跨声速涡轮叶顶间隙流动传热特性的数值研究

针对叶顶间隙的高速泄漏流及复杂的流动问题,采用求解三维Reynolds-Averaged NavierStokes(RANS)和S-A湍流模型的方法研究了跨声速流动条件下涡轮叶片顶部的流动传热特性,同时计算分析了叶顶间隙高度和进口湍流强度对顶部流动换热特性的影响。研究结果表明:叶顶间隙为0.188%动叶高度(小间隙)时,间隙泄漏流为亚声速(0.3Ma0.8)并具有最大的叶顶换热系数;当叶顶间隙高度增大至0.75%动叶高度时,间隙泄漏流出现超声速流动(1.0Ma1.3),叶顶平均换热系数最小;随着间隙高度增大,超声速流动区域从尾缘向前缘扩展,顶部换热系数先减小后增大。叶顶间隙高度的增大使得马蹄涡向吸力面侧移动,从而改变叶顶前缘附近换热系数分布;泄漏流在间隙区域急剧加速使得湍流水平显著降低,而进口湍流强度变化对于叶顶换热影响很小,但进口湍流强度增大时叶顶前缘吸力面侧二次流减弱。     

压气机叶栅间隙流动的数值研究

通过加装叶顶小翼来控制叶栅间隙的气体流动已受到广泛关注。本文采用计算流体力学方法,对叶顶间隙流动进行数值模拟。结果表明,加装吸力面小翼可以延缓间隙泄漏涡的形成,降低泄漏涡的强度。在不同的叶顶间隙下,吸力面小翼的加装都能相应地降低泄漏涡的强度。在降低叶顶泄漏涡与主流混合损失的同时,提高了叶栅的气动性能。     

微型轴流风扇间隙流动分析

以某微型轴流风扇为研究对象,测量了其在5 600r/min转速下的气动特性曲线,同时采用商用软件NUMECA模拟了在4种流量下该风扇叶轮内的三维流场,详细研究了泄漏涡和分离涡的结构、泄漏流速度的分布、叶片两侧的压差分布以及泄漏流对叶顶载荷的影响。研究结果显示:由于叶顶间隙的存在,气流在叶顶形成了分离涡;而泄漏流进入相邻通道后卷起形成泄漏涡。叶顶分离涡和泄漏涡的起始位置都随着流量的增加而向下游移动。从叶顶到外端壁方向,泄漏流速度的大小及其与叶片型线的夹角(θ)均呈现先增大后减小的趋势。间隙区域叶片两侧的压差(Δp)随着流量的增加而变小,泄漏流速度、泄漏流量也随之变小。叶顶卸载是顶端间隙流动的主要特征,随着流量系数的增加,叶顶卸载变大。     

叶轮叶顶间隙对离心制冷压缩机性能的影响

为研究叶顶间隙对离心压缩机性能和流动的影响机理,提高压缩机级效率,以某离心制冷压缩机级为研究对象,通过试验与Numeca软件数值模拟相结合的方法,研究了叶顶间隙分别为0、0.15、0.3、0.45、0.6、1.2 mm时压缩机级性能的变化规律。研究结果表明:随着叶顶间隙增大,压缩机稳定运行工况范围变窄,级效率与压比下降;压缩机级性能下降程度与间隙增加量基本呈线性变化关系;叶顶间隙对压缩机性能参数的影响与流量系数的取值有一定关系,同一叶顶间隙下,流量系数越小,性能参数下降速率越快。分析了额定工况下叶顶间隙分别为0、0.3、0.6 mm时间隙泄漏流对叶轮流道的影响规律,结果发现:在叶轮流道周向截面,间隙泄漏流会在叶轮盖侧形成低速区,并沿着叶高以及盖侧横向扩散;顺着叶轮子午流道方向,间隙泄漏流会向相邻叶片的压力面扩散;随着叶顶间隙的增加,间隙泄漏流引起的低速区对叶道流场影响加剧,低速区与主流混合后向下游扩散,造成叶轮流道主流能量损失增大,叶片载荷减小,叶轮做功能力有所下降。     

叶顶间隙泄漏时离心压气机模型级内流动的数值模拟

在贴体曲线坐标系下,应用同位网格上求解压力耦合方程的半隐算法（SIMPLEC）,对外 叶顶间隙泄漏时的离心式压气机模型及内部的流动了数值模拟,采用速度的协变物理分量作为求解变量,在同位网格上对离散单元体的界面流通量做了特殊动量插值,来抑制不合理的压力场振荡,并计算模拟了叶轮顶端间隙泄漏流动随主流的输运和扩散过程,计算结果表明,叶顶间隙泄漏不仅严重影响叶轮内部的流动结构和性能,而且显著恶化了无叶扩压器和整个模型级内部的流动和性能,因此,设计时应在允许的范围内尽量减小小叶顶间隙。     

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。     

涡轮动叶倾斜肩壁凹槽状叶顶气动性能研究

基于垂直肩壁凹槽状叶顶，提出肩壁向外倾斜以实现叶顶泄漏损失的控制，并对比了3种肩壁倾斜方式(压力侧倾斜、吸力侧倾斜、压力侧和吸力侧同时倾斜)和5种肩壁倾角(10°、20°、30°、40°、50°)的涡轮动叶倾斜肩壁凹槽状叶顶结构的泄漏流动特征和动叶出口总压损失分布。结果表明：压力侧倾斜肩壁阻碍了泄漏流从压力侧进入叶顶间隙，而吸力侧倾斜肩壁对泄漏涡产生压迫，泄漏涡朝远离机匣面和吸力面的方向偏移，3种肩壁倾斜方式均减弱了叶顶间隙泄漏流在叶顶间隙内的湍流耗散。当倾角较小时，泄漏流与主流的掺混损失因速度差的提高而增大，随着倾角继续增大，泄漏量的大幅下降弥补了速度差增大带来的负面效果，泄漏损失逐渐减小。对于压力侧和吸力侧倾斜肩壁凹槽叶顶，当倾角大于40°时，主流从吸力侧进入凹槽，加剧了下游区域的泄漏流动，叶顶泄漏损失反而增大。两侧倾斜肩壁凹槽状动叶叶顶具有最低的叶顶总压损失，相比垂直肩壁凹槽状叶顶下降了13%。研究内容为提高凹槽状动叶叶顶气动性能的肩壁结构设计提供了参考。     

叶顶间隙及掠改型对混流喷泵的影响

以混流式喷水推进泵作为研究对象,采用三维雷诺平均N-S方程和S-A湍流模型进行CFD模拟,研究不同叶顶间隙下喷泵的性能和流场损失状况,进而做动叶掠改型以期改善对叶顶间隙流动.结果显示:叶顶间隙的存在有助于沟通压力面与吸力面压差,减少动叶出口回流.对于所研究的喷水推进混流泵,在0~0.6 mm小叶顶间隙时,效率随间隙增大而升高,而间隙过大会使泄漏损失增加,最优间隙为0.6 mm.对动叶进行的掠改型发现,前掠会使压力面前缘的损失略有提高,但叶片整体损失下降;从吸力面来看,前掠有助于减小叶顶泄漏损失,+5°掠全工况的效率均有提高,并获得较为平稳的功率曲线.     

叶顶泄漏对跨音速涡轮气动性能和叶片激振特性的影响

针对SNECMA公司的跨音速实验涡轮装置，建立了单流道无冠叶栅三维CFD计算模型，通过求解定常RANS方程，研究了4种叶顶区域结构(平板叶顶-标准机匣、凹槽叶顶-标准机匣、平板叶顶-台阶机匣和凹槽叶顶-台阶机匣)下，叶顶泄漏流及其与主流的掺混效应对涡轮气动性能和叶顶间隙激振力的影响。结果表明：叶顶间隙较大时，凹槽叶顶-标准机匣结构的等熵效率最大，采用台阶机匣结构会使等熵效率下降；叶片切向力随叶顶间隙的增加先增大后减小，其中平板叶顶-标准机匣结构的叶片切向力最大且变化相对平稳；叶顶泄漏流对99%叶高、约67%轴向弦长处吸力面的静压分布有显著影响，叶顶间隙增加会使该区域静压下降，导致叶片切向力增大；平板叶顶-标准机匣结构的穿越间隙较大，力敏感度系数较小，促进转子稳定运动的叶顶间隙区间较大，有利于转子的稳定运行。文中还分析了叶顶间隙激振力的产生机理及其特性，可为优化叶顶结构设计和减小叶顶间隙激振提供理论依据。     

带叶顶间隙轴流转子三维流动的数值模拟

由于叶顶间隙的存在，使得叶片顶部的流动呈现复杂的三维流动。转子相对机匣的运动使得很难对其内部流场进行精确测量。文中采用CFX—Tascflow软件平台，对带叶顶间隙的轴流转子进行三维粘性流场的数值计算。数值计算的结果与实验测量的性能曲线较为吻合。基于数值计算，给出了叶顶泄漏流动的空阎三维结构，分析了叶顶泄漏流卷曲形成叶顶泄漏涡的过程，揭示了轴流转子叶顶泄漏流动基本特点，有助于改进和提高叶轮机械的设计水平。     

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.     

超小型泵中前盖板对传统叶轮水力性能的影响

为提高超小型泵性能和实用性,研究了其中前盖板对叶轮水力性能的影响。基于传统方法设计了两种超小型泵叶轮,其中一个为闭式,另一个为半开式。在转速3 000~10 000 r.m i-n 1的范围内进行实验,测定了超小型泵的水力性能。对半开式叶轮,在0.2~0.8 mm间调整叶尖和前泵盖之间的轴向间隙,以考察其对泵水力性能的影响。试验结果表明:两种超小型泵的效率(闭式叶轮:51%,半开式叶轮:47%)均高于以往统计的泵效率值;由于机械密封等外部损失所占比重大,泵效率随雷诺数减小而降低,而内部效率则接近一个定值;随轴向间隙扩大,超小型泵的扬程系数、功率系数和效率都逐渐降低。     

变工况下离心泵蜗舌处压力波动的试验研究

对某一离心泵在变流量工况下蜗舌处的压力波动进行了实验测试与分析。该离心泵的叶轮由原叶轮车削而成,具有5个主叶片和5个背片。性能测试结果表明,随着流量增大,离心泵的压头下降而效率增加,但实验最大流量工况并未达到高效点,而较大的蜗舌间隙使得该离心泵的总体性能低。在压力波动方面,蜗舌处的压力波动以离散频率分量为主,特别是叶频(BPF)分量,而四倍叶频以上的压力波动幅度已很小。由于离心泵运行在小流量工况下,蜗舌处流动扰动及分离主要发生在蜗舌内侧,因此蜗舌内侧的压力波动幅度大于外侧。研究结果可为离心泵的降噪提供参考。     

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．     

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.     

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.     

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.     

离心泵全三维流场的大涡数值模拟

通过使用FLUENT软件的大涡模拟模型及多重参考坐标系，计算单级蜗壳式离心泵包括导入管、叶轮及泵壳在内的全三维湍流场．发现泵叶轮内各通道的流量、流速及压力等分布有显著差别，流动呈现明显的非对称性，泵内流动旋涡一般出现在叶轮叶片工作面上．文中还将泵性能的预测值与实测值作了对比，验证了计算结果的有效性．     

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.