叶轮进口几何参数对离心泵空化性能的影响

对一个低比转速(ns=86m·m3·s-1·min-1)离心式锅炉给水泵进行了空化性能实验.为了与实验对比,在泵最佳效率点附近,基于标准k-ε模型和VOF空化模型进行了泵内全流道的三维空化湍流计算.结果表明数值模拟能较好地预测泵的平均空化性能.为改善锅炉给水泵内的空化性能,在实验泵已有叶轮的基础上,采用延长叶轮进口及加大叶片安放角的措施设计了5种新叶轮,并以这些新叶轮替代原叶轮进行了泵内全流道的空化流计算.结果表明,适当延伸叶轮叶片的进口位置及加大叶片进口角均可较明显地改善离心泵的空化性能.进一步的流场分析显示,保证叶轮进口的流动均匀性是离心泵空化性能得到改善的重要原因.     

微型泵半开式离心叶轮的空化性能

为了解空化性能对微型泵运行可靠性的影响,对两个半开式离心叶轮进行了空化实验。两试验叶轮在断面上具有相同的叶片型线,其中一个为二维叶片,另一个为倾斜叶片。为了与实验对比,在每个叶轮最佳效率点附近,基于标准k-ε模型和VOF空化模型进行微型泵内三维紊流计算。研究揭示了所试验的微型泵具有与常规尺寸离心泵相当的空化性能;随着叶尖轴向间隙增大,微型泵的空化性能下降;对半开式叶轮,采用倾斜叶片,既可提高微型泵的水力性能,还能提高其空化性能。研究显示叶轮进口流动均匀是空化性能得到改善的重要原因。     

诱导轮与叶轮叶片数匹配对泵空化性能的影响

为了研究诱导轮叶片数与叶轮叶片数匹配关系对泵空化性能的影响,基于雷诺时均N-S方程、RNG k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型,结合试验对某型LNG电动超低温潜液泵进行了全三维数值计算,并分析了泵的空化性能、扬程和效率随诱导轮和叶轮叶片数的变化规律.分别对诱导轮叶片数为2、3、4,叶轮叶片数为6、7、8的9种正交组合进行了数值分析研究,得到诱导轮和叶轮内空化发展的四个阶段.研究结果表明:只增加叶轮叶片数,扬程的增加幅度逐渐变大,对空化性能影响不明显;只增加诱导轮叶片数时,空化性能严重下降,最大差值达到11.0%,但对扬程和效率影响不明显;诱导轮的叶片数对泵空化影响较大,叶轮叶片数对泵空化影响较小.     

速度环量对大型轴流泵站水力性能的影响

为了研究大型轴流泵装置内部由空化引起的有旋流动对机组水力性能的影响,基于SST(shear-stress transport)k-ω湍流模型,应用Rayleigh-Plesset模型对泵站内部空化进行描述,并用速度环量分别对非空化和空化2种状态的有旋流动进行计算,结合模型泵试验研究等方法对泵内有旋流动进行分析。比较2种工作状态下流体流动偏移角(γ),研究速度环量对水力性能影响的规律。研究结果表明:在设计工况下,扬程相对误差为3.58%,效率相对误差为3.31%,验证了湍流模型的适用性,并得到泵站装置临界空化压力(Pc)和断裂空化压力(Pf);在设计工况下,空化会增大流体流动偏移角,增大速度环量,增加内部流道水力损失;在偏离设计工况下,会增大流体流动偏移角(γ)。其中,在小流量系数条件下较大,此时空化进一步增大流动偏移角(γ),并增加由此引起的速度环量变化量以及进出口流道内部损失,使大型轴流泵站性能下降。     

低温诱导轮空化特性数值计算研究

为研究低温诱导轮的空化性能,对液氮诱导轮空化流动进行了数值计算研究.数值计算采用了考虑旋转修正的FBM湍流模型和考虑热力学修正的Singhal空化模型.数值结果与实验进行对比,验证了数值计算方法的准确性.结果表明,随着空化数的降低,诱导轮空化分为无空化、间隙空化以及回流涡空化三个典型阶段.在研究选取的温度区间内（77.5 K≤T≤83 K）,诱导轮不同空化阶段的分界点几乎不随温度变化.随着液氮温度的升高,诱导轮内部空穴体积呈现先增后减的趋势.对诱导轮空化热力学效应进行分析表明,当液氮温度较低时,热力学效应不显著,韦伯数主导着空化的发展;当液氮温度较高时,热力学效应增强,从而抑制了诱导轮内部空化的发展.      

离心泵内部流场的三维空化湍流的数值计算

采用Singhal等人发展的一种三维混合流体完整空化湍流模型,基于RNG的k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对离心泵内部的全流道三维空化流动进行定常和非定常数值模拟.根据空化流动模拟计算的结果,得到定常和非定常情况下空化余量和扬程的曲线,与实验结果进行对比,说明计算结果能够真实反映离心泵内部空化流动的性能.进而有效地预测叶轮内部流道空化发生的部位和空化流动的发展情况,分析空化余量的降低对离心泵空化性能的影响.研究结果表明,所采用的空化模型和数值计算方法能够用于离心泵在设计工况下的空化性能的计算.     

附着空化流动下离心泵水力性能数值预测

采用改进的空化模型和算法，同时耦合黏性Reynolds-Averaged Navier-Stokes方程求解技术，对空化流动条件下离心泵的水力性能进行了数值预测研究．采用具有试验数据的拱形头部圆柱体空化绕流考核了所提出的空化模型和算法的准确性和可靠性．采用数值方法研究了不同流量系数下离心泵水力性能与空化系数之间的关系，预测了空化系数对离心泵叶轮表面附着空化气泡形状的影响．数值结果表明，在相同的流量系数下，存在着临界空化系数，在临界空化系数时离心泵的水力性能突然下降，空化系数越小，离心泵叶轮表面的附着空化空腔越大，同时造成水力性能下降的越快．研究结果证明了所提出的空化模型和算法能够应用干水力流体机械宅化流动时的性能预测。     

叶顶间隙对轴流泵外特性及空化性能影响研究

为探究叶顶间隙对轴流泵外特性及空化性能的影响,基于修正的SST k-ω湍流模型和Z-G-B空化模型,对350ZQ-70型潜水轴流泵进行数值模拟,对比分析不同叶顶间隙下轴流泵的外特性曲线、叶轮流道内的压力脉动、空泡体积分数分布等.结果表明:随着间隙的增大,泵扬程和效率降低;小流量工况下流动失稳现象明显加强,扬程曲线会出现驼峰现象;进口边近轮毂侧比近轮缘侧更易发生空化;设计流量下,轮缘间隙空化首先出现在叶片中部,而不是叶片进口;叶片背面空化会影响相邻叶片工作面压力分布;存在临界间隙值,未达该值前,间隙增大主要降低叶轮的做功能力,对空化性能影响不大,超过该值后,空化稳定性降低,诱导压力脉动;对于实验泵,临界值在1.5~2 mm;随着间隙的增大,轮缘处空化程度不断增强,进口边空化程度反而有所减轻;根据轴流泵叶轮组装结构,从保护轮毂叶轮体的角度考虑,兼顾做功能力和运行稳定性,实验泵选择间隙为1.5 mm较为合适.     

超(超)临界多级套筒调节阀空化抑制模拟研究

针对超(超)临界火电机组疏水系统中存在的套筒式多级降压调节阀高温水高压降空化引起汽蚀破坏的问题,基于汽液传递理论与多级降压理论,引入Z-G-B空化模型与混合两相流模型,建立阀内流场高温水空化计算模型.研究了套筒层数与级间间隙对空化流动的影响,获得了不同套筒模型条件下的阀内流场压力、速度及汽液两相体积分布等流场信息.分析结果表明:多级套筒使阀内最低压力由1.5 MPa上升至4.0MPa,空化最大气体体积分数由0.99降低至0.18.增加套筒级数可有效实现逐级降压、限制流速的目的,还可抑制空化的发生及发展,同时增加级间间隙也有利于减轻空化.     

基于正交试验大型轴流泵空化特性的数值模拟

针对28CJ-70型立式轴流泵内部空化对机组性能的影响,从泵内空化基本方程出发,确立叶顶尖间隙γ、叶片吸力面流线分布和叶片进口边外缘修圆ψ为影响轴流泵空化特性的主要因素,并建立L9(33)正交实验表,分别对9组试验方案进行数值模拟,计算结果表明:叶顶尖间隙γ对叶轮吸力面外缘泄漏涡变化较为敏感,增大叶顶尖间隙γ能够有效改善吸力面外缘速度分布,但会使泵扬程降低;叶片吸力面流线分布Φ对轴流泵效率和空化持续长度χ具有重要影响,当吸力面流线分布Φ=0.7时,能够明显改善吸力面低压区流体回流范围,使空化持续长度χ迅速降低,并能大幅度减小空化体积分数.通过对立式轴流泵模型进行试验研究发现:数值模拟结果与试验外特性曲线能够较好符合,达到工程应用的要求,进而验证正交计算结果准确性.     

离心泵空蚀湍流的非定常数值模拟

为了研究离心泵内部的空蚀流动,结合Fluent软件中的空蚀模型和混合流体两相流模型,对离心泵流道内的三维湍流空蚀流场进行非定常数值模拟.根据模拟计算结果的液相和空泡相流动特征,预测离心泵在设计工况下运行时流道内空蚀发生的位置和程度;通过分析空蚀发生过程中叶片上的压力分布,揭示出离心泵流道内空蚀流场的内在特性,并可对泵的性能进行预估.     

高比转数离心泵叶轮内空蚀两相流动的数值模拟

为了研究高比转数离心泵内部的空蚀流动,采用完整空化模型和混合流体两相流模型对比转数为177的离心泵全流道内空蚀流动进行定常数值模拟.根据计算结果,分析液相和空泡相主要流动特征及叶片上的静压分布,揭示叶轮内空蚀两相流场的内在特征,结果表明预测得到的空蚀现象与实际离心泵受空蚀现象的影响与破坏情况基本一致.     

空化过程对核主泵外特性变化的影响与分析

为研究空化发展对核主泵外特性及内部流场的影响,基于连续性方程、雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对核主泵模型泵在设计工况下进行全流场空化模拟.研究中选择四种空化工况,通过对比模拟结果,得出核主泵在发生空化时,其性能变化规律及内部流场变化规律.模拟结果表明:核主泵发生空化时,泵的外特性对有效空化余量降低的敏感程度不同.随着空化程度的加剧,扬程下降最快,功率下降最慢.空化状态下,由于空化产生的气泡对叶轮流道产生排挤作用,使得过流断面面积减小,流体相对速度增大.此外,由于空化产生的气泡改变了空化区域流体状态,使流体动力黏度减小,导致空化区域湍流耗散率减小,湍流耗散损失降低.     

基于Kunz模型的离心泵空化流数值计算

将常用于水翼、螺旋桨等的空化模型应用于离心泵空化流数值计算,以比转速为94的离心泵为研究对象,在不同流量系数下,分别进行了空化性能的数值计算和试验研究.比较了计算和试验得到的空化性能曲线,发现各流量系数下模拟均能捕捉到较低空化数时扬程系数的下降,而且与试验结果较为一致.此外,还对设计工况下叶轮流道空泡和总压系数分布规律以及叶片压力系数分布规律进行了分析.对数值预测结果的分析表明：使用Kunz空化模型进行离心泵空化流数值计算能够较为真实地反映离心泵的空化性能.     

Numerical study of unsteady cavitation on 2D NACA0015 hydrofoil using free/open source software

The free/open source software as OpenFOAM, Salome meshing and python language under Debian Linux system are evaluated to model unsteady cavitating turbulent flow around a NACA0015 hydrofoil. Based on the cavitation model proposed by Kunz and large eddy simu- lation （LES） method, we denote the benefits of free software and open source tools as an alternative to proprietary software of computational fluid mechanics, and provided a modified cavitation model to improve numerical accuracy. The simulation results of typical break-off cycle for cavitation shedding are compared to available experimental data, and validated using image processing to find percentage of similarities. The sheet cavity frequency of 7.752 Hz was obtained based on cavitation evolution and pressure fluctuations. The study gives relevant information for CFD software development in the future.     

高速航行体通气空泡形态

采用数值模拟方法,对高速航行体垂直发射上升过程重力场中的通气空泡流进行了研究.基于Mixture多相流模型和耦合自然空化模型,建立气、汽、液多相空泡流数学模型,求解整个流场域内的Reynolds平均Navier-Stokes方程.使用动网格技术(Dynamic Mesh Method)结合用户自定义函数(UDF)的程序,数值模拟了重力影响下高速航行体垂直发射水下运动过程,揭示了通气空泡的演化规律及流动载荷变化特征.     

诱导轮液氧空化热力学效应数值计算研究

为了研究低温介质诱导轮空化热力学效应,采用FBM湍流模型和基于热力学修正的Kubota空化模型,针对常温水和液氧两种介质的诱导轮空化性能进行了数值计算研究.对比数值预测的常温水介质诱导轮扬程性能与实验结果,验证了数值方法的准确性.计算结果表明,相对于常温水,液氧诱导轮的空化受到了抑制.在液氧空化区域液相和汽相发生了强烈的热量交换,使得局部温度下降,进而导致当地饱和蒸气压下降,抑制了空化的发展.针对不同温度下的液氧,提出了一种诱导轮低温空化特性理论预测方法,基于两种温度下诱导轮空化特性曲线预测其他温度的空化特性.理论预测与数值计算结果吻合较好,验证了该理论预测方法的准确性.      

A modified density based cavitation model for time dependent turbulent cavitating flow computations

The predictive capability of transport equation-based cavitation models including the Kubota cavitation model (Model-1) and interfacial dynamics cavitation model (Model-2), is evaluated for the attached turbulent cavitating flows. In this study, the test problem is the unsteady cloud cavitating flows around a Clark-Y hydrofoil. Based on the evaluations of existing models, we identified the differences between these two vaporization and condensation processes in the affected region, and provided a modified density based cavitation model (Model-3). The numerical results of the cavity shapes, velocity distributions and dynamics of the cavity oscillations were compared to existing experimental data. Compared with the other cavitation models, a significant improvement for the numerical results of unsteady cavitating flows has been obtained with the new model. Our study provides the information for further modeling development.