低比转速离心泵非定常空化流动特性

为了研究低比转速离心泵的空化流动特性,基于SST k-ω湍流模型和ZGB空化模型,在不同进口压力条件下对离心泵内部空化流动进行三维非定常数值模拟,研究了离心泵在发生空化时不同位置的压力脉动规律和空泡体积变化规律.结果表明:空化发生后叶轮压力脉动主频为叶频,流道进口处次频脉动幅值增长明显;空化时叶轮流道靠近叶轮出口处的压力脉动幅值增长率与叶轮流道进口处压力脉动幅值增长率相比增长更明显;空化时叶轮流道进口处的压力脉动与叶轮流道、出口及隔舌处压力脉动相比存在迟滞现象;空化过程中空泡体积的增长过程是非线性的.     

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。     

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.     

叶轮时序对两级离心泵内部流动的影响研究

对离心泵而言,叶轮时序位置的改变对泵水力性能和压力脉动影响较大。本文对某两级离心泵首级和次级叶轮在七种不同时序位置下的内部流动进行了数值模拟,并对叶轮和蜗壳内部的流场和压力脉动特性进行了分析。结果表明:在设计流量下随着次级叶轮时序位置的变化,离心泵的扬程和效率分别上升了2.9%和2.4%;同时时序位置的改变影响了叶轮进口相对液流角和出口环量,改善了蜗壳隔舌处的流态,漩涡区域减小,从而降低了次级叶轮和蜗壳内部的流动损失;时序效应对次级叶轮和蜗壳压力脉动影响较大,各测点主频均无变化,但次级叶轮内测点压力脉动主频幅值降低了20.16%,蜗壳隔舌处降低了2.24%。综合比较分析不同时序位置下两级离心泵的性能,当次级叶轮旋转至首级叶轮流道中间时,离心泵的水力性能及压力脉动特性较好,研究结果可为两级离心泵设计提供参考。     

离心泵输送粘性流体时叶轮出口宽度的设计

粘性流体在离心泵内流动时，叶轮流道内附面层变厚，流动排挤作用增强，在计算分析叶片边界层厚度的基础上，建立了新的叶轮出口宽度设计方法，针对一种离心泵，在一定输送介质粘度范围内，设计了3种不同出口宽度的离心叶轮，实验研究了叶轮出口宽度对离心泵性能的影响，并与常规的离心水泵叶轮进行性能对比，验证了输送粘性流体时叶轮出口宽度的设计新方法。     

流固耦合作用对离心泵关死点内流的影响

为了揭示流固耦合作用对离心泵关死点工况下的内流影响,对一比转数为46的离心泵关死点工况下的结构场和内流场进行了流固耦合数值计算,并对离心泵关死工况下内流计算的边界条件作了详细说明.基于流固耦合计算结果,对比了流固耦合前后关死点扬程预测精度、泵内流场分布和压力脉动的差异,并给出了叶片位移变形.研究结果表明:考虑流固耦合作用对关死点扬程的预测精度影响较小;考虑流固耦合作用后叶轮各流道内的"射流-尾迹"更为明显,蜗壳扩散段的漩涡强度增加,叶轮内压力脉动也呈现出更为明显的周期性;流固耦合作用对于压力脉动幅值频率有较大影响;叶片位移变形从进口到出口逐渐增加,靠近隔舌的叶片位移变形最大.     

缝隙引流叶轮离心泵的压力脉动及振动特性

缝隙引流叶轮是基于流动控制思想设计的新型叶轮,可改善低比转速离心泵的水力性能和空化性能.测试结果表明:随着流量的增加,缝隙引流叶轮离心泵蜗室及出口处的压力脉动和振动都呈先减小后增大的趋势;在大流量下,缝隙引流叶轮离心泵的压力脉动和振动明显小于常规叶轮离心泵.对比分析两种叶轮的内部流动后发现,缝隙引流叶轮出口处更均匀的速度分布,及其内部较弱的二次流输运,均是缝隙引流叶轮离心泵压力脉动小于常规叶轮离心泵的根本原因.常规叶轮离心泵压力脉动频谱图中的叶频(blade passing frequency,BPF)幅值较突出,而缝隙引流叶轮离心泵的2倍叶频幅值较突出.两种叶轮离心泵的振动频谱分析结果表明,二者在水平和竖直方向上的振动主频都为2倍叶频.在对压力脉动与振动特性的互相关结果分析中发现,叶频及倍频的幅值较高,说明压力脉动和振动密切相关,同时受到叶轮旋转产生的激励的影响.     

离心泵作透平水动力噪声特性研究

为研究离心泵作透平在水动力载荷激励作用下的噪声特性,以某单级离心泵反转作透平为研究对象,基于雷诺时均法获得透平内部非定常流场,进而运用直接边界元法求解叶轮和壳体壁面偶极子源引致的噪声,并借助水听器对透平出口水动力噪声进行试验测量.在对计算获得的水动力噪声试验验证的基础上,对比了各过流部件压力脉动特性以及不同性质噪声源的辐射声压特性.研究结果表明,450Hz以内的低频段内,壳体声源作用的水动力噪声能够体现多声源的共同作用,最优和大流量工况下计算与试验频谱曲线吻合较好,叶频及其倍频下平均误差仅为4.35%.蜗壳内压力脉动主频为叶频,叶轮流道内除次主频叶频外存在1个主频轴频,进水管和尾水管内压力脉动主要为蜗壳内压力脉动传播所致,而叶轮内部形成的低频压力脉动传播现象不明显.轴频处,叶轮旋转偶极子作用下的声压较强;而在叶频及其倍频处,壳体偶极子是主要声源.     

叶轮流道扩散度对超低比转速离心泵性能的影响

以超低比转速离心泵水力模型M23-12.5为研究对象,借助流体动力计算的数值模拟方法,采用RNGk-ε湍流模型封闭时均N-S方程组,在保证叶轮叶片数不变的前提下,通过改变影响叶轮流道扩散度的两个重要因素,即叶片包角和叶片出口排挤系数,来比较分析不同叶轮流道扩散度对超低比转速离心泵外特性参数和内部流场分布的影响.研究结果表明,叶片包角的增大和叶片出口排挤系数减小(叶片厚度变大)都会减小叶轮流道的扩散度,从而减小离心泵的轴功率,提高效率.过大的叶片包角会增大液体与叶片的接触面积,进而增大摩擦损失,使得轴功率增大,效率降低.该结论将为超低比转速离心泵的设计提供参考.     

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。     

叶轮出口宽度对离心泵流动诱导振动噪声的影响

为研究叶轮出口宽度对离心泵流动诱导振动噪声的影响,以一台单级单吸离心泵为研究对象,保持泵体和叶轮其他几何参数不变,将叶轮出口宽度b2从10mm分别改为6,8和12mm．在离心泵闭式实验台上测量了不同出口宽度模型泵在全流量范围内的振动和噪声信号,并对信号进行处理和分析．实验结果表明：模型泵流动诱导的振动对泵体的影响最大,随着叶轮出口宽度的增加,模型泵4个测点的振动强度大致呈先增加后降低的趋势,当b2=8mm时,模型泵的振动强度最大;在不同流量工况下,模型泵噪声信号随叶轮出口宽度的增加其轴频峰值变化规律复杂,b2=10mm的模型泵各工况下噪声信号的轴频峰值相对较小,且在设计工况下达到最小值．     

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.     

低比转速离心泵圆盘损失的计算

准确计算圆盘损失的大小是预测低比转速离心泵性能的重要因素.在泵试验结果的基础上,借助流体动力计算的数值计算和模拟方法,采用RNGk-ε湍流模型封闭时均N-S方程组,以低比转速离心泵M23-12.5为对象,在假定圆盘摩擦损失只增加轴功率而不影响液体有效能量增加的基础上,通过泵的数值预测结果和实验性能曲线的对比,对3种圆盘摩擦损失的计算方法进行比较.结果表明与直接计算叶轮外圆直径的摩擦力矩作为整个泵的圆盘摩擦损失的方法相比,根据泵叶轮的形状,分别计算其前后盖板的摩擦力矩进而求得叶轮圆盘损失的方法,更适合低比转速离心泵叶轮圆盘损失功率的计算.     

液力透平的数值计算与试验

设计了液力透平试验台,对一单级液力透平进行了试验,得到了外特性曲线.采用全流场和结构化网格技术对液力透平内部流动进行了数值计算.分析了液力透平在不同流量下的压力场和速度场,得到了内部流场的分布规律.应用速度三角形对液力透平叶轮和尾水管内部速度场随流量变化规律进行了研究.结果表明:离心泵反转可用作透平运行,并具有较高的效率;最高效率的数值计算与试验结果相对误差为4.85％;透平内部的压力从蜗壳进口经叶轮到尾水管逐渐减小,进出口压差随流量增加而逐渐增加;在透平叶片背面和工作面存在漩涡区域,漩涡位置和区域大小随流量而变化;在尾水管横截面上存在的圆周速度分量随流量而变化.     

离心泵叶轮叶片轴向切割设计方法研究

工程中普遍存在离心泵实际流量高于输水系统所需的情况,通过数值模拟研究平移叶轮前盖板对离心泵性能的影响,结合理论推导出平移前盖板改变离心泵扬程的换算公式,实现减小叶轮出口宽度及其工作流量达到泵站节能的目的.研究结果表明:切割叶轮外径与平移叶轮前盖板均会降低离心泵工作扬程,不同的是,前者使H-Q曲线整体向下移动且下降幅度较大,而后者H-Q下降幅度较小,能在小流量工况维持较高的扬程;平移叶轮前盖板后能抑制小流量工况下叶轮内回流旋涡的发展,离心泵效率有所上升,更适合多泵并联工作的场合,具有一定的工程价值;离心泵扬程随前盖板平移而变化的换算公式可以相对准确地预测较小叶轮前盖板移动量时中比转数离心泵0.8~1.0倍设计工况范围内H-Q曲线的变化.     

叶轮出口宽度对森林消防泵性能的影响及其优化

水泵叶轮的出口宽度对森林消防泵的性能有着极大的影响,根据水泵的外部特性要求,通过数值计算获得叶轮出口宽度。在保证叶轮的进出口安装角、进出口直径等其他参数不变的情况下,对叶轮的出口宽度设置参数变化,应用PRO/E软件进行叶轮的改型设计,使叶轮的出口宽度分别为8、10、12 mm,依次对各出口宽度进行计算流体动力学(CFD)数值模拟,以获得大流量、高扬程离心泵叶轮的最优出口宽度。实验表明:当叶轮出口宽度为8、12 mm时,叶轮内部流速与压力都没有达到最佳状态; 而当出口宽度为10 mm时,叶轮内部流场的速度最高可达40 m/s,最大压力可达2.0×10⁵ Pa左右,且压力和速度分布均匀,此时最优运行工况效率为91.72%。通过离心泵野外试验验证,叶轮出口宽度为10 mm时的扬程与流量都达到了设定目标。     

蜗壳出口位置对低比转速离心泵性能的影响

为了研究蜗壳出口位置对低比转速离心泵性能的影响,在保证蜗壳基圆、前八断面面积及形状、蜗壳出口直径和中心高相同的前提下,改变蜗壳出口位置,分别设计出A、B、C三种型号蜗壳.以清水为介质,基于雷诺平均法、RNG k-ε湍流模型,对比转速为46的离心泵进行数值计算.结果表明:三种不同出口位置情形时离心泵的外特性变化趋势基本一致,但最高效率值有所不同,在各个工况点,C型的效率均高于A、B型,且三者的高效区均向大工况偏移;三种型号蜗壳的离心泵,在各自相应工况下,叶轮进口处的静压分布、湍动能分布和流线分布大致相同,而叶轮出口及蜗壳流道中三者的变化较大,表明改变蜗壳出口位置对叶轮进口处内流场的影响较小,主要影响叶轮出口及蜗壳流道中内流场的变化.