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.     

贯流泵装置出水流道进口区压力及速度场分析

为分析贯流泵装置出水流道进口区流场的非定常特性,在考虑水泵与流道的水力相互作用基础上,采用RNG k-ε湍流模型对贯流泵装置进行全流道的非定常数值计算。通过非定常求解预测的贯流泵装置能量性能数据与物理模型试验值进行对比,验证数值计算方法的可信度,分析出水流道进口区非定常压力及速度场的演变规律。结果表明:(a)贯流泵装置数值预测的扬程系数与模型试验结果的最大相对误差为3.15%,效率的最大相对误差为3.07%。(b)出水流道进口区轴面速度场的波谷数与导叶体的叶片数相同。(c)随着流量系数的减小,出水流道进口区的轴面速度场的波峰特征越趋明显,轴面速度的尾迹特征逐步增强。(d)水流经出水流道扩散,速度逐步减小而压力逐渐增大,出水流道进口区的脉动主频受叶轮旋转的影响很小,压力波动主要受导叶体进口流态和导叶体结构的双重影响。(e)不同工况时各监测点的主频及次主频均为低频脉动。     

泵作透平尾水管压力脉动特性分析与试验

为研究泵作透平尾水管压力脉动特性及内部流动机理,采用试验与雷诺时均非定常数值计算相结合的方法,对尾水管内部压力脉动及其上游过流部件对其内部流动特征的影响进行分析,得到不同位置监测点处的压力脉动特征。研究结果表明:蜗壳内压力脉动主频为叶片通过频率,动静干涉作用是引起透平蜗壳内压力脉动的主要原因;由于上游蜗壳内产生的压力脉动传播到叶轮导致叶轮流道内除主频轴频外还存在1个次主频叶频;小流量时尾水管中心区域出现回流现象,但是随着流量的继续增加回流现象逐渐消失;透平尾水管内压力脉动主要为上游蜗壳内压力脉动传播所致,动静干涉作用是其产生的主要原因;随着流量的增加,透平内部压力脉动主频幅值增加,且大流量工况下达到最大值。     

提高小流量工况下轴流泵的效率

将开缝技术应用于轴流泵的叶轮上, 并选择合适的开缝翼型作为叶轮开缝的依据, 设计了一种新型轴流泵叶轮. 基于商用CFD 软件ANSYS CFX, 对常规轴流泵和开缝叶片轴流泵进行了数值模拟计算, 并分析了常规轴流泵和开缝叶片轴流泵在不同工况下的水力性能及其流场特点. 数值计算结果表明, 开缝技术提高了轴流泵在小流量工况下的水力性能, 并降低了进口压力脉动. 进行了两种轴流泵的水力性能对比实验, 结果表明, 开缝叶片轴流泵在小流量工况下的性能优于常规轴流泵, 证明了开缝技术能有效地提高轴流泵在小流量工况下的水力性能.     

基于CFX的双向立式轴流泵装置水力性能分析

为分析双向立式轴流泵装置的内部流动结构并进行性能预测,应用三维紊流Navier-Stokes、RNG k-ε湍流模型和壁面定律对泵装置进行全流场数值模拟研究,共计算了额定转速下240—460L/s流量范围内的9个工况点.分析了导水锥对进水流道水力性能的影响及导叶体对装置性能的影响,并通过泵装置模型试验对预测的外特性结果进行验证.研究表明,加设导水锥可消除喇叭口下的奇点,避免附底涡的产生,加设导水锥后进水流道出口断面轴向速度分布均匀度提高0.5—0.8个百分点,速度加权平均角提高了0.3°—1.28°.导水锥对自流工况的影响很小.大流量工况时扩散导叶对叶轮出口环量的回收效果优于常规导叶,泵装置效率明显提高.     

轴流泵叶轮出口流场的3D-PIV测量

为了全面揭示轴流泵叶轮出口流场规律,采用3D-PIV技术对一经改装的轴流泵在设计工况、高效区工况、马鞍区工况、小流量工况和大流量工况下的叶轮出口流场进行了全面测量,并运用TSI公司的Insight和Tecplot软件对数据进行了后处理,得出了各个测试工况下叶轮出口测试区域的空间流线图和横断面三维流速的云图分布.试验结果揭示了轴流泵叶轮出口流场呈螺旋形向外运动的趋势,水流具有较为明显的三维流动特征;证明采用3D-PIV技术对轴流泵叶轮出口流场进行研究是可行的,能够反映三维流场的实际情况,为轴流泵设计提供参考,并对CFD数值模拟轴流泵叶轮出口流场的结果进行验证.     

离心泵作透平水动力噪声特性研究

为研究离心泵作透平在水动力载荷激励作用下的噪声特性,以某单级离心泵反转作透平为研究对象,基于雷诺时均法获得透平内部非定常流场,进而运用直接边界元法求解叶轮和壳体壁面偶极子源引致的噪声,并借助水听器对透平出口水动力噪声进行试验测量.在对计算获得的水动力噪声试验验证的基础上,对比了各过流部件压力脉动特性以及不同性质噪声源的辐射声压特性.研究结果表明,450Hz以内的低频段内,壳体声源作用的水动力噪声能够体现多声源的共同作用,最优和大流量工况下计算与试验频谱曲线吻合较好,叶频及其倍频下平均误差仅为4.35%.蜗壳内压力脉动主频为叶频,叶轮流道内除次主频叶频外存在1个主频轴频,进水管和尾水管内压力脉动主要为蜗壳内压力脉动传播所致,而叶轮内部形成的低频压力脉动传播现象不明显.轴频处,叶轮旋转偶极子作用下的声压较强;而在叶频及其倍频处,壳体偶极子是主要声源.     

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.     

喷水推进器内非定常压力脉动特性

基于RANS方程和SST湍流模型,对喷水推进器内非定常流场进行数值模拟.经网格无关性分析后,计算得到的功率、推力与试验值对比最大误差小于4%.分析了设计转速工况和自航工况时叶轮进口、叶轮出口、导叶中部和导叶出口压力脉动的时域和频域特性.结果表明:喷水推进器内最大压力脉动发生在叶轮进口;受不均匀来流影响,叶轮进口从80°至140°半径方向的压力脉动较大;在叶轮进口与出口处,压力脉动主要受叶轮叶频控制,从轮毂到轮缘脉动幅值逐渐增大;设计转速条件下,喷水推进器运行于设计航速工况时叶轮进口压力脉动最小;自由航行时,压力脉动频率与喷水推进器转速呈线性关系,脉动幅值随航速增加而升高.     

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.     

仿生蜗壳结构对离心泵隔舌区域脉动特性的影响

为了有效降低离心泵隔舌区域压力脉动特性,基于长耳鸮特殊的羽翼形态,建立仿生蜗壳结构计算模型.采用数值模拟的方法对标准蜗壳、仿生蜗壳离心泵全流场进行瞬态计算,对比分析了设计工况下不同蜗壳结构隔舌区域各监测点脉动特性,研究了不同工况下不同蜗壳结构隔舌头部的脉动特性.结果表明:不同工况下,各监测点的压力脉动频率基本与叶片通过频率一致;设计工况下,采用仿生蜗壳时相对于标准蜗壳各监测点脉动幅值均有所下降,最大降幅达56.1%;3种工况下,采用仿生蜗壳时隔舌头部脉动幅值在标准工况及大流量工况下均会降低;设计工况下采用仿生蜗壳可以显著改善其叶轮流道及扩散段流体的流动状态,使离心泵内部流场更平缓,提高其运行的稳定性.     

S形贯流泵装置水力模型非定常水动力特性分析

水力模型的非定常水动力特性对泵装置的安全运行稳定性具有重要影响,在考虑了水力模型与流道的水力相互作用基础上,采用雷诺时均Navier-Stokes控制方程和RNG k-ε湍流模型对多工况时S形贯流泵装置进行了全流道非定常数值模拟,分析了水力模型的非定常水动力特性.泵装置非定常数值预测结果与试验值进行对比,验证了数值模型的可信性.计算结果表明:随叶轮的旋转,叶轮轴向力的变幅小于径向力的变幅,在小流量工况时径向力变幅最大.不同工况时叶轮的非定常脉动轴向力受转频的影响程度大于非定常脉动径向力,轴向力和径向力的脉动主频均以低频为主.在叶轮的1个旋转物理周期内叶轮的径向力分量呈蝶形分布.随流量的增大,径向力的平均值也增大,绕Z轴方向的扭矩则逐渐减小.相比大流量和小流量工况时,叶轮叶片的脉动比值在高效工况时最小,表明偏离高效工况运行时,叶轮受周期性水动荷载的影响较大,应尽量避免泵装置在偏离高效工况区域运行.随流量的增大,导叶片的脉动比值也增大.     

浅析泵站工程进水流道的选型和设计

进水流道选型和设计合理与否影响水泵叶轮进口处的流速分布和压力分布,对水泵的实际运行性能有影响。进水流道形状尺寸不当,流道内可能产生涡带,降低水泵效率;涡带进入水泵,还可能造成机组震动。进水流道是水工结构的一部分,其形状尺寸直接影响泵站投资和施工难易。因此,合理地进行流道选型和设计,不论对水泵运行和工程投资均有很大意义。本文以设计实例浅谈如何合理进行进水流道的选型和设计,为今后同类工程提供参考。     

基于ANSYS的轴流泵转子系统有限元分析

为了研究预应力对便携式轴流泵叶片的应力及应变的影响,基于有限元理论,在Workbench平台上,采用ANSYS CFX软件对轴流泵内部流场和叶轮结构进行耦合求解.其中流场计算选用以雷诺平均方程为基础的SST k-ω湍流模型.结构计算采用弹性体结构动力学方程,对叶轮叶片在不同流量工况下的变形和应力分布以及各阶模态变化进行了计算.结果表明:在水体作用力和旋转离心力作用下,轴流泵叶片的最大变形发生在叶片进口轮缘处,且从轮毂到轮缘的径向方向上,变形程度逐渐变大;在叶轮压力面靠近轮毂附近区域出现应力集中,各工况最大应力值均远小于最大拉应力,能够满足强度要求;有无预应力对转子系统的各阶模态影响很小,且不同流量工况下各阶模态的变化也很小.     

空化对离心泵低频水力振动影响的数值研究

选择k-ε湍流模型和空泡动力学理论对离心泵内部的空化流场进行计算,获得了三种不同空化阶段(无空化、空化初生及空化充分发展)叶轮内部气泡分布规律,捕捉了叶轮受力以及蜗壳壁面和叶轮出口压力脉动的动态信息.时频分析结果显示:数值仿真场中压力和受力在空化不同阶段表现出不同的时频特性;随着进口压力的降低,气泡首先在叶片背部产生并逐渐随水流扩展;在不同空化阶段,蜗壳内压力脉动主频均为叶频,蜗舌处压力脉动幅值最大;当远离蜗舌时,叶片作用大于动静干涉,叶轮出口出现了比蜗壳壁面更多的高频成分;叶轮Y向动态受力峰峰值变化幅度明显大于X和Z向,空化的发展主要引起叶轮Y向振动加剧.     

不同轮缘间隙下混流泵旋转失速特性

为了研究不同轮缘间隙下混流泵的旋转失速特性,基于k-ε湍流模型,SIMPLEC算法和六面体结构化网格,对混流泵内部流场进行数值模拟,轮缘间隙分别为0.2,0.5和0.8 mm,对比3种不同轮缘间隙下混流泵的外特性、失速工况下的内部流场及混流泵内各个监测点处的压力脉动变化。研究结果表明:当轮缘间隙为0.5 mm时,数值模拟与试验结果较为吻合,模拟结果可靠。在3种不同间隙下,外特性曲线的近失速工况点和深度失速工况点都一致,且当轮缘间隙为0.8 mm时,混流泵的流量-扬程曲线的正斜率特性最明显。随着轮缘间隙的增大,从近失速工况到深度失速工况,叶轮出口的旋涡数都有所增加,且当间隙为0.2 mm时,旋涡数增加最多。同时,轮缘泄漏涡的形态轨迹也发生较大的变化,当间隙为0.8 mm时,泄漏涡尺度得到大幅度的增强。在近失速工况时,在同一间隙下,压力脉动在不同流道中呈现相似的周期性变化,只是相邻监测点之间呈现出较大的相位差,符合失速团的传播规律。随着间隙增大,由于失速团数量的增加,压力脉动曲线呈现出不同的传播变化规律。     

不同转速下离心泵压力脉动的试验研究

离心泵的压力脉动对泵的安全稳定运行有重要影响。为了揭示离心泵运行于不同转速下的压力脉动特性,以一台单叶片离心泵为试验研究对象,测量了泵在不同转速下的外特性曲线,并采用高频压力传感器测量了泵在不同转速时的压力脉动,获得了压力脉动的时域图、频域图,以及不同流量工况下的压力脉动强度分布曲线。外特性试验结果表明:不同转速下泵H-Q曲线基本平行,符合相似换算。试验结果表明:蜗壳内压力脉动从隔舌沿着泵转子旋转方向逐渐减弱,在额定流量工况附近压力脉动强度最小。频域分析表明:压力脉动主频为叶轮转频fn,但由于单叶片离心泵内存在较强的流动分离,在5 fn范围内也存在明显的宽频压力脉动信号。随着转速的降低,蜗壳内压力脉动强度明显降低,但并不完全符合相似换算;转速越高蜗壳-叶轮的势流干涉作用越强,压力脉动周期性越明显;在低转速小流量时尾迹干涉表现明显,压力脉动变得更复杂,周期性减弱。     

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.     

液环泵作真空泵与压缩机工况下的内流场及外特性分析

采用数值模拟和实验相结合的方法,对2BE型液环泵在真空泵与压缩机工况下的内流场及外特性进行对比分析.结果表明:相同的进出口压比时,压缩机体积流量小于真空泵体积流量,体积流量比和效率比均随着压比的增大而逐渐下降;真空泵和压缩机工况下内部的相态场、速度场和压力场分布规律基本一致;压缩机工况下的排气区和过渡区叶轮内旋涡二次流明显要强于真空泵工况下的,相同压比变化时压缩机工况下排气区内壁压力显著增大;液环泵壳体内壁压力的频域特性沿圆周方向存在明显的分区特征;真空泵工况下的各阶主频特性与压缩机工况下的完全一致;在各压比下,压缩机工况的泵壳体内壁压力脉动幅值整体大于真空泵工况的,随着压比的增大,压缩机工况下的排气区和过渡区壳体内壁压力脉动幅值明显增大.