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。     

离心泵进口回流流场及其控制方法的数值模拟

在小流量工况下运行时离心泵叶轮进口会产生进口回流现象.采用标准κ-ε湍流模型,应用ANSYS CFX软件对不同工况下低比转速离心泵进口处的三维湍流场进行了数值模拟,分析了流场内的速度分布.为减小进口回流的危害,提出了在离心泵进口加注高压水的回流控制方案.对注入不同压力的高压水后,数值分析了进口流场的速度分布和回流漩涡的形态变化,并对比分析了回流控制效果以及离心泵扬程和效率.结果表明:在进口处注入高压水能有效改善回流发生时的流场速度分布,减弱回流强度,降低回流发生的关键流量点;但高压水的注入在设计流量和大流量范围内还会降低泵的扬程和效率;综合考虑各种因素后选择在该叶轮进口处注入0.10 MPa的高压水作为本模型泵的回流控制方案.     

离心泵定常计算中叶轮转动位置的影响

利用ANSYS CFX11.0软件,采用标准k-ε湍流模式封闭雷诺应力项,选取6组不同的叶轮转动位置,分别在两种工况下,对离心泵内部流动进行三维定常湍流数值模拟,获取了离心泵内部流场结构,计算泵的扬程及效率.通过与外特性试验及非定常计算结果进行对比,分析了定常计算中,叶轮转动位置对离心泵外特性预测结果的影响.     

导叶周向布置位置对核主泵性能的影响

基于多重参考系下的雷诺时均N-S方程和RNGk-ε湍流模型,对核主泵导叶在不同周向位置缩比模型的内部流动进行全三维数值计算.研究导叶周向布置位置对叶轮、导叶、压水室和模型泵外特性的影响规律,分析导叶周向位置对内部流场结构的影响.结果表明:导叶周向布置位置对小流量下叶轮扬程、效率影响较大,但对设计流量和大流量下的扬程、效率影响较小;导叶内流动损失几乎不随导叶周向位置的变化而变化,但对环形压水室内损失影响较大;导叶周向位置对小流量下模型泵扬程、效率影响较小,对设计流量和大流量下的扬程、效率影响较大,导叶位置在15°时设计流量下的扬程、效率最小;导叶周向位置对泵压水室出口区域的内部流场结构有较大影响.     

斜流式泵喷水推进器内部流动不稳定性分析

为了揭示斜流式泵喷水推进器的内部流动规律,利用多重参考系法,选用标准k-ε湍流模型和SIM-PLE算法,对不同工况下斜流式泵喷水推进器进行了数值模拟,分析了泵内部流动与其不稳定性之间的关系及叶轮叶片表面的压力分布规律.结果表明：扬程系数ψ与Q/Qbep曲线在流量为0.65Qbep～0.67Qbep工况下出现了正斜率（Q为工况点流量,Qbep为最佳设计工况点流量）,主要原因是导叶进口轮毂处的回流撞击叶轮出口流动,使其产生流动分离,最终形成旋涡,导致内部流动不稳定,从而使压力上升;在流量为0.65Qbep和0.85Qbep工况下,导叶内均出现回流,回流区域及回流速度随流量减小而增大.模拟分析说明斜流式泵喷水推进器在小流量工况下运行具有不稳定性.     

多级离心泵叶轮与导叶水力性能优化研究

为提高多级离心泵的水力效率,借助于FLUENT软件,对多级泵叶轮和径向导叶不同组合、不同工况下的内外水力性能进行了研究.结果表明:叶片进口边扭曲度高的叶轮具有较高的效率;泵的效率和扬程随导叶和叶轮配合间隙的增大而降低;在变流量工作时,叶轮与导叶水力性能的最优匹配关系可能随流量的变化而发生改变;转速对叶轮和导叶匹配性能影响极小.叶轮和导叶内部流场分析表明:叶轮和导叶内部的涡流是降低泵水力效率的主要因素,提出适当增加叶片进口扭曲度、减小叶轮和导叶间隙,从而减弱内部旋涡是多级离心泵水力性能优化的方向之一.由试验结果可见:多级泵外特性的模拟结果与试验结果误差在10％以内.     

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。     

叶轮型式对超低比转速高速离心泵性能的影响

为了分析不同叶轮型式对超低比转速高速离心泵性能的影响,对采用普通叶轮与复合叶轮离心泵内部流动进行数值模拟.计算基于连续方程和雷诺时均N-S方程,采用标准的k-ε湍流模型和SIMPLEC算法.模拟采用不同长短叶片的复合叶轮的超低比转速高速离心泵在设计工况下的全三维流场,得到短叶片径向和周向偏置位置的最佳组合.着重分析比较采用普通叶轮和复合叶轮两种离心泵模型方案在不同流量下叶轮内部的速度场和压力场,得到其内部流动的主要特征.研究结果表明,在其他过流部件相同的条件下,采用长短叶片的复合式叶轮离心泵其性能比普通常规叶轮更佳.     

基于OpenFOAM的离心泵内部流动数值模拟

分析了离心泵内流模拟中存在的问题,指出开源CFD软件是提高离心泵内流模拟精度的必然选择.通过在开源计算流体力学软件OpenFOAM的求解器中添加GGI动静耦合处理程序,实现了OpenFOAM在泵内流数值模拟中的应用.应用修改后的OpenFOAM求解程序对一比转数为117.8的离心泵不同工况下的内流场进行数值模拟,并将数值计算结果与试验结果进行了对比,同时分析了叶轮内部流场的分布规律.研究结果表明,设计工况下的计算扬程相对误差最小,约为-3.5%,而小流量工况下误差最大-6.4%;各工况下的计算效率绝对误差范围均在-0.5%以内.这说明设计工况下的模拟结果优于非设计工况下的计算结果.同时,叶轮内部压力分布和相对速度分布规律符合离心泵内部流动的一般规律.     

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.     

离心泵做透平的叶片弯曲形状分析

为提高液力透平的效率,设计了前弯和后弯2种叶片弯曲形式的叶轮,利用实验、理论和数值计算相结合的方法对离心泵做透平的水力性能进行了研究.分别对后弯式叶轮泵工况、透平工况和前弯式叶轮液力透平工况3种情况的水力性能进行了分析,得到泵工况和2种液力透平工况下外特性曲线的差别,并分析了液力透平各过流部件内部功率损失分布.研究结果表明:泵作透平的外特性曲线与泵的不同,Q-H曲线随流量增加而逐渐增加;2种叶轮形式的液力透平对比中,前弯形叶轮在最高效率点的流量、扬程、轴功率和效率分别比后弯形叶轮高;前弯形叶轮高效点以及高效点之后的流量效率曲线高于后弯形叶轮的流量效率曲线,流量扬程曲线低于后弯形叶轮的流量扬程曲线,2种形式的叶轮轴功率相差不大.液力透平各过流部件功率损失分布表明,前弯形叶轮内部的功率损失的减小是液力透平效率提高的主要原因;对比2种叶片弯曲形状液力透平的流量和扬程系数可知,前弯式叶轮的流量系数和扬程系数均大于同尺寸后弯式叶轮的,因此前弯叶轮更适合于液力透平工况运行.     

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。     

叶片数及分流叶片位置对离心泵性能的影响

应用CFD流场数值计算程序对两类不同长叶片、两类不同长短叶片和一类超短叶片配置的离心泵进行数值模拟,讨论叶片数、分流叶片不同径向位置及周向位置对离心泵内流场及整机性能的影响.结果表明,选择合理的叶片数和分流叶片的径向及周向位置,可以有效降低长叶片的负荷,有效提高泵的扬程和效率,避免叶片数过多引起的叶轮进口堵塞和叶轮流道内发生回流和漩涡.当离心泵分流叶片进口直径为叶轮直径的0.68,分流叶片向长叶片背面偏置5°,叶片数为4个长叶片和4个超短叶片时,离心泵的整体性能最佳.     

叶片交错布置不同角度对双吸离心泵蜗壳内压力脉动的影响

双吸离心泵内部流场压力脉动是影响水泵机组运行稳定性的关键因素,为了研究双吸离心泵叶轮两侧叶片交错布置对泵蜗壳内压力脉动的影响,以某双吸离心泵为研究对象,将其两侧叶片分别交错布置15°和30°,在蜗壳的不同位置设置监测点,利用CFD技术对离心泵内部流场在设计工况下进行三维非定常数值模拟,得到监测点处的压力脉动情况,并对其进行时域与频域分析.结果表明,该泵蜗壳内的压力脉动主要以轴频和叶频为主,相对于原模型泵叶轮,将叶片交错布置可以有效改善蜗壳内的压力脉动情况,且将叶片错开30°减弱蜗壳内压力脉动的效果比错开15°更好.     

叶片进口安放角对液力透平性能的影响

针对叶片进口安放角对液力透平性能影响规律认识不足的问题,架设一开式液力透平实验台,对一单级蜗壳式液力透平进行实验研究.采用结构化网格技术对该液力透平进行全流场数值计算与分析,将数值结果与实验结果相结合,验证数值计算的准确性.对不同进口安放角的叶轮进行数值研究.研究结果表明:随着叶片进口安放角的增加,液力透平小流量工况的效率有所下降,大流量工况的效率有所增加;透平的扬程和轴功率随着进口安放角的增加而增加;叶轮内部的功率损失是透平内部主要的功率损失;当叶片安放角增加时,小流量工况的功率损失有所增加,大流量工况下的功率损失有所减小;大流量工况下随着叶轮进口安放角的增加,进口液流冲角逐渐减小,因此,透平在大流量工况下功率损失减小,效率提高.     

导叶周向位置对核主泵叶轮径向力的影响

基于多重参考系下的雷诺时均N-S方程和RNGk-ε湍流模型,对核主泵导叶在不同周向位置缩比模型的内部流动进行全三维非定常数值计算.分析导叶周向位置对核主泵叶轮径向力的影响,基于数值计算结果表明:导叶位置变化对核主泵能量性能有明显的影响,扬程、效率的最大变化率分别为2.47%、1.52%,扬程和效率的最大值均出现在导叶周向位置角为5°时,说明此时核主泵性能最优;在设计工况下随着导叶周向位置的变化作用在叶轮上的径向力随时间呈周期波动,径向力脉动频率以叶片通过频率为主,其中导叶周向位置在5°时径向力分布比较集中,有利于核主泵的安全运行;导叶处于最佳周向位置时随着流量的变化作用在叶轮上的径向力先减小后增大.在非设计工况下,作用在叶轮上的径向力分布随机性较强,故在设计工况下可以降低核主泵在运行过程中的振动.     

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.     

基于CFD的离心泵关死点流动性能分析

 流体动力学数值计算（CFD）被广泛用于研究离心泵内部的流场和外特性预测,在设计工况下计算准确性较高,近年在流体机械领域的研究中占有重要位置。然而针对关死点工况离心泵流场的CFD 模拟,现有研究都是采用极小流量作为边界条件,难以得到水泵关死点的真实流动性能。本文采用完全零流量的边界条件,以常用的IS125 型管道离心水泵为例,借助于瞬态CFD 流场计算技术,进行关死点及其附近工况的非定常流场数值模拟和性能预测,并得到实测结果的验证。研究结果发现,在非设计工况尤其是关死点和小流量工况下,叶轮每个通道内具有不同的流场分布和过流能力,导致水泵性能参数出现较大的脉动现象。在关死点工况下,蜗壳隔舌所承受的流动冲击最为严重,靠近蜗壳上游的叶轮通道是排水状态,而靠近蜗壳下游的叶轮通道则是吸水状态。本文提出的关死点和小流量工况下离心泵流场计算方法能较为有效的预测该工况下泵的扬程和轴功率,得到的叶轮流道过流能力大小的结论,具有一定的学术和工程价值。     

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.