基于CFD的离心泵关死点流动性能分析

 流体动力学数值计算（CFD）被广泛用于研究离心泵内部的流场和外特性预测,在设计工况下计算准确性较高,近年在流体机械领域的研究中占有重要位置。然而针对关死点工况离心泵流场的CFD 模拟,现有研究都是采用极小流量作为边界条件,难以得到水泵关死点的真实流动性能。本文采用完全零流量的边界条件,以常用的IS125 型管道离心水泵为例,借助于瞬态CFD 流场计算技术,进行关死点及其附近工况的非定常流场数值模拟和性能预测,并得到实测结果的验证。研究结果发现,在非设计工况尤其是关死点和小流量工况下,叶轮每个通道内具有不同的流场分布和过流能力,导致水泵性能参数出现较大的脉动现象。在关死点工况下,蜗壳隔舌所承受的流动冲击最为严重,靠近蜗壳上游的叶轮通道是排水状态,而靠近蜗壳下游的叶轮通道则是吸水状态。本文提出的关死点和小流量工况下离心泵流场计算方法能较为有效的预测该工况下泵的扬程和轴功率,得到的叶轮流道过流能力大小的结论,具有一定的学术和工程价值。     

基于OpenFOAM的离心泵内部流动数值模拟

分析了离心泵内流模拟中存在的问题,指出开源CFD软件是提高离心泵内流模拟精度的必然选择.通过在开源计算流体力学软件OpenFOAM的求解器中添加GGI动静耦合处理程序,实现了OpenFOAM在泵内流数值模拟中的应用.应用修改后的OpenFOAM求解程序对一比转数为117.8的离心泵不同工况下的内流场进行数值模拟,并将数值计算结果与试验结果进行了对比,同时分析了叶轮内部流场的分布规律.研究结果表明,设计工况下的计算扬程相对误差最小,约为-3.5%,而小流量工况下误差最大-6.4%;各工况下的计算效率绝对误差范围均在-0.5%以内.这说明设计工况下的模拟结果优于非设计工况下的计算结果.同时,叶轮内部压力分布和相对速度分布规律符合离心泵内部流动的一般规律.     

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.     

提升离心泵小流量工况数值模拟精度的进口边界设置

为提高离心泵小流量工况下性能参数的预测精度,参考关死点工况数值模拟研究的现有文献,将一种开口边界作为吸水管进口条件应用于某离心泵的多个小流量工况,以试验测量结果为基准,与常规进口边界设置下的计算结果进行了性能参数及泵内流场的对比分析,研究了不同边界设置对于不同工况的适用性。结果表明:以吸水管进口处是否存在回流为判别标准,对于存在明显回流的工况,采用开口边界可以大幅提升扬程等性能参数的预测精度,而对于入流均匀无回流的工况,常规边界条件即可满足工程计算精度要求;采用开口边界可以在吸水管进口处释放回流而避免形成虚假漩涡,保证水力损失的合理预估,进而得到更为精确的离心泵特性曲线。因此,在计算离心泵的完整特性曲线时,可首先采用常规边界条件进行全工况的数值模拟,再根据进口回流情况调整进口边界设置,对少数小流量工况进行二次计算,确保特性曲线形状符合真实情况。     

叶片进口边位置对船用离心泵性能数值模拟与试验对比

为了研究叶片进口位置对船用离心泵内部流动和性能的影响。针对一国内生产的NSL125-415/A02型船用离心泵,在不改变原始叶轮设计的基础上,运用泵与旋转机械专业设计工具CFturbo分别将叶片进口边两次前移和两次后移,设计了四种新的叶型。然后采用全粘性三维湍流数学模型数值模拟计算了5组(包括原型泵)不同工况下的船用离心泵内流场,对比了不同位置叶片进口边对船用泵流量-扬程、流量-效率等外特性曲线以及叶轮内部流场在不同工况下的流动分布,并且将原型泵数值计算结果与试验进行了比对。结果表明：适当将叶片进口边位置向叶轮轮毂处偏移,可以相对改善叶轮内部流场分布情况,降低叶轮出口位置附近湍动能强度;在一定范围内,随着叶片进口边位置向轮毂处偏移,船用离心泵扬程有所提高,整体效率略有增加,且高效区域面积变大;通过与试验对比,运用数值计算方法来预测船用离心泵内部复杂三维流动是可行的。     

叶片进口边位置对船用离心泵性能的影响——数值模拟与试验

为了研究叶片进口位置对船用离心泵内部流动和性能的影响。针对一国内生产的NSL125-415/A02型船用离心泵,在不改变原始叶轮设计的基础上,运用泵与旋转机械专业设计工具CFturbo分别将叶片进口边两次前移和两次后移,设计了四种新的叶型。然后采用全黏性三维湍流数学模型数值模拟计算了5组(包括原型泵)不同工况下的船用离心泵内流场,对比了不同位置叶片进口边对船用泵流量-扬程、流量-效率等外特性曲线以及叶轮内部流场在不同工况下的流动分布,并且将原型泵数值计算结果与试验进行了比对。结果表明:适当将叶片进口边位置向叶轮轮毂处偏移,可以相对改善叶轮内部流场分布情况,降低叶轮出口位置附近湍动能强度;在一定范围内,随着叶片进口边位置向轮毂处偏移,船用离心泵扬程有所提高,整体效率略有增加,且高效区域面积变大;通过与试验对比,运用数值计算方法来预测船用离心泵内部复杂三维流动是可行的。     

考虑流固耦合的轴流式叶片强度分析

以轴流式水轮机全流道三维湍流数值计算结果为基础,分析水轮机的压力脉动;采用弹性力学非稳态有限元法分析轴流式叶片的强度;利用弱耦合技术,对固体域和流体域进行顺序迭代,并进行了水轮机的流固耦合分析.结果表明,在水压力作用下,叶片变形的最大位移发生在叶片出水边靠近叶片外缘处,最大应力出现在叶片上端面和法兰相接处,叶片变形对压力脉动的幅值影响明显.     

深海扬矿泵内部非定常流体径向力研究

基于深海扬矿泵是深海采矿系统的关键设备,泵内部流动较复杂,无法用公式对流体径向力进行理论计算等,采用试验和数值模拟方法对其作用规律以及产生机理进行研究。首先,对泵内流场进行定常数值计算。然后,进行非定常数值计算,得到泵内压力和径向力的时域和频域图。研究结果表明:在对泵内流场进行定常数值计算时,发现扬程、功率和效率的模拟值与试验值较吻合,从而验证了数值模拟方法的可行性;叶轮和导叶的动静干涉是泵内产生压力脉动和不平衡径向力的重要原因;泵内压力和径向力均呈周期性脉动;叶轮内的压力脉动周期和主频与导叶的叶片数相关,导叶内的压力脉动周期和主频与叶轮叶片数相关,而两者的径向力脉动周期和主频则均与叶轮叶片数相关。     

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.     

基于现有蜗壳的高效低噪叶轮设计及数值分析

为对废泵进行利用,在现有蜗壳的基础上设计新的高效低噪叶轮。结合叶轮的外径、叶片出口角、叶片包角和叶片数4个因素,按照L9(34)正交试验方案设计9个叶轮,将其与现有蜗壳配套成9台泵,采用Fluent软件对泵进行数值模拟,分析离心泵内流场和外特性,并对满足设计扬程要求的泵进行稳定性分析。结果表明:4号泵(叶轮外径为246.2 mm,叶片出口角27.35°,叶片包角110°,叶片数7)效率最高,轴功率最小并且内流场和稳定性表现都较为优秀;因素分析表明:出口角对离心泵效率的影响最大,包角对离心泵轴功率、扬程和叶轮扭矩的影响最大。     

单级单吸离心泵多工况的能量性能预测

为了准确预测离心泵不同工况下的能量性能,基于国内外现有的理论公式和经验公式建立离心泵水力损失模型.运用线性回归的方法找出了叶轮进口冲角与冲击损失系数之间的函数关系,对冲击损失公式进行修正.为验证此模型预测离心泵不同工况下能量性能的准确性,选取一台比转速为92.8的离心泵,计算其9个工况点的扬程、效率和轴功率,并与试验结果进行对比分析.结果表明:扬程的预测结果与试验结果基本一致,9个工况点预测扬程与试验扬程之间的误差均在5%以内,这表明水力损失方程能很好地预测离心泵不同工况下的能量性能.     

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.     

叶片包角对组合叶轮离心泵工作特性的数值研究

为了获得某型组合式叶轮航空燃油离心泵不同叶片包角下的工作特性,对其内流场特性进行数值模拟研究。分别采用定点法和曲线拟合法建立了组合式叶轮的三维模型;利用Pump Linx软件对泵的内流场和出口工作压力特性进行数值仿真计算;在进行样机试验验证数值模拟方法准确性的基础上,基于原包角参数设计基础上增大和减小叶片包角下,进行离心泵的内流场及压力特性研究。仿真结果表明:随着包角增大,叶轮流道内摩擦力的升高导致离心泵增压能力下降;而叶片包角减小,叶轮出口相对速度液流角增大,对泵的增压能力产生积极作用。在叶轮基本外尺寸确定的情况下,必定存在使得泵性能最优的叶片包角,所给出数值模拟方法可用于指导离心泵的工程设计与优化。     

基于流固耦合的轴流泵叶片结构分析

为了准确分析YQH-100油气混输泵的叶片所受应力分布情况,运用Fluent软件与ANSYS软件协同仿真的方法对油气混输泵单级压缩级流道进行三维流动计算,将Fluent流场数据通过Workbench流固耦合技术传输给叶轮结构,再对叶轮叶片进行应力分析,通过数值分析确定叶片的应力及变形集中区域,得出叶片的应力及变形分布规律,并且可以看出运用流固耦合和不运用流固耦合时含气率对扬程和效率有较小的影响.     

多翼离心风机跨叶轮流动数值模拟研究

为准确模拟多翼离心风机各工况内流特性,将定常和非定常数值计算的结果与试验数据进行了对比,结果显示:非定常计算的结果比定常计算更准确,收敛性也更好.对于高效工况及大流量工况,定常计算足以准确预测风机的性能;但对于小流量工况,则须进行非定常计算以捕捉可靠的流场.不同工况下风机内流场的进一步分析表明:部分气体在出口背压的作用下,于蜗舌处反向穿过叶道并在下游重新进入叶轮形成跨叶轮流,其规模和强度随风机流量的减小逐渐增强.该跨叶轮流动不仅封锁住部分叶轮段,改变叶轮进出口处的压力脉动特性,还进一步影响风机进气室内的流动状态.     

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.     

不同转速下离心泵压力脉动的试验研究

离心泵的压力脉动对泵的安全稳定运行有重要影响。为了揭示离心泵运行于不同转速下的压力脉动特性,以一台单叶片离心泵为试验研究对象,测量了泵在不同转速下的外特性曲线,并采用高频压力传感器测量了泵在不同转速时的压力脉动,获得了压力脉动的时域图、频域图,以及不同流量工况下的压力脉动强度分布曲线。外特性试验结果表明:不同转速下泵H-Q曲线基本平行,符合相似换算。试验结果表明:蜗壳内压力脉动从隔舌沿着泵转子旋转方向逐渐减弱,在额定流量工况附近压力脉动强度最小。频域分析表明:压力脉动主频为叶轮转频fn,但由于单叶片离心泵内存在较强的流动分离,在5 fn范围内也存在明显的宽频压力脉动信号。随着转速的降低,蜗壳内压力脉动强度明显降低,但并不完全符合相似换算;转速越高蜗壳-叶轮的势流干涉作用越强,压力脉动周期性越明显;在低转速小流量时尾迹干涉表现明显,压力脉动变得更复杂,周期性减弱。     

偏航条件下大型风机的流固耦合分析

流固耦合条件下叶片变形和振动的分析对于大型叶片的安全至关重要。基于叶素动量理论和Euler-Bernoulli梁的有限元建立大型风机双向流固耦合数值模型,用偏航修正、叶尖轮毂的非定常叶素动量理论计算风力机的气动载荷;通过2结点12自由度空间梁单元作为结构动力分析的基本模型,结合两套理论建立可以快速分析风力机叶片流固耦合作用下的输出特性和振动特性。通过对NREL 5 MW大型风力机计算的对比和分析,验证了方法的可行性并得到在流固耦合作用下风力机输出特性曲线和叶片结构变形。证明在风力机叶轮工作状态叶片发生振动,而且在偏航情况下,叶轮的功率输出和推力输出产生周期性波动。     

离心泵叶轮后盖板粗糙带抑制空化效果分析

利用修正过的剪切应力输运(SST) k-ω湍流模型及Kubota空化模型,对不同空化数下的离心泵内流场结构进行定常与非定常空化模拟,并选取最后一个旋转周期对叶轮内流场特性进行分析,考察离心泵叶轮后盖板布置粗糙带对其内部非定常空化流动特征、压力脉动特性及抑制空化效果的影响.结果表明:叶轮后盖板布置粗糙带对离心泵外特性几乎不产生太大扰动;粗糙带提高了叶轮内流场压强,其产生较大的近场压力迫使空泡外侧形态发生改变,从而对空化产生抑制作用;空化发展初期至严重阶段,粗糙带使得周期内叶轮中空泡体积明显减小;当空泡的径向外缘尺寸发展至粗糙带位置时,该结构使得由空泡所覆盖区域内的压力脉动主频幅值有较大程度降低,且能不同程度降低蜗壳内的主频幅值,对流场结构改善效果较好,但对未覆盖区域造成了小幅扰动.