流体机械中的三元流动理论——不可压缩流体的流线曲率法

随着高速电子计算机的出现,叶轮机械三元流动理论在可压缩流体的叶轮机械中得到广泛应用。其效果之显著,促使人们力图推广其应用范围,水力机械行业也不例外。 本文应用两类相对流面理论的基本思想和方法,推导出适合于水力机械设计的三元流动基本方程和计算方法。文中首先依据质量守恒原理及牛顿第二定律,推导出适合水力机械的三元流动理论的基本方程组;其次把基本方程组化为沿S_1和S_2相对流面上流体流动所必须遵循的方程组;最后给出S_1和S_2相对流面上相应的流线曲率法的基本公式和计算方法。     

混流泵的性能预测

提出了一种基于三元粘性流动分析的混流泵的理论扬程和水力损失的计算方法，连同其他损失的计算方法，可用于混流泵的性能预测及优化水力设计     

基于CFD的中高比转速离心泵叶轮的设计方法

采用了一元理论和二元理论有势流动规律2种设计方法,对中高比转速离心泵叶轮进行水力设计.采用Flu-ent数值模拟,分别计算叶轮叶片的轴面速度和速度矩,通过分析叶片的轴面速度分布曲线和速度矩分布曲线,验证基于一元理论的叶片轴面速度并非沿过水断面均匀分布,二元理论有势流动设计方法可以设计出叶片内大部分流体满足轴面流动为有势流动的叶轮,但是设计方法尚不成熟.通过CFD计算可以得到泵的特性曲线,采用一元理论设计的叶轮的水力性能好于采用二元理论设计的叶轮,在用二元理论进行叶轮的水力设计中,速度矩分布规律曲线的选取对叶轮的水力性能影响很大.     

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。     

叶栅气动反问题的伴随优化解法及应用

伴随方法是目前流体机械优化设计领域的研究热点,具有计算量与设计变量数目基本无关的优点。鉴于以往相关研究尚未将伴随方法用于有分离流动条件下的叶栅气动反问题设计,建立了一套集叶片几何参数化、网格生成、流场求解、伴随场求解与优化求解于一体的叶栅气动反问题的优化求解方法,从减弱流动分离的角度出发,通过给定更合适的叶片表面压力分布,完成了叶栅反问题求解。研究表明,所得叶片吸力面型线更为平缓,在所研究的2种攻角下的尾缘附近流动分离较优化前得到了有效缓解。该研究有利于发展高效、宽工况叶栅设计技术,并可为复杂流体机械部件的先进设计奠定理论基础。     

轴流式喷水推进泵的三元设计

运用泵的三元设计理论和计算流体力学(CFD)数值计算方法对大功率、高效率轴流式喷水推进泵进行水力设计和性能预报,并对喷口轴向长度、叶轮叶片随边与导叶叶片导边的轴向距离以及叶顶间隙对喷泵水力性能的影响进行进一步计算与分析。从理论上说明叶轮叶片和导叶叶片之间存在最佳匹配距离,该最佳间距为标称直径的3%~4%。运用黏性雷诺时均方法(RANS)对所设计轴流式喷泵水力性能进行数值预报。研究结果表明:泵在设计流量点效率达到92.3%,同时也满足抗空化性能要求,且在较宽的流量范围内具有良好的水力性能。     

浸没式喷水推进泵设计及装船后性能预报

为了设计浸没式喷水推进泵,以国外某喷水推进混流泵为对象建立了浸没式喷射模型,运用计算流体力学(CFD)瞬态模拟方法研究了2种转速时浸没式喷射对喷水推进泵水力性能的影响。研究表明,无论是低转速还是设计转速,浸没式喷射时喷水推进泵的扬程、轴功率、效率变化都小于1%,且叶片的空化无明显变化。由此,运用三元设计方法设计了一型适用于常规尾板式喷水推进的喷水推进泵,即按常规尾板式喷水推进的"船-泵-机"匹配方法选定喷水推进泵的设计参数,按基于环量的三元方法进行喷泵的水力设计,喷泵为6片叶片、9片导叶。最后,运用计算流体力学方法对实尺浸没式喷水推进器与船体的组合结构进行了数值模拟,结果表明,在设计航速时,该喷水推进泵完全浸没在水中工作的水力性能变化很小,进而得出浸没式喷水推进泵可以按照常规尾板式喷水推进泵的设计方法进行设计的结论。     

核主泵环形压水室的内部流动稳态特性

基于相对坐标系下的雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,采用SIMPLE算法,以清水为介质,对AP1000核主泵模型进行数值模拟,研究了不同流量下环形压水室内部流动稳态特性.结果表明,环形压水室水力损失随流量变化而变化,环形压水室内水力损失与流量成非线性关系.环形压水室环形流域内流量沿主流方向逐渐增加,但在出口扩散管随工况不同其流量变化规律不同.在设计流量和1.2倍设计流量工况下,环形压水室环形流域各截面的流体几乎全部流入出口扩散管.在0.6、0.8、1.4倍设计流量工况下,环形流域内的流体一部分流入出口扩散管,剩余流体仍在环形流域内流动.随着流量的增大,环形压水室内动能整体上呈现出先减小后增大的变化规律.不同工况下,右侧隔舌附近漩涡形态、数量等的变化导致环形压水室内部流场发生变化,进而影响了环形压水室内流量的变化规律.     

流体压力损失法检测电潜泵叶轮缺陷的研究

电潜泵的主要能量损失由水力损失引起。由于铸造工艺的限制,部分铸渣常会驻留叶轮流道造成局部阻塞,使附加水力损失加大,泵效严重降低。采用流体压力损失法研究了叶轮缺陷检测的可能性,在模拟叶轮的实际工况条件下,采用空气作为流动介质,依据附面层理论分析流道阻碍物产生的局部阻力和压力损失,通过流体压力损失法检测叶轮流道结构缺陷。理论分析和实验测量结果表明,该方法快速有效,对复杂小尺寸叶轮机械水力结构的缺陷检测具有一定的启示作用。     

流体压力损失法检测电潜泵叶轮缺陷的研究

电潜泵的主要能量损失由水力损失引起.由于铸造工艺的限制,部分铸渣常会驻留叶轮流道造成局部阻塞,使附加水力损失加大,泵效严重降低.采用流体压力损失法研究了叶轮缺陷检测的可能性,在模拟叶轮的实际工况条件下,采用空气作为流动介质,依据附面层理论分析流道阻碍物产生的局部阻力和压力损失,通过流体压力损失法检测叶轮流道结构缺陷.理论分析和实验测量结果表明,该方法快速有效,对复杂小尺寸叶轮机械水力结构的缺陷检测具有一定的启示作用.     

快堆二回路钠泵叶轮与导叶叶片数设计探讨

快堆二回路钠泵是目前世界上最先进的第四代核电核心装备之一,在保证安全运行的条件下提升其运行效率至关重要.基于其原型样机的性能要求和限制尺寸,采用一元设计与CFD相结合的方式进行钠泵叶轮和导叶的水力设计并且探究钠泵叶轮叶片数与导叶叶片数的匹配规律.结果表明:只改变导叶叶片数时,不同的导叶叶片数对钠泵效率和扬程影响的最大差值分别为4.01 %和9.75%的设计参数.设计工况下钠泵叶轮与导叶叶片数的最佳匹配值为:叶轮叶片数为5、导叶叶片数为8,叶轮叶片数为6、导叶叶片数为9,叶轮叶片数为7、导叶叶片数为11,即导叶叶片数在叶轮叶片数的1.5倍附近时,泵的水力性能达到最优值.符合钠泵性能要求且水力性能最优的叶轮叶片数与导叶叶片数的匹配方案为:叶轮叶片数为6、导叶叶片数为11.     

一种双吸式血液泵水力设计

为了更好地满足体外循环装置和人工心脏的运行要求,该文采用RANS方法和SSTk-ω湍流模型对一种双吸式血液泵进行了三维定常湍流计算;在详细分析血液泵内部流动特征的基础上,对泵的水力部件如叶轮及压水室进行了设计优化,并探讨了各种设计对血液泵主要运行参数的影响。结果表明:压水室隔舌附近的流道容易出现较大的局部壁面剪切应力,是泵内血细胞容易受到损伤的危险区域;适当增大压水室断面面积有利于提高泵的水力效率;选择较大的叶片出口安放角时血液泵可获得较高的扬程,但采用径向叶片叶轮(出口叶片安放角为90°)时须设法控制流动扩散及其对泵性能的影响;所设计叶轮的平均壁面剪切应力为20～26 Pa,小于损伤血细胞的临界值。     

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.     

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.     

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。     

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．     

基于代理模型的轴流式喷水推进泵优化设计

基于代理模型的敏感度分析以及预测方法,对喷水推进轴流泵叶片结构参数进行了优化设计研究,选取叶轮叶片和导叶叶片的安放角作为优化参数,选择效率、扬程作为优化设计的目标函数;针对优化结果,采用数值模拟的方法进行了外特性以及空化性能对比分析.结果表明：导叶叶片安放角对喷水推进轴流泵性能影响较小,叶轮叶片安放角是影响喷水推进轴流泵性能的主要因素;优化后喷水推进轴流泵的外特性以及空化性能均得到提升,效率提高了3.5%.同时,结果表明代理模型优化设计方法可以较好的适用于喷水推进轴流泵的优化设计.     

典型调速工况大功率液力偶合器叶轮装配体强度分析

随着大型核/火电站装机容量的大幅度增加,大功率液力偶合器作为电站系统主锅炉给水泵调速的核心元件,其工作叶轮的强度成为影响电站系统安全稳定运行的重要因素.文章以某型液力偶合器叶轮装配体为研究对象,采用单向流固耦合计算方法,建立全流道流固耦合分析模型,其中泵轮与涡轮套的端面定位采用接触算法,用梁单元模拟螺钉联接效果,对典型工况下叶轮装配体结构强度计算分析.结果表明,装配体整体变形和应力随着转速比的增大呈增加趋势,且叶轮变形大小与对应区域旋转半径长度基本成正比,说明离心载荷是影响叶轮装配体强度的主要原因;由于螺钉预紧力效应,叶轮连接区域出现局部应力集中现象;涡轮套内缘是叶轮装配体结构强度的薄弱区域,此分析结果与文献发表结果相吻合.此项研究工作为自主大功率液力偶合器叶轮结构设计及优化提供有效的应用理论指导.     

基于分离涡模拟的核主泵水力性能非定常特性分析

为了研究核主泵在设计工况下水力性能的非定常变化特征,基于DDES湍流模型,对某型号核主泵进行全流场非定常数值计算,并结合Q准则捕捉的旋涡结构进行非定常特性分析.结果表明:在一个旋转周期内,受动静干涉作用,泵的瞬态外特性整体上具有不规律的周期性变化特征;叶轮与导叶流道内的旋涡结构会呈现出周期性分裂、融合的非定常现象,而压水室内旋涡结构则是发展与扩散的变化过程;导叶入口处不同时刻涡结构的变化会造成其不同程度的阻塞,从而引起出口压力的波动,造成泵的水力性能出现脉动效应,加剧泵的振动.     

叶轮机械气动优化设计中的近似模型方法及其应用

针对在工程中完全采用随机类优化方法寻优时计算量过大的问题，应用统计学的方法发展了计算量小、在一定程度上可以保证设计准确性的近似模型方法．在气动优化设计过程中，用该模型取代耗时的高精度的计算流体动力学分析，可以加速设计过程，降低设计成本．基于统计学理论提出的近似模型方法有效地平衡了基于计算流体动力学分析的叶轮机械气动优化设计中计算成本和计算精度这一对矛盾，在离心压气机叶片扩压器、叶轮和混流泵叶轮设计等问题中得到了成功应用，展示了广阔的工程应用前景．目前，已经建立了离心压气机部件及水泵叶轮的优化设计系统，并在工程设计中发挥了重要作用．