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.     

大型轴流泵空化特性的数值模拟

为了研究大型立式轴流泵内部的空化特性问题,选取幸福泵站中叶轮直径为2.80m的机组作为研究对象,分别进行了试验研究和数值模拟,计算结果与试验结果相吻合,验证了数值模拟的准确性,得到该泵的汽蚀余量为4.86m,临界空化压力为48.50kPa。模拟结果表明:在泵的进口压力从47.00kPa下降到42.00kPa的过程中,空化持续长度从0.24迅速变化到1,空化迅速扩散至整个叶片;当流量大于设计值时,空化只发生在工作面靠近叶片进口边处,而当流量小于设计工况时,空化主要发生在叶片吸力面,且当液流角β′1小于翼型最大厚度处斜率所对应的角度α时,叶片吸力面形成1个空化区域,当β′1大于α时,叶片吸力面将会形成2个空化区域;当大型轴流泵发生空化时,增大进口压力至临界空化压力以上可以有效消除内部空化现象;通过调整运行流量至设计流量附近,可以有效减弱泵内部的空化程度。     

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.     

叶片进口边位置对快堆二回路钠泵空化性能的影响

为了提升快堆二回路钠泵的空化性能,在确保其他几何参数不变的前提下,将原型样机的叶片进口边分别前伸三次构造出模型泵A、B、C.基于RNG k-ε湍流模型、Zwart-Gerber-Belamri和Schnerr&Sauer空化模型,对各模型泵进行三维定常单相、两相空化数值模拟,预测出各个模型泵的水力性能曲线、不同工况下的空化性能曲线和内流场参数.通过对比原型样机和各个模型泵的水力性能及内流场参数,得到结论:叶片进口边前伸对钠泵的水力性能影响不大,其中模型泵B的水力性能下降量最小;各模型泵的临界空化余量均不同程度降低,模型泵B的空化性能最优;适当地前伸叶片进口边位置,钠泵的空化性能明显提升.     

叶片开槽对轴流泵空化性能的影响

为探究开槽叶片对轴流泵空化性能的影响,以350ZQ-70-H型潜水轴流泵为研究对象,对其不同空化余量下的流场进行定常和非定常数值模拟,对比分析原模型与改进后模型的速度矢量分布、压力分布、内部空泡体积分数及空泡体积变化等.结果表明:开槽叶片可以改善轴流泵的效率和扬程,提升轴流泵性能;开槽叶片增大了叶片进口处流动面积,降低了叶片进口处流速,使得轴流泵叶轮内压力的分布得到改善,从而对空化产生抑制作用;在空化的各个阶段里,开槽模型的空泡体积分数分布均有所降低,其中空化初始阶段最为明显,相比原模型下降了30.4%,有效抑制了空化的发展,空化性能明显提升.     

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。     

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.     

进水均匀性对大型轴流泵装置空化特性的影响

针对肘形进水流道对大型轴流泵装置空化特性的影响,从进口速度三角形理论出发,推导泵汽蚀余量与进口速度均匀性之间的关系.采用CFD技术对大型轴流泵外特性曲线进行模拟,与试验结果进行比较,结果表明:在设计工况下,扬程误差为3.58%,效率误差为3.31%.并对泵装置性能和空化特性进行预测,受肘形进水流态的影响泵装置进口速度均匀度变差,致使其扬程下降了7.83%,汽蚀余量增大了12.04%;通过比较进口速度均匀性,发现在叶轮进口截面处进口来流并没有垂直均匀地进入叶轮内部,而是与轴向流线成一定角度,且泵装置空化时来流速度加权平均角θ最大;将θ带入推导公式,发现泵装置的汽蚀余量误差能得到减小,且小于5%,达到工程应用要求.     

离心泵内部流场的三维空化湍流的数值计算

采用Singhal等人发展的一种三维混合流体完整空化湍流模型,基于RNG的k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对离心泵内部的全流道三维空化流动进行定常和非定常数值模拟.根据空化流动模拟计算的结果,得到定常和非定常情况下空化余量和扬程的曲线,与实验结果进行对比,说明计算结果能够真实反映离心泵内部空化流动的性能.进而有效地预测叶轮内部流道空化发生的部位和空化流动的发展情况,分析空化余量的降低对离心泵空化性能的影响.研究结果表明,所采用的空化模型和数值计算方法能够用于离心泵在设计工况下的空化性能的计算.     

空化过程对核主泵外特性变化的影响与分析

为研究空化发展对核主泵外特性及内部流场的影响,基于连续性方程、雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对核主泵模型泵在设计工况下进行全流场空化模拟.研究中选择四种空化工况,通过对比模拟结果,得出核主泵在发生空化时,其性能变化规律及内部流场变化规律.模拟结果表明:核主泵发生空化时,泵的外特性对有效空化余量降低的敏感程度不同.随着空化程度的加剧,扬程下降最快,功率下降最慢.空化状态下,由于空化产生的气泡对叶轮流道产生排挤作用,使得过流断面面积减小,流体相对速度增大.此外,由于空化产生的气泡改变了空化区域流体状态,使流体动力黏度减小,导致空化区域湍流耗散率减小,湍流耗散损失降低.     

叶片弯曲程度对离心压气机性能的影响

采用离心压气机计算机辅助集成设计系统设计直叶片、正弯叶片和反弯叶片3种离心压气机叶轮.对具有不同弯曲程度的叶轮内部流场进行三维粘性计算,给出了不同弯曲程度的计算结果,比较了进口中间叶高处具有1.5 mm正弯和反弯叶形叶片压力面和吸力面上的熵分布.计算结果表明,进口正弯叶轮绝热效率略高于进口反弯叶轮的绝热效率;出口正弯和出口反弯叶轮绝热效率基本相同;叶形弯曲对小型离心压气机叶轮效率影响很小.     

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。     

离心泵汽蚀过渡过程瞬态特性分析

为了对离心泵汽蚀过渡过程的瞬态水力特性进行分析,采用全汽蚀模型且不考虑水中溶解性气体对汽蚀的影响,再通过计算流体力学软件CFX对离心泵叶轮流道内汽蚀过渡过程进行了数值模拟计算,并与试验结果进行了对比.结果表明:数值模拟结果与试验结果的变化趋势基本一致,汽蚀过渡过程中叶片背面气体体积分数随汽蚀余量的降低而逐渐增大,当叶片工作面的气体体积分数大于0时,汽泡相开始堵塞叶轮流道,进而影响叶轮内部能量的交换和传递;汽蚀引起的旋涡使得叶轮流道内的速度出现无规律波动,从而造成靠近旋涡区和叶片工作面通道内的速度和载荷增大;扬程在随汽蚀余量的降低而缓慢降至一定程度后再次急剧下降,不同工况下扬程波动的幅度有所不同,小流量时扬程波动幅度最大.     

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.     

叶轮进口边位置对自吸泵性能的影响分析

为研究自吸泵叶轮气液混合能力对自吸性能的影响,在叶轮原模型基础上,设计了叶片不同进口边位置的5种模型方案.采用VOF多相流模型对不同方案全流域进行三维定常数值计算,研究对自吸性能的影响规律.针对350WFB-1200-50型外混式无密封自吸泵,初始条件设定进水S型弯管中含一定体积的空气段,出口处设置含气率监测点.结果表明:针对中高比转速叶轮,进口边沿后盖板位置向出口前掠,使得叶轮进口边工作时对流体分时加载,可以有效提升叶轮的气液混合能力,从而缩短自吸泵的自吸时间;在一定前掠角度范围内改变进口边位置对自吸泵的扬程和效率影响不大,但是当叶片进口边向出口位置前掠超过一定范围时,会导致自吸泵扬程明显下降;当叶轮进口边前掠10°时,额定工况下自吸时间缩短25％,自吸性能明显得到提高.     

非设计工况下叶轮进口附近的流动及其控制

对叶轮进口附近流动在偏离设计工况下的回流和汽蚀(空化)两大特性进行了系统的描述,阐述了它们的诱发机理及其对泵性能的影响.根据回流的诱发机理对诱导轮的作用进行了全面的分析,提出了控制回流发生的有效方法,从叶片进口流动这一角度完善了离心泵叶片设计理论.     

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.