离心式血液泵水力性能的实验及数值模拟

为研究血液泵中的流动与水力性能和生理相容性的内在联系,在闭式血液泵实验台上,通过调节电机转速和控制流量的方式对一种径向离心式血液泵进行了外特性实验研究。为了与实验对比,对该泵进行了全流道三维定常湍流数值模拟。根据实验结果及流动分析得知:血液泵在流量5 L.min-1时扬程大于1 m,通过调整电机转速可以得到宽广的运行范围;血液泵运行在较低转速时流动的Reynolds数效应不可忽略;叶片吸力面出口附近壁面剪切应力较大,是造成血液损伤的危险区域。     

双流道泵固液两相流的数值计算与分析

基于Fluent软件中的Mixture模型,采用Simplec算法和RNGκ-ε两方程湍流模型对双流道泵内固液两相流进行了数值计算和分析;计算结果显示颗粒进入叶轮后,直接撞击后盖板,大部分颗粒沿叶轮工作面和后盖板前进,最终从叶轮出口末端流入压水室;颗粒在压水室内有沿壁面运动的趋势,但不会在压水室逗留,可以沿流道顺利流入发散管,少部分从叶轮经隔舌直接流入发散管。同时,仿真结果表明:在同一体积浓度下,粒径的变化对压力场的影响比较小,但对固液两相的离析影响较大,粒径越大颗粒越容易聚集,且运动速度也越大。     

导叶周向布置位置对核主泵性能的影响

基于多重参考系下的雷诺时均N-S方程和RNGk-ε湍流模型,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数值计算.研究导叶周向布置位置对叶轮、导叶、压水室和模型泵外特性的影响规律,分析导叶周向位置对内部流场结构的影响.结果表明:导叶周向布置位置对小流量下叶轮扬程、效率影响较大,但对设计流量和大流量下的扬程、效率影响较小;导叶内流动损失几乎不随导叶周向位置的变化而变化,但对环形压水室内损失影响较大;导叶周向位置对小流量下模型泵扬程、效率影响较小,对设计流量和大流量下的扬程、效率影响较大,导叶位置在15°时设计流量下的扬程、效率最小;导叶周向位置对泵压水室出口区域的内部流场结构有较大影响.     

轴流泵叶片设计中叶轮出口液体速度矩分布

研究了轴流泵叶片设计中叶轮出口液体速度矩分布形式对叶轮出口液体速度、理论扬程、扩压系数、水力损失、叶片安放角、叶片扭角等参数沿叶片高度分布的影响情况,选择了幂函数和现有的二次多项式函数分布规律．研究表明,速度矩分布形式对叶轮出口液体速度、理论扬程、扩压系数、水力损失、叶片安放角、叶片扭角等参数沿叶片高度分布的影响是很大的,特别在轮毂处．在出口速度矩采用幂函数分布规律的情况下,幂为0．50～0．75时,流动和叶片几何参数分布较合理。     

改进离散型遗传算法在离心泵性能优化中的应用

针对离心泵性能优化中设计参数多且优化周期长的问题,提出了适用于离散变量优化的改进遗传算法．以泵效率为优化目标,选取叶轮6个设计参数,采用拉丁超立方设计方法创建90组设计样本,用响应面模型对泵效率和设计参数进行拟合．通过改进的离散型遗传算法对其进行寻优,得到叶轮最优设计参数组合．结果表明：响应面模型能够准确反映效率和叶轮设计参数之间的关系,设计工况下预测值与数值模拟的偏差为0.82%;优化后泵效率在0.6Q_d,1.0Q_d和1.4Q_d下的增幅分别为7.05%,5.98%和1.90%,且输入功率显著降低;优化后叶轮和蜗壳内部的流动损失面积明显减小,整体流动损失显著降低．参数敏感性分析表明：叶片出口安放角、叶轮出口直径、叶轮出口宽度和叶片包角对泵性能的影响较大．     

离心叶轮出口流动分离区影响因素的数值研究

针对离心叶轮出口区域的流动分离问题,对影响离心叶轮出口流动分离的3种因素进行了数值研究。研究离心叶轮扩压度影响时发现:对于闭式叶轮,叶轮扩压度对出口的流动影响较大,当叶轮的进口与出口相对速度比大于2时,设计工况下叶轮出口出现了较大的流动分离区,这与传统的设计理论一致;对于半开式叶轮,设计工况下叶轮出口均出现了流动分离,且分离区的大小随着叶轮扩压度的增加而增大。研究叶顶间隙对离心叶轮出口流动分离影响时发现:叶顶间隙对叶轮出口流动分离区的大小影响显著,就所研究的叶轮而言,并非间隙越小分离区越小,当叶顶间隙为7.5%叶轮出口宽度时,叶轮出口流动分离区最小。研究叶片扩压器进口收敛角对半开式叶轮出口流动分离区的影响时发现,增大扩压器进口收敛角可以有效抑制叶轮出口的流动分离,但是收敛角过大,叶轮叶顶间隙区域附近的叶尖回流区增大,整级的气动性能降低。     

低比转数离心泵提高效率的研究

本文对n_s=40的离心泵能量性能进行了实验研究。通过对不同出口安放角叶轮的能量平衡试验,了解到出口安放角对泵能量性能的影响。本文给出了低比转数离心泵叶轮主要结构参数的选择方法。在叶轮的长短叶片方案中,本文首次采用了短叶片进口边向长叶片背面偏置的方法,从而使泵的能量性能进一步提高。     

导叶叶片出口安放角对混输泵性能的影响

为了探讨研究出混输泵整体性能最优时的导叶叶片出口安放角值,以自主研制的第三代YQH-100气液混输泵为研究对象,利用Fluent软件中的多体坐标系、标准k-ε模型、Mixture模型及SIMPLE算法,对混输泵导叶叶片出口安放角分别为60°、70°、80°、90°的4种情况,气体体积含气率分别为0、10%～90%的10种工况下进行三维流场数值模拟,绘制混输泵相对扬程、效率随含气率变化曲线.结果表明,导叶叶片出口安放角大小对前级动叶压力面和下级动叶吸力面的流动影响较大;混输泵导叶叶片出口安放角为60°时混输泵整体性能最优.     

深井离心泵的回归分析与数值模拟

选择了叶轮叶片出口安放角、叶片进口冲角、叶轮出口宽度及导叶进口宽度这4个几何因素,按中心组合试验方法,设计了30组方案．通过FLUENT软件,对冲压井泵的全流场进行数值模拟,获得了额定工况下30组方案的效率．采用四元二次回归方程拟合四因素与效率值之间的函数关系,通过求解回归方程以寻求最优几何参数组合．利用DesignExpert6．0．5软件对回归模型进行分析,得到二次回归响应面图．由图中发现：在给定的范围内,叶轮出口宽度对效率的影响最为显著,表现为等值线最密;导叶进口宽度与叶轮叶片出口安放角次之;叶轮叶片进口冲角对效率的影响最小,表现不显著．通过样机试制及试验,发现在设计工况下采用两级全流场的数值模拟值与试验值相当接近,误差在2％以内,验证了数值模计算的可行性．     

前伸式双叶片环保用泵的回归分析及优化设计

以某典型前伸式双叶片环保用泵为研究对象,选择了其叶轮进口直径Dj、叶轮外径D2、叶片出口安放角β2b、叶片包角θ四个几何因素,第一阶段选用L9(34)正交表进行正交设计,设计出9副叶轮,对叶轮、蜗壳在内的前伸式双叶片环保用泵进行数值模拟,获得9组设计方案额定点的效率、扬程及功率,应用极差分析与多指标综合平衡法选出泵设计的最佳参数;第二阶段在正交试验确定的最佳条件附近安排二次回归通用旋转设计,得到30组设计方案,采用CFD进行计算,分析结果以建立效率与各因素的定量关系,再通过响应面法精确得出泵的最佳设计条件.结果发现:在给定范围内,对泵效率影响的顺序为β2bD2θDj;对于中高比转速的前伸式双叶片环保用泵,其叶片出口安放角应取β2b=15°~25°.     

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.     

设计蜗壳式混流泵的一种新方法

本文给出了蜗壳式混流泵的准二元理论设计方法;推导了叶片轴面流线方程;分析了设计原理和计算方法。文中以比转数为400的混流泵作实例,在计算机上算出了结果。     

泵水力设计方法的研究现状

泵是流体输送系统的核心动力源,开展泵优化设计、实现节能降耗一直是流体机械领域的研究热点。文章回顾了基于一元、二元、三元流动理论进行水力设计的各种方法,总结了各个水力设计方法的优缺点;概括了近年来在叶轮、导叶、蜗壳水力设计方面的研究热点和主流方法,为今后泵设计方法的发展奠定了基础。以数值模拟结合三元流动理论和优化算法的设计方法已成为当前开展泵水力设计的主流手段,可以预期,随着计算机计算能力的进一步提高和优化算法的快速发展,泵的水力设计水平将会有大幅度提升并会促进泵行业的整体技术进步。     

基于CFX的双向立式轴流泵装置水力性能分析

为分析双向立式轴流泵装置的内部流动结构并进行性能预测,应用三维紊流Navier-Stokes、RNG k-ε湍流模型和壁面定律对泵装置进行全流场数值模拟研究,共计算了额定转速下240—460L/s流量范围内的9个工况点.分析了导水锥对进水流道水力性能的影响及导叶体对装置性能的影响,并通过泵装置模型试验对预测的外特性结果进行验证.研究表明,加设导水锥可消除喇叭口下的奇点,避免附底涡的产生,加设导水锥后进水流道出口断面轴向速度分布均匀度提高0.5—0.8个百分点,速度加权平均角提高了0.3°—1.28°.导水锥对自流工况的影响很小.大流量工况时扩散导叶对叶轮出口环量的回收效果优于常规导叶,泵装置效率明显提高.     

新型井泵水力设计及内部流动的数值模拟

在改进QJ型深井离心泵结构的基础上，研究提出了一种SJB型新结构深井离心泵及其特殊的水力设计方法，即叶轮的极大扬程设计法和扭曲反导叶法．将叶轮外径延伸至泵筒内壁，采用斜切叶轮出口．导叶进口边扭曲，其余部分为圆柱叶片．运用CFD软件Fluent 6．0对模型100SJB8进行数值模拟研究，分析流场并预报其水力性能，经试制100SJB8样机并比较试验结果，表明模拟能较好地预测水力性能，为设计提供指导．     

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。     

轴流式血泵内部流场和生物相容性的数值分析

设计了一种新型磁悬浮轴流血泵，使用圆锥型磁轴承以避免由动静部件接触摩擦引起的血栓问题，其结构小巧紧凑并利于磁悬浮的实现．利用数值方法对血泵内的流场进行了模拟，加装出口导叶以改善血泵内部流场，得到了血泵的水力性能曲线及泵内压强、壁面切应力的分布．验证了转子和泵壳间的狭缝中存在与主流方向相反的逆向稳定冲刷流动，避免了狭缝内流动停滞，减少了血栓形成几率．给出了一种利用数值方法计算溶血指标的方法，并通过溶血指标的计算评价了血泵内的溶血程度，发现雷诺切应力是导致溶血的主要原因．     

基于NSGA-Ⅱ遗传算法的低比转速离心泵多目标寻优

为了提高低比转速离心泵的水力效率和扬程,选取比转速为30的某一低比转速离心泵为研究对象,以离心泵的扬程和水力效率最大值作为优化目标,采用离心泵基本方程与Plackeet-Burman试验相结合的方法进行参数筛选,最终选取离心泵叶轮的叶片出口安放角、叶片包角和叶片出口宽度作为优化变量.在优化过程中,采用最优拉丁超立方设计方法安排了30组试验,利用RBF神经网络模型拟合出优化目标与变量之间的近似模型,并运用基于NSGA-Ⅱ遗传算法进行多目标寻优.优化结果表明:优化后的叶轮扬程基本没有变化,水力效率提高了5.82%,消除了流量-扬程曲线的驼峰现象,使离心泵的运行更加稳定;优化后叶轮流道内的压力梯度减小,漩涡的发生区域及大小也有不同程度的改善;叶轮流道内湍流区域分布均匀,叶片做功能力增强,水力效率得到提高.     

基于正交设计法的潜水泵空间导叶水力优化

运用正交设计法,对井用潜水泵空间导叶进行优化设计,选取潜水泵空间导叶的进口宽度、导叶叶片轴向长度及导叶叶片出口边与导叶场域出口轴向距离,以扬程、效率及轴功率作为评价指标,基于正交设计法设计了9组方案.通过数值计算及极差分析结果表明:导叶叶片轴向长度对潜水泵扬程和轴功率影响显著,导叶进口宽度对潜水泵效率变化较为敏感,保证一定的导叶叶片与导叶场域出口距离能改善潜水泵性能.基于多目标优化设计,可以确定本次研究的最佳方案组合为空间导叶进口宽度25 mm、导叶叶片轴向长度101 mm及导叶叶片出口边与导叶场域出口轴向距离20 mm.通过分析前三级叶轮效率、导叶出口静压及流线分布图看出,优异的空间导叶设计使导叶内部流体状态较好,保证叶轮效率维持较高水平,同时泵内流体保持较好的流动稳定性.     

液力透平的数值计算与试验

设计了液力透平试验台,对一单级液力透平进行了试验,得到了外特性曲线.采用全流场和结构化网格技术对液力透平内部流动进行了数值计算.分析了液力透平在不同流量下的压力场和速度场,得到了内部流场的分布规律.应用速度三角形对液力透平叶轮和尾水管内部速度场随流量变化规律进行了研究.结果表明:离心泵反转可用作透平运行,并具有较高的效率;最高效率的数值计算与试验结果相对误差为4.85％;透平内部的压力从蜗壳进口经叶轮到尾水管逐渐减小,进出口压差随流量增加而逐渐增加;在透平叶片背面和工作面存在漩涡区域,漩涡位置和区域大小随流量而变化;在尾水管横截面上存在的圆周速度分量随流量而变化.