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。     

叶轮出口宽度对离心泵性能及压力脉动的影响

以某型单级单吸离心泵为研究对象,在保证叶轮的进出口安装角、进出口直径等参数不变的情况下,分别设计了五组不同出口宽度的叶轮,依次对各模型进行数值模拟,分析叶轮出口宽度对低比转速离心泵的性能及压力脉动的影响.研究结果表明:随着叶轮出口宽度的增大,扬程、轴功率均有不同程度的上升,效率曲线呈驼峰状,说明叶轮出口存在一个最佳宽度使流动损失最小;增大叶轮出口宽度,流道内脱流现象增强,流道内的堵塞现象减弱,水力损失降低,说明合适的叶轮出口宽度对于减少离心泵能量损失是有效果的;随着叶轮出口宽度的递减,轴频峰值变化明显,呈递增趋势,这表明叶轮出口宽度过窄容易导致流道堵塞,阻碍流态的发展,同时,叶轮出口宽度对离心泵内的压力脉动也具有较大的影响.     

叶轮进口几何参数对离心泵空化性能的影响

对一个低比转速(ns=86m·m3·s-1·min-1)离心式锅炉给水泵进行了空化性能实验.为了与实验对比,在泵最佳效率点附近,基于标准k-ε模型和VOF空化模型进行了泵内全流道的三维空化湍流计算.结果表明数值模拟能较好地预测泵的平均空化性能.为改善锅炉给水泵内的空化性能,在实验泵已有叶轮的基础上,采用延长叶轮进口及加大叶片安放角的措施设计了5种新叶轮,并以这些新叶轮替代原叶轮进行了泵内全流道的空化流计算.结果表明,适当延伸叶轮叶片的进口位置及加大叶片进口角均可较明显地改善离心泵的空化性能.进一步的流场分析显示,保证叶轮进口的流动均匀性是离心泵空化性能得到改善的重要原因.     

畸变进气对对旋风机单级运行内流特性及性能的影响

为对压入式矿用对旋风机在畸变进气条件下单级运行方案的合理选择提供理论依据,采用SST k-ω湍流模型对风机前级和后级叶轮单独运行情况下的内部流场进行非定常数值模拟,分析了均匀和畸变两种进气条件下单级叶轮运行时的内流特性,对比了全压和全压效率等风机性能参数。结果表明：当前级叶轮单级运行时,畸变进气对流动的影响集中在前级叶轮上游区域,前级叶轮出口直至扩散器区域内流动扰动较小;后级叶轮单级运行时,畸变进气加剧了前级叶轮作为前导叶对后级叶轮区域内流动产生的不利影响,两级叶轮内熵损失较均匀进气条件显著增大,扩散器内的湍流程度加剧。与后级叶轮单级运行相比,前级叶轮单级运行受畸变进气影响而导致的流动损失较小,全压效率提高约11%。     

流体机械叶轮内二次流及尾迹发展

利用有限体积法对N-S方程进行数值求解.模拟了离心叶轮内的粘性流动,研究了不同转速和不同流量对二次流及叶轮出口截面尾迹区的影响.研究结果表明,三维粘性流动数值模拟二次流的结果与二次流理论分析结果相一致,对于离心叶轮出口尾迹区,无论是数值大小还是区域范围都与实验结果基本符合.     

离心叶轮出口流动分离区影响因素的数值研究

针对离心叶轮出口区域的流动分离问题,对影响离心叶轮出口流动分离的3种因素进行了数值研究。研究离心叶轮扩压度影响时发现:对于闭式叶轮,叶轮扩压度对出口的流动影响较大,当叶轮的进口与出口相对速度比大于2时,设计工况下叶轮出口出现了较大的流动分离区,这与传统的设计理论一致;对于半开式叶轮,设计工况下叶轮出口均出现了流动分离,且分离区的大小随着叶轮扩压度的增加而增大。研究叶顶间隙对离心叶轮出口流动分离影响时发现:叶顶间隙对叶轮出口流动分离区的大小影响显著,就所研究的叶轮而言,并非间隙越小分离区越小,当叶顶间隙为7.5%叶轮出口宽度时,叶轮出口流动分离区最小。研究叶片扩压器进口收敛角对半开式叶轮出口流动分离区的影响时发现,增大扩压器进口收敛角可以有效抑制叶轮出口的流动分离,但是收敛角过大,叶轮叶顶间隙区域附近的叶尖回流区增大,整级的气动性能降低。     

带分流叶片离心叶轮非定常流场的实验研究

使用X热膜传感器,测量了带有分流叶片离心压缩机叶轮出口和扩压器进口3个叶高位置的流动,分析了沿叶高方向主叶片和分流叶片对非定常流动的影响.结果表明:该叶轮中间叶高处主叶片和分流叶片对流动影响的差别最大,叶轮出口主叶片尾迹区比分流叶片尾迹区的径向速度减小62%,切向速度增大2%,绝对气流角减小8°左右;扩压器进口两区域流动差别有所减弱,但仍较明显.各叶高处非定常流动以主叶片或分流叶片一次叶片通过频率为基频,基频和其二阶谐波的影响均较大,高于二阶以上谐波的影响很小.主叶片和分流叶片流动区域雷诺应力差别较大,在叶轮出口中间叶高处最大雷诺应力相差超过68%.通过实验发现,气流角沿叶高变化超过10°,表明二维叶片扩压器冲击分离等损失可能会较大,有必要设计三维叶片扩压器.     

叶轮切割方式对双吸离心泵性能的影响

为了研究不同切割方式对双吸离心泵性能的影响,采用理论分析的方法对工程实际应用中的泵切割进行了理论阐述,并以1200S56型双吸泵为模型进行了切割,采用Fluent软件对各切割模型进行数值模拟,分析其相应的外特性的变化并对其内部流场变化进行研究.结果表明:在工程应用中,当泵的性能不能满足要求需要对叶轮进行切割时,若叶轮出口处为圆柱形叶片时,平切效果好于V切;若叶轮出口处为扭曲叶片时,V切效果更好;且对叶轮进行切割后,其性能均下降,所以不管是平切还是V切,切割量都不宜过大,要根据泵自身的情况选择合适的切割方式.     

平行进口叶轮切割对混流泵作透平的影响

为了探究叶轮切割对混流泵作透平的影响,设计一比转速为240的混流泵作透平,平行叶轮进口进行4次切割,切割同时保留透平叶轮的前后盖板,运用CFD与试验结合的方法得出混流泵作透平的外特性,分析叶轮切割对混流泵作透平的内部流动影响.结果表明:随着叶轮切割比例增加,混流泵作透平流量效率曲线向小流量工况偏移,在小流量区间,透平轴功率上升,扬程下降,在大流量区间透平轴功率下降,扬程上升.叶轮切割后叶轮与蜗壳间的循环流量增加,透平水力损失增加,因而透平最高效率下降.采用混流泵切割定律推测不同切割比例下透平高效点的外特性参数,发现推测所得外特性均高于试验值,但误差较小,混流泵叶轮切割定律可近似用于透平工况下叶轮切割的高效点预测.     

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。     

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.     

市政排涝自吸泵启动过程气液两相流动及压力脉动分析

为了探明自吸泵的自吸机理.以外混式自吸泵为研究对象,利用CFX仿真软件中的VOF(volume of fluid)两相流模型和k-ε湍流模型,并结合网格滑移技术进行自吸过程非稳态数值模拟,分析了不同时刻下泵内气液两相体积、液相速度、出口气体体积分数和压力的分布情况.同时改变非稳态模拟的时间步长及总时长,监测自吸过程叶轮及蜗壳内监测点的压力变化.结果表明:自吸泵的吸气与排气主要集中在启动过程的初期和中期,叶轮入口和泵出口的气体体积分数分别超过60%和75%;叶轮出口的气液混合带导致了叶轮出口到蜗壳内侧大片区域内的流动紊乱现象,降低了叶轮的做功能力,进而影响了泵的正常排气;叶轮监测点压力脉动幅值与距叶片工作面的大小有关,蜗壳内监测点压力脉动幅值与距叶轮外缘的大小有关.     

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．     

叶片厚度分布对超窄流道离心叶轮性能的影响

研究了石化生产中使用的某出口相对宽度仅为0 0092的13级离心压缩机的末级叶轮.分别用等厚度、零厚度以及C4翼型的叶片构造叶轮,并进行计算流体动力学分析.计算分析发现:C4叶轮内部流动状况在小流量范围内最好;零厚度叶轮在大流量区效率最高;在设计工况下,C4叶轮的效率较原始等厚叶轮高1%.结合上述叶片的特点并考虑到加工的方便性和强度要求,以叶片厚度分布为设计变量,用响应面方法进行了优化设计.优化后叶轮的总体性能高于原始叶轮,在大流量区,优化叶轮的性能高于C4翼型叶轮.     

叶轮切割方式对IS 100-65-200型离心泵性能的影响

采用Fluent软件在双参考坐标系下,利用有限体积法对雷诺时均Navier Stokes方程进行数值离散,选用标准κ-ε湍流模型,SIMPLEC方法求解,对IS 100-65-200型离心泵在不同叶轮切割方式下的内部流场进行了叶轮和蜗壳的耦合数值模拟.根据数值模拟结果预测IS 100-65-200型离心泵的性能,并分析不同叶轮切割方式对泵内部流场的影响.结果表明:泵的扬程、轴功率和效率受切割方式的影响明显,相同切割量下,随着切割角度的增加,扬程先升高后降低,切割角度θ在0°～ 20°的范围内扬程达到最高；轴功率先升高后降低,θ在20°左右时达到最高.反向斜切达到的最高效率和扬程明显高于正切和正向斜切,正向斜切达到的最高轴功率明显高于反向斜切和正切.内部流场分析表明:在相同外特性下,反向斜切时叶轮内低压区面积小于正切和正向斜切,提高了泵的性能,同时,反向斜切减小了隔舌处的回流,提高了泵的效率.不同切割方式下,切割前后叶轮出口相应位置处速度三角形并不相似.考虑切割角度的大小,对现有切割公式进行了修正和验证.     

部分流泵非定常流动分析

在设计工况下采用滑移网格技术对部分流泵进行了整机非定常流动数值计算,分析了叶轮、蜗壳内典型的非定常流动规律.计算表明:部分流泵内流的非定常特性明显,蜗壳喉部尤为剧烈;瞬时扬程的变化是由于叶轮与蜗壳喉部强烈的非定常流动特性所决定的,只有采用非定常计算方法才能反映其内流的实质.该计算为进一步研究部分流泵的内流现象、提高效率、减少水力损失提供了一定的理论依据.     

改进离散型遗传算法在离心泵性能优化中的应用

针对离心泵性能优化中设计参数多且优化周期长的问题,提出了适用于离散变量优化的改进遗传算法．以泵效率为优化目标,选取叶轮6个设计参数,采用拉丁超立方设计方法创建90组设计样本,用响应面模型对泵效率和设计参数进行拟合．通过改进的离散型遗传算法对其进行寻优,得到叶轮最优设计参数组合．结果表明：响应面模型能够准确反映效率和叶轮设计参数之间的关系,设计工况下预测值与数值模拟的偏差为0.82%;优化后泵效率在0.6Q_d,1.0Q_d和1.4Q_d下的增幅分别为7.05%,5.98%和1.90%,且输入功率显著降低;优化后叶轮和蜗壳内部的流动损失面积明显减小,整体流动损失显著降低．参数敏感性分析表明：叶片出口安放角、叶轮出口直径、叶轮出口宽度和叶片包角对泵性能的影响较大．     

出口宽度b2与离心泵流量关系的数值模拟

离心泵叶轮的液体受叶轮旋转及表面曲率的影响,常出现脱流、回流及二次流等现象,一般来说是比较复杂的三维湍流流动。目前的离心泵叶轮的水力设计主要以一元理论及试验经验数据为主,一旦试验泵与设计工况有偏差,将很难定量给出修正值。该文结合叶轮机械内部流动的数值计算,通过保证扬程不变并同时改变叶轮出口宽度b2,揭示叶轮出口宽度与离心泵的定量关系,对后续离心泵出口宽度的修正提供一定的指导意义。     

离心泵蜗舌区非定常流动特性

采用Navier-Stokes方程和RNG k-ε双方程湍流模型,对多工况下离心泵全流道进行了非定常流动数值模拟. 非定常计算得到的离心泵外特性与试验数据吻合较好. 在离心泵蜗舌区设置了3个监测点,计算得到了蜗舌区流体瞬态速度矢量分布,各监测点的压力、径向速度、周向速度的脉动时域特性,并对其进行了分析. 结果表明:设计工况下,蜗舌区流动比较均匀,压力和速度脉动幅度较小. 大流量工况下,在叶轮出口的射流-尾迹结构影响下,各监测点的压力和速度随叶片转动出现相应的峰值和谷值. 小流量工况下,蜗舌区内存在绕蜗舌顶端逆向流动、叶轮出口回流、蜗舌附近蜗型段内旋涡,使得流动非常复杂,流体压力和速度脉动幅度较大,压力最大值约为最小值6倍.      

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.