有所降低且效率最高点向小流量方向偏移,包角增至130°时相比90°包角,扬程降低13%,效率降低5.2%;随着包角的增大,叶片进口低压区增多,出口高压区减少,叶轮内低速区减少,出口速度增大;额定流量下,蜗壳内压力脉动主频约为一倍叶频,流道内压力脉动主频约为一倍转频,各监测点压力脉动幅值随包角增大整体呈上升趋势。于是,综合考虑选取120°作为中转速比离心泵包角最优取值。探究叶片包角对中转速比离心泵内部流场及压力脉动影响规律,可为中转速比离心泵水力优化提供理论支持。     

轴流泵空化流及其诱导压力脉动的数值模拟

基于改进的空化模型和SSTk-ω湍流模型,对轴流泵的流量-扬程曲线、空化特性及其诱导非定常空化压力脉动进行了数值模拟和分析.数值模拟结果表明:设计工况下的扬程、效率和必需空化余量预测误差分别为3.41%,4.10%和6.32%,获得了较高的预测精度;轴流泵叶轮空泡主要分布在叶片背面进口10%~30%区域,从轮缘到轮毂叶片空化区域逐渐减小;轴流泵叶轮出口在空化条件下的压力脉动的主频仍为叶频,谐频为叶频的倍数.叶轮出口受到叶轮外缘严重空化流的影响,在临界空化余量工况下,靠近轮缘处的空化压力脉动幅值是轮毂侧4倍左右;在导叶出口处两者差异逐渐减小,轮缘处的幅值比轮毂处仅大40%左右.随着空化余量不断降低,叶轮内空化趋于严重时,空泡发生区的压力脉动幅值显著增大;但在叶轮进口处,由于空化流向叶轮下游发展,叶轮上游流场受到空化的影响较小,在不同空化余量下压力脉动幅值变化较小.     

叶轮时序对两级离心泵内部流动的影响研究

对离心泵而言,叶轮时序位置的改变对泵水力性能和压力脉动影响较大。本文对某两级离心泵首级和次级叶轮在七种不同时序位置下的内部流动进行了数值模拟,并对叶轮和蜗壳内部的流场和压力脉动特性进行了分析。结果表明:在设计流量下随着次级叶轮时序位置的变化,离心泵的扬程和效率分别上升了2.9%和2.4%;同时时序位置的改变影响了叶轮进口相对液流角和出口环量,改善了蜗壳隔舌处的流态,漩涡区域减小,从而降低了次级叶轮和蜗壳内部的流动损失;时序效应对次级叶轮和蜗壳压力脉动影响较大,各测点主频均无变化,但次级叶轮内测点压力脉动主频幅值降低了20.16%,蜗壳隔舌处降低了2.24%。综合比较分析不同时序位置下两级离心泵的性能,当次级叶轮旋转至首级叶轮流道中间时,离心泵的水力性能及压力脉动特性较好,研究结果可为两级离心泵设计提供参考。     

不同叶片数对低比转速离心泵压力脉动的影响

为了研究不同叶片数对压力脉动的影响,在保证叶轮其他几何参数不变的情况下,将叶片数设计为4、5、6三种情况,采用FLUENT软件、RNGk-ε湍流模型和滑移网格技术,对低比转速离心泵进行了三维非定常数值模拟,分析了不同叶片数对蜗壳隔舌、蜗壳-叶轮间隙以及蜗壳扩散段内压力脉动的影响.结果表明:各个叶片数泵在三个监测点压力脉动频率均以叶片通过频率为主,且在隔舌处压力脉动幅值变化最大;6叶片数泵在小流量下,隔舌处压力脉动幅值变化均小于4、5叶片数,其最大脉动幅值约为静压均值的9%左右;5叶片数泵隔舌处,在0.6、1.4倍设计流量时压力脉动幅值明显大于设计流量下的幅值,约为设计工况下幅值的2倍和2.4倍;4叶片数泵在1.0、1.4倍的设计工况下,隔舌处的压力脉动变化最大,其最大幅值约为设计叶片数的1.29倍和1.4倍.在不同叶片数时,蜗壳扩散段和蜗壳-叶轮间隙内压力脉动变化相对隔舌处较小.     

离心泵作透平水动力噪声特性研究

为研究离心泵作透平在水动力载荷激励作用下的噪声特性,以某单级离心泵反转作透平为研究对象,基于雷诺时均法获得透平内部非定常流场,进而运用直接边界元法求解叶轮和壳体壁面偶极子源引致的噪声,并借助水听器对透平出口水动力噪声进行试验测量.在对计算获得的水动力噪声试验验证的基础上,对比了各过流部件压力脉动特性以及不同性质噪声源的辐射声压特性.研究结果表明,450Hz以内的低频段内,壳体声源作用的水动力噪声能够体现多声源的共同作用,最优和大流量工况下计算与试验频谱曲线吻合较好,叶频及其倍频下平均误差仅为4.35%.蜗壳内压力脉动主频为叶频,叶轮流道内除次主频叶频外存在1个主频轴频,进水管和尾水管内压力脉动主要为蜗壳内压力脉动传播所致,而叶轮内部形成的低频压力脉动传播现象不明显.轴频处,叶轮旋转偶极子作用下的声压较强;而在叶频及其倍频处,壳体偶极子是主要声源.     

空化对离心泵低频水力振动影响的数值研究

选择k-ε湍流模型和空泡动力学理论对离心泵内部的空化流场进行计算,获得了三种不同空化阶段(无空化、空化初生及空化充分发展)叶轮内部气泡分布规律,捕捉了叶轮受力以及蜗壳壁面和叶轮出口压力脉动的动态信息.时频分析结果显示:数值仿真场中压力和受力在空化不同阶段表现出不同的时频特性;随着进口压力的降低,气泡首先在叶片背部产生并逐渐随水流扩展;在不同空化阶段,蜗壳内压力脉动主频均为叶频,蜗舌处压力脉动幅值最大;当远离蜗舌时,叶片作用大于动静干涉,叶轮出口出现了比蜗壳壁面更多的高频成分;叶轮Y向动态受力峰峰值变化幅度明显大于X和Z向,空化的发展主要引起叶轮Y向振动加剧.     

变工况下离心泵蜗舌处压力波动的试验研究

对某一离心泵在变流量工况下蜗舌处的压力波动进行了实验测试与分析。该离心泵的叶轮由原叶轮车削而成,具有5个主叶片和5个背片。性能测试结果表明,随着流量增大,离心泵的压头下降而效率增加,但实验最大流量工况并未达到高效点,而较大的蜗舌间隙使得该离心泵的总体性能低。在压力波动方面,蜗舌处的压力波动以离散频率分量为主,特别是叶频(BPF)分量,而四倍叶频以上的压力波动幅度已很小。由于离心泵运行在小流量工况下,蜗舌处流动扰动及分离主要发生在蜗舌内侧,因此蜗舌内侧的压力波动幅度大于外侧。研究结果可为离心泵的降噪提供参考。     

涡带工况下轴流泵装置内部脉动特性数值分析

为研究涡带工况时立式轴流泵装置内部流场压力脉动情况,开展了立式轴流泵装置非定常数值模拟,通过设置监测点,获得了不同位置的压力脉动结果,并进行了频谱分析.通过物理模型试验及PIV流场测试技术验证了数值计算结果的有效性,重点分析了叶轮进口及箱涵式进水流道底部的压力脉动特性.研究结果表明,涡带工况时叶轮进口的脉动主频已不再受轴频控制.不同工况时叶轮进口的相同监测点的脉动主频存在差异性.大流量工况时叶轮进口的脉动相对幅值较大,且涡带诱发的脉动主频与轴频相同.各工况时箱涵式进水流道底部水力脉动均为低频涡带脉动.在大流量工况时,箱涵式进水流道底部的脉动压力主频与轴频相同,次主频与叶频相同,扭矩变化主频与叶轮的轴频相同.     

一种降低单级液力透平蜗壳内压力脉动的方法

为了降低液力透平蜗壳内的压力脉动幅值,选择一单级离心泵为研究对象,当离心泵反转作液力透平时,在液力透平叶轮进口前添加一组固定导叶,利用Pro/E软件建立添加导叶前后的几何模型,然后利用软件ANSYSCFD计算两模型蜗壳内周向、径向以及不同流量下的压力和压力脉动变化情况,并通过快速傅里叶变换将压力脉动的计算结果进行处理,分析蜗壳内的时域和频域分布.研究发现:叶轮进口前添加导叶可有效降低蜗壳内周向和径向最大压力脉动幅值,且使大流量下蜗壳内的压力脉动幅值增加程度降低.     

缝隙引流叶片对低比转速离心泵性能的影响

低比转速离心泵由于叶轮直径大、出口宽度小、流道扩散严重等原因,导致其效率偏低且很难改善.缝隙引流技术可大幅提高低比转速离心泵的性能.为进一步分析缝隙引流技术对不同低比转速离心泵性能的影响,设计3种不同比转速的常规叶轮和缝隙引流叶轮.为便于分析比较,将同一比转速的叶轮在同一蜗壳内进行实验.实验结果表明:缝隙引流技术可有效地提高扭曲叶片叶轮的性能,且对不同低比转速离心泵性能的影响程度和影响区域不同;缝隙引流叶片包角和缝隙越小,对泵性能的改善越有利.     

压水室布置凹槽对离心泵内部流动特性的影响

以离心泵为研究对象,基于被动控制技术对压水室结构进行改型,在试验验证的基础上采用数值计算方法对离心泵内流场进行了计算,分析不同工况下凹槽结构对离心泵性能及流场流动结构的影响.结果表明:凹槽结构的布置可以改善离心泵大流量工况下的性能,扩大离心泵的稳定工作范围;在设计工况下,凹槽结构的压水室可减少叶轮和压水室内的低压区和低速区面积,并不同程度提高叶片不同展向位置的压力值,特别是在70%～100%叶高范围内,凹槽结构对叶片压力面进口附近的压力提升更为明显,对改善离心泵抗汽蚀性能有积极效果;在0.8Q_d～1.4Q_d(设计流量)工况下,凹槽结构压水室隔舌处压力脉动幅值有明显降低,特别是在0.8Q_d下,压力脉动周期性更好,脉动峰值降幅可达74.14%,凹槽的布置起到了吸收流体冲击能量和稳定压水室内部流动的作用.     

离心泵蜗舌区非定常流动特性

采用Navier-Stokes方程和RNG k-ε双方程湍流模型,对多工况下离心泵全流道进行了非定常流动数值模拟. 非定常计算得到的离心泵外特性与试验数据吻合较好. 在离心泵蜗舌区设置了3个监测点,计算得到了蜗舌区流体瞬态速度矢量分布,各监测点的压力、径向速度、周向速度的脉动时域特性,并对其进行了分析. 结果表明:设计工况下,蜗舌区流动比较均匀,压力和速度脉动幅度较小. 大流量工况下,在叶轮出口的射流-尾迹结构影响下,各监测点的压力和速度随叶片转动出现相应的峰值和谷值. 小流量工况下,蜗舌区内存在绕蜗舌顶端逆向流动、叶轮出口回流、蜗舌附近蜗型段内旋涡,使得流动非常复杂,流体压力和速度脉动幅度较大,压力最大值约为最小值6倍.      

基于CFD的离心泵侧壁式压水室优化设计

为了获得侧壁式压水室离心泵较高的水力效率和低的压力脉动水平,通过控制侧壁式压水室的侧壁倾斜角及叶轮外径和压水室基圆直径之间的间隙,在相同的叶轮及进出口边界条件下,采用Fluent软件对比转数为130的侧壁式压水室离心泵进行数值计算.结果表明:间隙率不变,侧壁倾斜角为15°,离心泵的水力效率达到最大值;侧壁倾斜角不变时,随着间隙率的增大泵的水力效率提高,并在间隙率为0.308时达到最大值;将时域信号进行FFT变换为频域信号,在倾斜角为15°时,叶频的脉动幅值最低;当倾斜角不变时,随着间隙率增加叶频的脉动幅值水平呈下降趋势;考虑泵的径向尺寸,侧壁式压水室间隙率不能取太大,提出的间隙率取值范围为0.134～0.192.     

仿生蜗壳结构对离心泵隔舌区域脉动特性的影响

为了有效降低离心泵隔舌区域压力脉动特性,基于长耳鸮特殊的羽翼形态,建立仿生蜗壳结构计算模型.采用数值模拟的方法对标准蜗壳、仿生蜗壳离心泵全流场进行瞬态计算,对比分析了设计工况下不同蜗壳结构隔舌区域各监测点脉动特性,研究了不同工况下不同蜗壳结构隔舌头部的脉动特性.结果表明:不同工况下,各监测点的压力脉动频率基本与叶片通过频率一致;设计工况下,采用仿生蜗壳时相对于标准蜗壳各监测点脉动幅值均有所下降,最大降幅达56.1%;3种工况下,采用仿生蜗壳时隔舌头部脉动幅值在标准工况及大流量工况下均会降低;设计工况下采用仿生蜗壳可以显著改善其叶轮流道及扩散段流体的流动状态,使离心泵内部流场更平缓,提高其运行的稳定性.     

叶片交错布置不同角度对双吸离心泵蜗壳内压力脉动的影响

双吸离心泵内部流场压力脉动是影响水泵机组运行稳定性的关键因素,为了研究双吸离心泵叶轮两侧叶片交错布置对泵蜗壳内压力脉动的影响,以某双吸离心泵为研究对象,将其两侧叶片分别交错布置15°和30°,在蜗壳的不同位置设置监测点,利用CFD技术对离心泵内部流场在设计工况下进行三维非定常数值模拟,得到监测点处的压力脉动情况,并对其进行时域与频域分析.结果表明,该泵蜗壳内的压力脉动主要以轴频和叶频为主,相对于原模型泵叶轮,将叶片交错布置可以有效改善蜗壳内的压力脉动情况,且将叶片错开30°减弱蜗壳内压力脉动的效果比错开15°更好.     

喷水推进器内非定常压力脉动特性

基于RANS方程和SST湍流模型,对喷水推进器内非定常流场进行数值模拟.经网格无关性分析后,计算得到的功率、推力与试验值对比最大误差小于4%.分析了设计转速工况和自航工况时叶轮进口、叶轮出口、导叶中部和导叶出口压力脉动的时域和频域特性.结果表明:喷水推进器内最大压力脉动发生在叶轮进口;受不均匀来流影响,叶轮进口从80°至140°半径方向的压力脉动较大;在叶轮进口与出口处,压力脉动主要受叶轮叶频控制,从轮毂到轮缘脉动幅值逐渐增大;设计转速条件下,喷水推进器运行于设计航速工况时叶轮进口压力脉动最小;自由航行时,压力脉动频率与喷水推进器转速呈线性关系,脉动幅值随航速增加而升高.     

泵作透平尾水管压力脉动特性分析与试验

为研究泵作透平尾水管压力脉动特性及内部流动机理,采用试验与雷诺时均非定常数值计算相结合的方法,对尾水管内部压力脉动及其上游过流部件对其内部流动特征的影响进行分析,得到不同位置监测点处的压力脉动特征。研究结果表明:蜗壳内压力脉动主频为叶片通过频率,动静干涉作用是引起透平蜗壳内压力脉动的主要原因;由于上游蜗壳内产生的压力脉动传播到叶轮导致叶轮流道内除主频轴频外还存在1个次主频叶频;小流量时尾水管中心区域出现回流现象,但是随着流量的继续增加回流现象逐渐消失;透平尾水管内压力脉动主要为上游蜗壳内压力脉动传播所致,动静干涉作用是其产生的主要原因;随着流量的增加,透平内部压力脉动主频幅值增加,且大流量工况下达到最大值。     

喷水推进泵压力脉动特性数值计算及分析

针对喷水推进器装船后不均匀来流对压力脉动特性的影响,以某巡逻艇喷水推进混流泵为研究对象,基于RANS方程和SST湍流模型,通过流体动力学软件CFX稳态计算,进行了巡逻艇航速数值预报,所得计算值与试航值误差为1.8%,从而验证了计算流体动力数值计算的可信性。采用分离涡模拟方法,对敞水泵和装船泵进行了三维非定常数值模拟,计算分析了叶轮进出口、叶轮内部、导叶内部及喷口5个截面和叶轮叶顶间隙处的压力脉动,并对不均匀来流带来的差别进行了研究。结果表明:在敞水泵和船后泵的叶轮出口、导叶内部,水流距叶轮越远,压力脉动影响越小,压力脉动频率取决于叶轮转动频率,压力脉动幅值沿轮毂到轮缘逐渐增大,船后泵压力脉动幅值整体高于敞水泵;对于均匀来流,敞水泵旋转域叶轮室的压力脉动频率主要受导叶的影响,船后泵则受轴频的影响,二者压力脉动幅值在叶顶间隙处均从叶顶沿导边到随边逐渐增大;对于敞水泵,流道出口压力脉动频率主要受叶频控制,对于船后泵,压力脉动频率为轴频。