入口非均匀流对核主泵性能影响研究

CAP1400反应堆冷却剂系统中蒸汽发生器下封头和核主泵直接连接,使蒸汽发生器下封头出口接管的流场变得不均匀.为探究非均匀入流条件对核主泵性能的影响,对核主泵叶轮和蒸汽发生器下封头进行联合简化建模,采用CFD方法数值计算泵的能量、水动力以及空化性能,并与均匀入流下的仿真结果进行比较.计算结果表明:在0.7Q_0~1.2Q_0工况范围内,进口的不均匀流动导致泵的扬程下降1.8%~5.1%,叶轮扭矩下降1.9%~6.4%,而效率没有发生明显的变化;非均匀入流下扬程的降低使叶轮所受轴向力有所减小,但径向力显著增大.空化发生时,泵的临界空化余量增大,抗空化性能降低,空化区域出现明显的不对称.     

双叶片离心泵内失速现象的三维PIV分析

为了揭示双叶片离心泵内失速现象的发生和发展过程,采用三维粒子图像测速(PIV)系统对比转数为134的双叶片离心泵在4个工况下3个截面的流体流动进行了分析.结果表明：随着流体流量的减小,叶片的压力面首先出现流动分离并产生漩涡;当流体流量继续减小时,漩涡堵塞了流道而使流体流动受阻,造成了叶轮流道失速的现象.在最优工况下,叶轮内流体的流态最佳;在0.8倍最优工况下,中间截面发生了流动分离;在0.5倍最优工况下,中间截面的流动分离扩张并产生了失速;在流量减小至0.2倍最优工况的流量之前,前盖板处也出现了失速,而在后盖板处没有发现漩涡.同时,叶轮内流场的轴向速度很不均匀,由流道进口到出口、吸力面到压力面,其轴向速度逐渐减小,并且叶片压力面的负向轴向速度区域随着失速的发展而扩大.     

导叶周向位置对核主泵叶轮径向力的影响

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非定常数值计算.分析导叶周向位置对核主泵叶轮径向力的影响,基于数值计算结果表明:导叶位置变化对核主泵能量性能有明显的影响,扬程、效率的最大变化率分别为2.47%、1.52%,扬程和效率的最大值均出现在导叶周向位置角为5°时,说明此时核主泵性能最优;在设计工况下随着导叶周向位置的变化作用在叶轮上的径向力随时间呈周期波动,径向力脉动频率以叶片通过频率为主,其中导叶周向位置在5°时径向力分布比较集中,有利于核主泵的安全运行;导叶处于最佳周向位置时随着流量的变化作用在叶轮上的径向力先减小后增大.在非设计工况下,作用在叶轮上的径向力分布随机性较强,故在设计工况下可以降低核主泵在运行过程中的振动.     

前混合磨料水射流除鳞喷嘴混合腔内部流场

基于计算流体动力学多相流混合物模型,应用FLUENT软件对前混合磨料水射流除鳞喷嘴高压水与磨料混合腔内部流场进行数值模拟.比较了不同进料方式对流场均匀性的影响.分析了两侧为高压水入口条件下,磨料入口直径、高压水入口直径、高压水入口位置和角度以及收缩段锥角对流场混合均匀性的影响,得到了影响混合腔内部流场混合均匀性的合理结构参数.数值计算结果表明:入口速度一定的条件下,磨料中进式喷嘴混合腔的混合均匀性优于磨料侧进式喷嘴混合腔.随磨料入口和高压水入口直径增加,混合腔出口的射流速度均增加,但随高压水入口直径增加导致出口磨料浓度呈先增后减的趋势,磨料入口与高压水入口合理的质量流量比值约为3∶4,两侧高压水入口位置对流场混合均匀性影响较小,高压水入口角度和收缩段锥角均为30°时流场性能更佳.     

导叶叶片厚度对核主泵性能的影响

为了研究导叶叶片厚度对核主泵性能的影响,在核主泵其他参数均不变的前提下只改变导叶叶片的厚度,通过数值方法预测了五种不同导叶叶片厚度下核主泵的水力性能.结果表明:设计工况下,导叶叶片均匀减薄0.5倍时,导叶间的排挤减小,但导叶的导流能力以及能量转化能力下降,最终使得核主泵的扬程、效率降低;导叶叶片前1/2段均匀加厚1.5倍时,较其他四种方案,其流场分布最为均匀,导叶内的流动损失也最小,模型泵的扬程、效率最高.在满足导叶叶片结构强度的前提下,可根据导叶流道的不同位置结合其不同流动状态对叶片进行非均匀加厚,以减小流道内的水力损失并最大程度地将动能转化为压能,从而提高核主泵的内外特性.     

操作参数对催化裂解旋流反应器流动梯度场的影响

为揭示旋流反应器内生物质热解气与催化剂的混合流动状态,加速生物质热解气的催化裂解,利用本实验室自制的生物质催化裂解旋流反应器,采用k-ε模型与Eulerian双流体模型进行模拟分析,研究了入口气速和催化剂粒径对反应器内的固相体积分数、压力、速度的影响规律,并进行了实验验证。结果表明:速度变量下,轴向气相速度的改变对于反应器内的体积分数分布影响较小,而切向气相速度的影响较大。接触主反应区内,催化剂粒径为10μm左右时,混合程度最优;在反应分离耦合区内,颗粒粒径改变对分离效果无显著影响。4种催化剂粒径工况下,粒径10μm状态更有利于气固两相的分离;入口速度改变时,较大的切向入口速度可导致气体流量增大,有利于反应器内的气固流动,提升气固分离效果。     

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.     

长输管道输油鲁尔泵内部流场特性研究

为了探究输油鲁尔泵的叶轮—导流器动静干涉特征,保证其稳定运行,采用基于SST 湍流模型对鲁尔泵内部非定常流场进行数值分析,在不同流量工况下探讨了鲁尔泵内的压力分布规律和各过流部件的内部流场特性。研究结果表明：流体静压呈现从叶轮中心随叶片方向不断增大的趋势,在叶轮出口达到最大值。导流器中静压分布较为均匀,在叶片根部存在低压区,对此处的焊接结构造成了不利影响。需对导流器结构优化从而延长部件寿命。流体绝对速度从叶轮中心随流道不断提升,在叶轮出口达到最大值。在低流量工况时,叶轮中速度梯度过大,并且导流器中出现了大量湍流区域,造成了十分严重的冲击损失与水力损失,在实际工作中,工作流量的设置不应过度偏移额定流量。     

旋转射流流线分析及旋流强度的计算

为了研究旋转射流的流动特性以及喷嘴和叶轮的几何形状对旋转流体旋流强度的影响,对旋转射流的流动及旋流强度进行了理论分析及计算。结果表明,在理想情况下,旋转射流的流线为一条对数螺旋线。为了使水力损失最小,导向叶轮的外形应与其流线相一致,旋流强度的大小取决于喷嘴的各个参数及叶轮的几何形状。同时利用五孔探针对不同旋流强度的喷嘴进行了轴向速度、切向速度的实测试验。试验结果表明,在旋转射流的主体段,轴向速度剖面呈现出“Ｍ”形分布特点,切向速度剖面呈现“Ｎ”形分布特点。旋流强度越大,旋转射流轴向速度越小,切向速度越大。旋转射流的能量随旋流强度的增加,衰减加快,射程变短。     

旋转半径和叶片安装角对动叶旋流冷却流动和传热特性的影响

针对航空发动机涡轮动叶片中应用旋流冷却的问题,建立了旋转条件下的旋流腔冷却模型,比较了静止和旋转条件下冲击与旋流冷却的流动传热特性差异,研究了旋转半径和叶片安装角对旋流冷却特性的影响规律。研究结果表明:叶片旋流腔旋转显著改变旋流冷却气动传热特性,旋转条件下旋流腔产生离心力和科氏力;离心力驱使冷气向叶顶方向运动,加强冷气横向冲击作用,使得高传热区域向叶顶方向偏移;科氏力方向为轴向上游或下游,引起冷气轴向回流,增强冷气掺混,减小射流冷气周向速度,显著降低了传热强度;旋转条件下,旋流冷却传热强度比冲击冷却提高了27.6%;与静止条件相比,旋转数为0.819时冲击冷却传热强度减小了30.0%,旋流冷却传热强度减小了18.6%;叶片旋流腔旋转半径增大时,冷气周向速度稍有减小,靶面平均Nu略有减小;叶片安装角增大时,旋流冷却流场和平均Nu不变,周向平均Nu分布均匀性降低。     

叶轮冲角变化对叶轮效率的影响

 可调喷嘴涡轮通过调节喷嘴环的转角,改变涡轮的流通面积,使涡轮的流量特性和效率特性发生变化,从而使涡轮与发动机在较宽广的工况范围内保持良好的匹配.叶轮冲角发生变化时,对叶轮效率影响很大.运用三维数值模拟技术,对JK90S可调喷嘴涡轮叶轮冲角进行了数值计算和流场分析,研究叶轮冲角变化对叶轮效率的影响.结果表明,在不同的油门和不同的发动机转速下,叶轮的最佳效率对应的叶轮入口冲角不同.在发动机100%油门开度时,叶轮的最佳效率冲角约为-45°;在发动机50%油门开度时,叶轮的最佳效率冲角约为-35°.小于最佳效率冲角时,叶轮效率迅速下降;大于最佳效率冲角时,在一个较宽广的冲角范围内叶轮能维持较高效率,随着发动机转速的提高,叶轮高效区的冲角范围逐渐变窄.     

冷却孔布置对透平转静腔室性能影响的数值研究

采用SST湍流模型数值研究了透平第二级转、静腔室的流动与封严特性,分析了冷却孔布置对腔室内的流动、冷却效率以及主流燃气入侵特性的影响。研究表明:冷却孔的位置对上游腔室内的流动影响较大,对下游腔室基本无影响;冷却孔距离上游越近,上游腔室的旋流比越大,级间密封进口的旋流比越小,密封进、出口压比越小,相应的流过级间密封的质量流量越小,上游轮缘密封的燃气入侵量越小,上游腔室转、静壁面的冷却效率就越大;下游轮缘密封出流的旋流比越小,相应的主流通道的流动损失越大,但冷却孔位置对下游腔室内的旋流比和壁面冷却效率的影响很小;随着冷却空气流量的增加,3种冷却孔布置下上游腔室壁面冷却效率的差值减小。     

核主泵叶轮能量转换与叶片载荷的关联性分析

为了研究核主泵叶轮能量转换规律与叶片载荷分布规律之间的关联性,基于RNG k-ε湍流模型,对不同流量工况下核主泵模型泵进行全三维定常数值计算.结果表明:从叶片吸力面到压力面,叶片做功能力逐渐增强;为了使叶轮获得较好的水力性能,叶片载荷的变化趋势应保持平缓,且其载荷峰值应在靠近叶轮出口处;根据不同流量工况下的叶轮性能曲线,叶片载荷有最优变化梯度;叶轮叶片中间流线上的动压载荷随着流量的增大逐渐减小,且动压载荷变化幅度较静压载荷更为明显,叶片动压载荷占总载荷的比重越低叶轮效率越高.     

喷射角度和喷嘴数对旋流冷却流动与传热特性的影响

针对喷射角度和喷嘴数影响旋流冷却流动和传热特性的问题,采用数值方法进行了研究。研究时冷气通过不同的喷嘴进口进入旋流腔并经旋流腔出口流出,当变化喷嘴数时,保持喷嘴进口在轴向上均匀分布。研究结果表明:冷气从喷嘴射入旋流腔,冲刷壁面并与轴向主流强烈混合,形成了高传热区域;换热强度在轴向和周向沿下游逐渐减弱,高传热区域在下游向出口偏移。喷射角度远离90°时,冷气旋流运动减弱,传热强度减小;随着喷嘴数的增多,冷气喷射速度减小,高传热区换热强度减小,冷气周向速度和靶面传热强度分布更为均匀;平均努塞尔数随着喷射角度和喷嘴数的增大而先增大后减小,在喷射角为90°、喷嘴数为9时平均努塞尔数最大;总压损失系数随着喷射角度和喷嘴数的增大而增大。与简单圆管旋流冷却模型相比,喷射角为90°、喷嘴数为9的旋流腔结构的换热特性更加优良。     

叶片圆盘泵固液两相流动规律数值模拟

为研究叶片圆盘泵内流动规律,将叶片圆盘泵叶轮分为无叶区和叶片区,采用多重参考坐标系法模拟叶轮在泵体内的转动.采用Eulerian多相流模型、RNG k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,利用Fluent软件对叶片圆盘泵内固液两相湍流进行数值模拟.在水力性能试验验证的基础上,得到叶轮无叶区和叶片区内压力和速度变化规律,以及固相体积分数分布规律.结果表明:旋流是叶轮无叶区内主要流动方式,无叶区内较大部分是低压区,存在叶片区高能流体流向无叶区的轴向流动;固相颗粒大部分集中于无叶区,叶片区颗粒浓度最高是在叶轮出口叶片工作面靠近无叶区处.分析认为大部分固体颗粒直接从无叶区排出而不经过叶轮叶片区是叶片圆盘泵具有良好固相通流能力而又对叶轮磨损较小的原因.     

离心油泵口环间隙对泵腔内流动的影响

对选用的低比转速离心油泵进行2种不同计算域的数值模拟,证明包含叶轮口环及前后泵腔计算域的计算结果更准确,且泵腔中流体的旋转角速度约为叶轮旋转角速度的30%～50%.为了反应叶轮口环间隙大小对泵腔流体流动的影响,改变叶轮前口环间隙大小后重新进行数值模拟,结果表明其大小对泵腔内流体流动的压力及速度的分布均有较大影响,随着间隙值的增大,压力系数变小,泵腔内流体的速度随之增大.     

离心式无堵塞泵不等扬程的优化设计与试验

为了使离心式无堵塞泵满足多工况运行的要求,采用不等扬程水力设计方法对模型泵100QW110-16-7.5的叶轮进行优化设计,并结合计算流体力学数值模拟技术分析由原始方案和新方案所得叶轮的内部流场分布,同时,在模拟的基础上对模型样机进行了性能测试.结果表明:采用新方案所得叶轮对流体做功更充分,其流线在不同工况下的分布更均匀、流畅,能够改善泵内流体的流动状况;由新方案所得模型泵在额定流量下的扬程为16.89m,效率为83.11%,已达到节能级离心式清水泵的产品性能要求,在小流量工况下无马鞍区、振动较小,大流量下高效率区的范围较宽,处于0.8q~1.3q且其无堵塞性能优于原始方案;由新方案所得模型泵性能的预测曲线与试验结果基本吻合,最大误差为7.56%.     

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。     

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.     

多级潜水电泵非定常流动数值模拟及性能预测

为了研究多级潜水电泵内部流动特性,选取QD3-60/4-1.1首级叶轮和导叶为研究对象,采用修正的RNGk-ε湍流模型和滑移网格技术数值计算了泵三维非定常流场,给出了流道1中不同半径处相对速度液流角,绝对速度液流角和相对速度与圆周速度比值的分布曲线,分析了定常和非定常流道1出口压力面的速度三角形变化,并对扬程和功率的数值计算结果与试验结果进行了对比分析.结果表明:定常计算中随着流量的增加,叶轮出口绝对速度减小,绝对速度圆周分量减小,绝对速度径向分量增加;非定常计算中在0.90R2和0.95R2处靠近吸力面的相对速度液流角变化较明显,小流量工况下相对速度液流角一直在正负之间剧烈波动,绝对速度液流角随着流量的增大而增大;非定常计算可以较准确预测多级潜水电泵的特性.