离心式心脏泵内部流场数值模拟与分析

利用CFD软件对采用一元理论的方法所设计的无回流区和有回流区2种离心式心脏泵进行数值模拟,考察和分析人工心脏泵叶轮内部流场的分布,揭示叶轮内部流动的特殊规律和流动机理.通过数值模拟得到心脏泵流道内的切应力、速度和压力分布云图,分析2种模型对血栓和溶血的影响.结果表明,有回流区离心式心脏泵模型内部流场要比无回流区离心式心脏泵模型内部流场更符合血液动力学的要求,对血细胞的破坏更小,具有更好的抗血栓和溶血性能.     

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.     

余热排出泵叶轮与导叶匹配的水力性能研究

为了分析叶轮与导叶匹配对余热排出泵水力性能的影响,根据泵的性能参数设计了两个叶轮和两个导叶组合的四种方案.通过外特性试验得到:叶轮与导叶的匹配对余热排出泵在小流量工况和大流量工况范围的性能影响较大,而对设计工况下的性能影响较小.采用ANSYS CFX 14.5软件对余热排出泵叶轮与导叶的四种匹配方案进行数值模拟并对比分析了内部流场,结果表明:在0.40~1.62倍设计工况范围内,数值计算得到的性能曲线与试验结果有较好的一致性;不同工况下,导叶和叶轮的内部速度分布相互影响.     

基于CFD的发动机冷却水泵流场数值模拟及性能优化

为了给发动机冷却水泵的设计开发及优化提供理论依据,本文以某发动机冷却水泵为研究对象,基于计算流体动力学的方法,采用STAR-CCM+流体仿真软件对原始水泵模型的内部流场进行数值分析,模拟获得的水泵性能流量-扬程及流量-效率曲线与实验测试结果的变化趋势一致,结果表明搭建的水泵性能仿真模型对评估水泵性能是可靠的。为了提高冷却水泵的工作性能,以水泵流量及效率最大化为优化目标进行优化设计,采用CATIA对其进行三维参数化建模,实现叶轮形状的参数控制及为性能优化提供参数变量。对流量8 L/min的计算工况点(计算扬程2.3 m)搭建了联合CATIA与STAR-CCM+集成的"数模-仿真"优化分析模型,利用STAR-CCM+内置参数化模型自动更新和模型迭代计算功能实现水泵性能优化,获得了叶轮结构优化方案,水泵效率提升10.157%,流量提升94%,表明该计算工况下水泵性能明显提升。     

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.     

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.     

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.     

低功耗小型低温流体离心泵设计与性能测试

为满足航天和生物医疗等应用中对低功耗小型低温液体循环泵的需求,采用数值模拟和3D打印叶轮迭代优化方法设计了叶轮和诱导轮结构,研制了一款10 L/min流量、百瓦以下功率的小体积低温离心泵。搭建了一套小型低温泵闭式回路性能测试系统,完成了以液氮为介质的低温工况泵性能测试。获得了转速在4 500～8 000 r/min范围内的低温泵外特性曲线,研究了泵前流体压力(表压140～800 kPa)对低温泵扬程的影响规律。研究结果表明：该小型低温离心泵在小流量小扬程下运行稳定;随着流量的增加,功率先近似线性增长,而后增长速率逐渐减小;当转速增加时,功率线性增长区域的斜率变大且效率曲线开始出现峰值;转速越大,则最佳效率工况点越向大流量区域偏移,在额定转速6 500 r/min时,最佳效率工况点为流量10 L/min,扬程为7.12 m;入口压力高于200 kPa时,低温泵扬程对压力变化不敏感。本文研究应可为小流量低温流体驱动应用的解决方案提供参考。     

非均匀入流对CAP1400核主泵内流及性能的影响研究

针对CAP1400反应堆冷却剂系统中,由于蒸发器下腔室和核主泵直接相连导致核主泵入口产生非均匀入流,从而影响核主泵内部流场的问题,通过基于剪切应力运输模型的全三维CFD模拟方法,对蒸发器下腔室和核主泵联合模型进行数值模拟,分析了蒸发器下腔室致非均匀流动的形成机理,研究了非均匀入流对核主泵内部流动和水力性能的影响。结果表明：下腔室非对称结构和突缩截面的流动分离是非均匀流动的主要成因。在额定工况下,非均匀入流导致左侧和右侧核主泵扬程分别下降6.0%、5.1%,效率分别下降7.2%、6.6%;在0.5～1.2倍额定流量工况范围内,性能下降幅度与流量呈正相关。非均匀入流呈现轴向速度分布不均匀并伴随二次流动的稳定结构,并且左右两侧叶轮内非均匀入流的旋流畸变特性和轴向速度分布不同。叶轮入口旋流畸变引起入口冲角发生变化,与均匀入流相比,左右两侧叶轮叶高中部的冲角变化相反,而叶顶部分冲角均增加、叶根部分冲角均减小;叶轮入口轴向速度不均匀引起左右两侧叶轮各流道的流量波动分别增大3倍和2倍,降低了核主泵的运行稳定性。     

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。     

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。     

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.     

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.     

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.     

叶片型线及厚度变化规律对离心泵性能的影响

以ZA150-315石油化工离心泵为研究对象,在离心叶轮基本外尺寸和设计转速相同的情况下,以3种不同厚度变化规律的叶片构造C1、C2、C3叶轮,运用FLUENT数值模拟软件,在5种不同工况下分别进行数值模拟计算,得到叶轮流道内部压力和速度分布.数值计算结果表明:在任意工况下叶轮C2的效率比C1、C3的效率都高,且在设计...     

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.     

缝隙引流叶轮的优化设计

以带缝隙引流叶片的低比转速离心泵叶轮为研究对象, 研究了缝隙引流叶片的位置对低比转速离心泵水力性能的影响. 基于叶片参数化设计、网格划分、CFD(computational fluid dynamics)计算和后处理过程全自动集成的优化平台, 以离心泵叶轮水力效率最大化为目标函数, 采用实验设计法(design of experiments, DOE)和序列二次规划法(sequential quadratic programming, SQP)组合策略进行优化设计. 将优化后得到的新叶轮和原始叶轮进行对比分析发现, 优化后泵流道内堵塞情况减少, 扬程提高, 0.6Q 工况以后优化叶轮的效率比原始叶轮高, 同时最高点效率提高了2% 以上. 研究结果表明, 该设计方法切实可行.     

基于Kunz模型的离心泵空化流数值计算

将常用于水翼、螺旋桨等的空化模型应用于离心泵空化流数值计算,以比转速为94的离心泵为研究对象,在不同流量系数下,分别进行了空化性能的数值计算和试验研究.比较了计算和试验得到的空化性能曲线,发现各流量系数下模拟均能捕捉到较低空化数时扬程系数的下降,而且与试验结果较为一致.此外,还对设计工况下叶轮流道空泡和总压系数分布规律以及叶片压力系数分布规律进行了分析.对数值预测结果的分析表明：使用Kunz空化模型进行离心泵空化流数值计算能够较为真实地反映离心泵的空化性能.