基于流固耦合的高温泵叶轮应力有限元分析

根据高温泵零件二维图,应用Pro/E软件对高温泵内叶轮结构模型及整机水体模型进行实体建模,采用CFX软件对高温泵内部流场进行数值模拟,分析了泵内部的压力随不同工况的变化情况,基于流固耦合利用Ansys软件对叶轮施加静力载荷,进行应力应变分析,揭示了整个叶轮的变形情况及应力分布.结果表明:首级结构的对称性使其变形较为均匀,应力应变分布较为规律;水泵叶片根部两侧存在明显的集中应力,并且应力逐渐向叶片外侧扩散,叶片外缘所受到的应力值很小,应力集中点为次级叶片与轮毂相交处靠近进口的位置;在不同工况下叶轮最大静应力随着高温泵轴功率的增大而降低,且线性关系较差.     

变工况下贯流式水轮机叶片形变分析

针对贯流式水轮机在变工况下的叶片变形,基于RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法,应用流场仿真软件CFX对贯流式水轮机三维全流场进行多工况定常数值计算,将计算结果通过ANSYS软件下的WORKBENCH结合流固耦合特性对叶片的静应力和形变总量进行分析.结果表明,在协联工况下,相同水头下的叶片应力和水轮机出力成正比,最大等效应力出现在叶片与轮毂相交处,最大形变量出现在叶片轮缘处;在非协联工况下叶片的形变量大于协联工况下的变形量,而且叶片上的应力分布也不均匀.     

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.     

提高小流量工况下轴流泵的效率

将开缝技术应用于轴流泵的叶轮上, 并选择合适的开缝翼型作为叶轮开缝的依据, 设计了一种新型轴流泵叶轮. 基于商用CFD 软件ANSYS CFX, 对常规轴流泵和开缝叶片轴流泵进行了数值模拟计算, 并分析了常规轴流泵和开缝叶片轴流泵在不同工况下的水力性能及其流场特点. 数值计算结果表明, 开缝技术提高了轴流泵在小流量工况下的水力性能, 并降低了进口压力脉动. 进行了两种轴流泵的水力性能对比实验, 结果表明, 开缝叶片轴流泵在小流量工况下的性能优于常规轴流泵, 证明了开缝技术能有效地提高轴流泵在小流量工况下的水力性能.     

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.     

轴流泵叶轮出口流场的3D-PIV测量

为了全面揭示轴流泵叶轮出口流场规律,采用3D-PIV技术对一经改装的轴流泵在设计工况、高效区工况、马鞍区工况、小流量工况和大流量工况下的叶轮出口流场进行了全面测量,并运用TSI公司的Insight和Tecplot软件对数据进行了后处理,得出了各个测试工况下叶轮出口测试区域的空间流线图和横断面三维流速的云图分布.试验结果揭示了轴流泵叶轮出口流场呈螺旋形向外运动的趋势,水流具有较为明显的三维流动特征;证明采用3D-PIV技术对轴流泵叶轮出口流场进行研究是可行的,能够反映三维流场的实际情况,为轴流泵设计提供参考,并对CFD数值模拟轴流泵叶轮出口流场的结果进行验证.     

不同叶顶间隙对轴流泵空化性能及流场的影响

通过对南水北调工程等比例缩放模型泵进行全流道数值分析和试验研究,对模型泵在3个典型流量工况下的空化计算进行适应性研究,探究叶轮区域的空化发展特性,并对不同叶顶间隙δ(0.5,1.5和3.0 mm)下的轴流泵空化特性进行对比分析,比较叶顶间隙大小对轴流泵空化性能和流场的影响.结果表明:随着空化数的降低,空化首先在叶片进口边间隙区附近发生,逐渐往叶片出口边扩大,同时沿径向往叶片背面扩大最终覆盖整个叶片,引起叶片出口靠近叶顶间隙10％区域的轴向速度逐渐降低;随着叶顶间隙的增大,模型泵的临界空化数增大,叶片轮缘处空化逐渐严重且由叶片前端往尾部移动,叶片出口轴向速度低速区主要集中在靠近间隙10％区域处,揭示了这一过程不同叶顶间隙轴流泵内部空化特性.     

两个离心压气机叶轮的设计与性能比较

采用离心压气机计算机辅助集成设计系统,设计了两个不同子午形面和叶片角的离心压气机叶轮.对这两个离心压气机叶轮内部流场进行了三维粘性计算,给出了计算结果.计算结果表明,在一定范围内,降低叶片轮缘-轮毂方向的负荷可以提高叶轮效率,后加载方式可以改善离心压气机叶轮性能.叶轮进口尺寸相同的情况下,子午形面和叶片角的变化对叶片负荷分布有较大影响.     

离心叶轮几何形变对气动性能的影响

将数值流场分析方法与有限元方法相结合,利用流固耦合技术,由黏性流场分析得到流场的压力分布,并将其作为气动栽荷施加于叶片表面进行应力应变分析.再对叶轮施加离心力载荷,分析离心叶轮叶片的变形情况,从结果中提取网格结点变形量,对叶片坐标进行修正得到工作状态下叶片的型线,并再次进行流场分析.为研究叶轮工作状态下叶顶间隙的变化对叶轮性能的影响,在固定转速下分别计算了3种叶顶间隙分布情况下的叶轮性能.研究表明:气动栽荷下的叶片形变量仅占总体载荷下形变量的1%到3%左右,工作状态下叶片最大形变位置为叶顶叶尖;变形的叶根与叶顶向轮盖靠近,造成叶顶间隙减小;在叶顶间隙为0.5 mm时,叶轮出口间隙减小量最大达到原间隙的50%;由于叶顶间隙以及叶片型线的变化,使得离心叶轮等熵效率在小流量时下降0.9%～1.8%.     

轴流泵水力模型内部流场数值模拟

基于Reynolds时均N-S方程,采用标准k-ε湍流模型,压力、速度耦合使用SIMPLEC算法,离散采用具有二阶精度的隐式格式差分,对轴流泵过流部件内部流场进行三维定常湍流数值模拟,得到泵内流动的速度和压力矢量分布图,以及其他一些流动的信息.数值模拟结果表明,设计工况下的流场分布和流态总体较好,但叶轮叶片背面进口靠近轮缘处出现局部低压,导叶外壁区域负荷大,说明该轴流泵水力模型还有进一步改进和对其性能进一步提高的必要.     

混砂车搅拌叶轮流固耦合模态分析研究

为了研究流体作用力、离心力及重力等载荷对混砂车搅拌叶轮模态的影响,建立了混砂车搅拌系统的三维模型,分别对叶轮的静态模态和预应力模态进行了分析。结果表明:各载荷对混砂车叶轮模态固有频率影响不大,叶轮在两种工况下固有频率变化较小,最大变化率仅为0.61%;在流固耦合作用下叶轮振型的第2阶及第3阶振型最大值有所减小,其他各阶振型最大值无显著增大。     

基于热流固耦合的热水循环泵转子强度分析

基于Workbench平台,采用热-流-固耦合方法对热水循环泵内的转子系统施加温度和压力载荷进行计算,得到基圆直径D3=214 mm、D3=216 mm和D3=218 mm下转子系统的热流密度及等效应力的分布,讨论了不同蜗壳基圆直径对转子系统结构强度的影响规律,同时对转子系统进行模态分析.研究结果表明,泵轴与轮毂配合段的配合面以及叶轮螺母与叶轮的配合面上出现了热流密度最大值;基圆直径的改变对叶轮螺母上的热流密度以及最大等效应力影响很小;转子系统在第三阶模态下由轴线沿径向振动,最大变形出现在距中心轴线最远的叶轮外缘.     

基于流固耦合的风力机预应力模态分析

以某1.5 MW水平轴风力机风轮为研究对象,考虑风轮旋转气动力和结构的流固耦合效应,运用ANSYS Workbench有限元分析软件,计算出不同风速时风轮旋转气动力与结构流固耦合作用下的压力.将压力作为输入载荷对风轮结构进行静力学分析,进而转换为预应力条件下的模态分析.结果表明:风力机运行时,叶尖处的变形最大,叶片上距离叶根3/4段处和叶根部有明显的应力集中;最大应力在额定风速以前随着风速的增大而增大,额定风速以后变化较小;叶片最大变形量随着风速的增大而增大;旋转效应使得风轮各阶模态所对应的频率增大.     

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。     

等环量修正因子对轴流泵性能的影响

采用等环量扭曲规律设计的轴流泵叶片扭曲度大,在小流量工况下易造成根部冲角过大,使轴流泵效率明显下降。通过叶根侧等环量修正因子改变叶轮的几何形状,提高流动效率;并通过CFD数值计算验证改进的叶轮模型。研究结果发现,叶根侧环量修正因子的变化对轴流泵叶轮效率、扬程影响显著。减小叶根侧等环量因子,可以提高低流量工况的效率;但会使得大流量工况效率急剧恶化。对于研究的轴流泵模型,叶根处的等环量修正因子在0.3~0.55内较为适宜。     

涡带工况下轴流泵装置内部脉动特性数值分析

为研究涡带工况时立式轴流泵装置内部流场压力脉动情况,开展了立式轴流泵装置非定常数值模拟,通过设置监测点,获得了不同位置的压力脉动结果,并进行了频谱分析.通过物理模型试验及PIV流场测试技术验证了数值计算结果的有效性,重点分析了叶轮进口及箱涵式进水流道底部的压力脉动特性.研究结果表明,涡带工况时叶轮进口的脉动主频已不再受轴频控制.不同工况时叶轮进口的相同监测点的脉动主频存在差异性.大流量工况时叶轮进口的脉动相对幅值较大,且涡带诱发的脉动主频与轴频相同.各工况时箱涵式进水流道底部水力脉动均为低频涡带脉动.在大流量工况时,箱涵式进水流道底部的脉动压力主频与轴频相同,次主频与叶频相同,扭矩变化主频与叶轮的轴频相同.     

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。     

叶顶间隙对喷水推进轴流泵空化性能影响

采用标准k-ε湍流模型和Mixture多相流模型对喷水推进轴流泵五种不同叶顶间隙下的流场进行数值模拟;并对其不同叶顶间隙下的空化性能进行分析。结果表明,随着装置空化余量的降低,空化最先在叶轮进口轮缘附近发生;然后逐渐向叶轮出口边、轮毂及压力面方向扩展开去。随叶顶间隙的增大,临界空化余量逐渐增大;且叶片吸力面空化面积增大,抗空化性能下降;叶顶间隙的存在导致叶轮出口轴向速度在靠近间隙的20%叶高区域降低;在相同装置空化余量下,叶轮出口轴向速度下降的速度随叶顶间隙值的增大而加快。     

全调节轴流泵叶片的受力特

对全调节轴流泵装置三维非定常湍流流场进行数值模拟,计算了不同运行工况下水流对叶片的作用力.在此基础上,采用有限元分析的方法对叶片在不同工况下的应力、应变分布情况进行计算,并对全调节叶片进行调节时所需克服的水力矩、离心力矩和摩擦力矩等阻力矩进行了分析计算.     

变厚度叶片对离心压缩机结构强度和性能影响

以国内某大流量离心式压缩机首级叶轮为研究对象,采用数值模拟方法研究了变厚度叶片对离心压缩机结构强度和性能的影响.应用CAD软件Solidworks对9种变厚度叶片的闭式叶轮进行三维实体造型,运用有限元软件ANSYS进行静态应力分析,并利用计算流体动力学软件CFX进行叶轮内部流场分析.重点比较分析了叶轮最大von Mis...