离心泵叶片布置凸起抑制空化的数值模拟

提出一种在叶片工作面布置凸起结构抑制空化发展的方法.选用比转速为32的离心泵作为研究对象,应用剪切应力输运(SST) k-ω湍流模型和Zwart空化模型模拟非定常空化流动,并进行外特性实验.结果表明:计算结果与实验结果符合较好;布置凸起结构后扬程和效率小幅下降,扬程下降在1.5%以内,效率下降在1%以内;凸起结构改变了叶片表面粗糙度,减弱了叶轮流道内近壁面湍动能,有效减少了空化区面积,抑制了空化的发展;布置凸起结构后离心泵内空泡体积明显减少,最大减少量为57.9%;布置凸起结构后叶轮流道内压力脉动主频幅值明显缩小,说明凸起结构对空化诱发的振动、噪声和磨损等也有一定的抑制效果.     

微型高速泵内空化流动的数值分析

以一台单级微型高速离心泵为研究对象,对其内部空化流动进行全流场数值模拟,分析了3种流动系数和不同空化数时该离心泵叶片流道内的空泡、静压以及相对速度分布规律。研究结果表明:空泡最先在叶片吸力侧前缘产生,该空泡区随着空化数的减小沿着叶片吸力侧向出口尾缘迁移和扩大,且呈非对称分布。在相同空化数下,随着流量系数的增加叶片流道内的空化区域变大;叶片吸力侧中间区域出现低速区并在叶片间流道内发展,同时,叶片尾缘处的高速区向叶轮内延伸,表明空泡造成叶轮内流道的堵塞,阻碍液体的流动;在叶片吸力面侧,空泡体积分数的最大值主要分布在叶片中间靠近轮毂的位置,而在压力面侧位于叶片前缘的机匣附近。初步建立了关于微型高速离心泵内空泡流动的一个较完整的认识。     

非光滑表面离心泵叶轮的流动减阻特性

为了分析非光滑表面对离心泵性能的影响,基于仿生凹坑表面的减阻特性,将凹坑型非光滑单元体排布于离心泵叶片的工作面,建立具有非光滑表面的叶轮离心泵的流动减阻特性分析模型,通过RNGk-ε湍流模型对离心泵内部流场进行数值模拟,分析具有非光滑表面叶轮的流动减阻特性,研究不同流量下非光滑表面对叶片近壁面的速度分布、剪应力和离心泵内部流场的影响.结果表明:凹坑型非光滑表面能够降低因黏性阻力产生的叶轮扭矩,其扭矩的最大降幅为5.8%;非光滑表面能够有效控制叶片近壁面边界层的流体流动,减小叶片的壁面剪应力;凹坑型非光滑表面能够降低离心泵叶轮内部流体的湍动程度,减小湍动产生的能量耗散,使叶轮内部的流体流动更加稳定并提高离心泵的效率.     

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.     

过渡流道对串联高速离心泵空化特性的影响

为分析不同结构的过渡流道对串联高速离心泵空化特性的影响,以某型串联高速离心泵的第2级为研究对象,基于ANSYS Fluent中Zwart-Gerber-Belamri空化模型,采用RNG k-ε双方程湍流模型对同一工况下环形和螺旋形过渡流道在不同空化数下的增压值、叶片空化面积、流道内空泡体积进行了对比分析.结果表明：采用螺旋形过渡流道的次级离心泵在流量区间32 000～64 000 L/h增压值提升约8.5%,大流量工况(q_V>52 000 L/h)下效率提升3%～6%.次级叶轮发生完全空化时,相比环形过渡流道,螺旋形过渡流道次级叶轮叶片背面空化面积和流道内空泡体积均有所下降.由此可见,螺旋形过渡流道抑制了叶轮叶片空化气泡的产生,提升了次级叶轮的抗空化性能.     

叶片进口边穿孔前后的离心泵不稳定空化特性

为了研究叶片进口边穿孔后离心泵不稳定空化特性,以某低比转速离心泵为研究对象,基于SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,研究了叶片进口边穿孔前后叶轮内的流动特性及压力脉动特性.研究发现,对于低比转速离心泵,叶片穿孔后,低压区的分布范围较原型泵的分布范围小,压力梯度变化较原型泵的快;在空化条件下穿孔叶片叶轮总的湍动能比原型叶轮的小;在一个旋转周期内所应的每个时间点上,穿孔叶片所产生的汽泡分布区域比原型叶轮小;穿孔叶片可以有效地减少由空化所产生的振动、噪声.     

离心泵内部非定常空化流动特征的数值分析

运用完整空化模型和混合流体两相流模型,对比转数为130的离心泵流道内部的空化流动进行了定常及非定常的数值模拟.预测了叶轮流道内空化发生部位和发展程度,对蜗壳隔舌附近处流场的压力场进行了监测,得到了压力脉动的变化规律.结果表明:空化初生位于叶片背面进口边附近处,随着进口压力的降低,空泡分布区域及空泡体积分数不断扩大,当空化严重时,叶片工作面上会有空泡聚集;在叶轮的1个旋转周期中,单个叶片表面上的空化发展程度随叶轮与蜗壳相对位置的改变而发生规律性的变化;压力脉动频率存在明显离散特性,叶片通过频率下的脉动幅值较大;随着空化程度的发展,空化流动诱导泵流道内压力脉动幅值不断增加,并且两者存在相互对应关系.     

分流叶片对离心泵空化性能影响的数值预报

为研究分流叶片对离心泵空化性能的影响,采用Zwart-Gerber-Belamri空化模型对无分流叶片及4种具有相同分流叶片进口直径、不同偏置度的叶轮方案进行了数值模拟.结果表明:加分流叶片方案可使扬程提高10.81%～19.97%,分流叶片可使效率在小流量工况有一定程度的提高.加分流叶片方案的流道内气泡均有不同程度的改善,且空泡的体积变小,表明分流叶片可以抑制空泡的生长,分流叶片不同的偏置角度对空泡的抑制程度不同,偏置角度为6°时改善效果最为明显.加分流叶片方案的流道内流动更加稳定,分流叶片有效阻止了长叶片背面上流体的分离和脱流,改善了流道内的流线分布,当分流叶片偏置角度为6°时,叶轮流道内流线分布更均匀,出口的漩涡较小.     

叶片开槽对轴流泵空化性能的影响

为探究开槽叶片对轴流泵空化性能的影响,以350ZQ-70-H型潜水轴流泵为研究对象,对其不同空化余量下的流场进行定常和非定常数值模拟,对比分析原模型与改进后模型的速度矢量分布、压力分布、内部空泡体积分数及空泡体积变化等.结果表明:开槽叶片可以改善轴流泵的效率和扬程,提升轴流泵性能;开槽叶片增大了叶片进口处流动面积,降低了叶片进口处流速,使得轴流泵叶轮内压力的分布得到改善,从而对空化产生抑制作用;在空化的各个阶段里,开槽模型的空泡体积分数分布均有所降低,其中空化初始阶段最为明显,相比原模型下降了30.4%,有效抑制了空化的发展,空化性能明显提升.     

大型轴流泵空化特性的数值模拟

为了研究大型立式轴流泵内部的空化特性问题,选取幸福泵站中叶轮直径为2.80m的机组作为研究对象,分别进行了试验研究和数值模拟,计算结果与试验结果相吻合,验证了数值模拟的准确性,得到该泵的汽蚀余量为4.86m,临界空化压力为48.50kPa。模拟结果表明:在泵的进口压力从47.00kPa下降到42.00kPa的过程中,空化持续长度从0.24迅速变化到1,空化迅速扩散至整个叶片;当流量大于设计值时,空化只发生在工作面靠近叶片进口边处,而当流量小于设计工况时,空化主要发生在叶片吸力面,且当液流角β′1小于翼型最大厚度处斜率所对应的角度α时,叶片吸力面形成1个空化区域,当β′1大于α时,叶片吸力面将会形成2个空化区域;当大型轴流泵发生空化时,增大进口压力至临界空化压力以上可以有效消除内部空化现象;通过调整运行流量至设计流量附近,可以有效减弱泵内部的空化程度。     

基于正交试验大型轴流泵空化特性的数值模拟

针对28CJ-70型立式轴流泵内部空化对机组性能的影响,从泵内空化基本方程出发,确立叶顶尖间隙γ、叶片吸力面流线分布和叶片进口边外缘修圆ψ为影响轴流泵空化特性的主要因素,并建立L9(33)正交实验表,分别对9组试验方案进行数值模拟,计算结果表明:叶顶尖间隙γ对叶轮吸力面外缘泄漏涡变化较为敏感,增大叶顶尖间隙γ能够有效改善吸力面外缘速度分布,但会使泵扬程降低;叶片吸力面流线分布Φ对轴流泵效率和空化持续长度χ具有重要影响,当吸力面流线分布Φ=0.7时,能够明显改善吸力面低压区流体回流范围,使空化持续长度χ迅速降低,并能大幅度减小空化体积分数.通过对立式轴流泵模型进行试验研究发现:数值模拟结果与试验外特性曲线能够较好符合,达到工程应用的要求,进而验证正交计算结果准确性.     

特种涡轮驱动混流泵瞬态空化特性

为了研究水泵液压系统瞬态特性,建立了水泵液压系统运动物速度和泵转速的瞬态数学模型,分析了涡轮泵启动瞬态过程中0.73,0.90和1.00s三个典型时刻运动物速度与加速度、泵流量及其空化特性.数值模拟结果表明:不同NPSH工况叶片表面空泡分布规律一致,在叶片弦跨度0.7~1.0区域,空泡体积分数向轮缘方向迅速增大,在轮缘区达到最大值;在运动物出舱工况下,当装置空化余量为14.23m时,轮缘圆周面上平均空穴面积达到33%左右,空泡堵塞了叶片流道,导致泵扬程下降了约61%,满足不了水泵液压系统运动物的加速度要求.模型泵试验结果表明:水泵液压系统涡轮泵启动后,泵转速近似线性加速,泵的必需空化余量值随之迅速增大,在运动物出舱时涡轮泵转速、流量和必需空化余量均达到最大值,为了避免涡轮泵叶轮空化诱导运动物出舱失败,应规定水泵液压系统最小潜水深度.     

型线变化规律对诱导轮性能影响的仿真分析及应用

为了准确地研究型线变化规律对诱导轮性能的影响,采用4种典型的型线变化规律分别设计了四台变螺距诱导轮,分析了型线变化规律对诱导轮的能量特性和空化特性的影响,并给出了诱导轮设计过程中型线变化规律的选择依据。通过仿真分析研究了空化发生过程中,气泡在诱导轮压力面和吸力面间的生长分布情况,捕捉到了在NPSHa不断下降过程中,空泡在叶片间发生、蔓延及阻塞等特征,并通过切割诱导轮流道,研究了诱导轮进出口流道能量变化过程。最终,根据设计要求,对一台离心泵进行了诱导轮设计,试验结果表明:离心泵的空化性能得到明显的改善,配置诱导轮后泵机组必需空化余量约为0.414m。     

不同雷诺数风沙来流下粒径对S809翼型性能的影响

以风力机专用翼型S809为对象,采用数值模拟的方法研究不同雷诺数风沙来流下粒径对翼型性能的影响.结果表明:0.5μm颗粒绕流时紧贴翼型壁面运动,随着颗粒直径的增大,其运动轨迹逐渐偏离吸力面,且直径越大,偏移距离越远.当颗粒直径为10～50μm时,颗粒绕过前缘后开始偏离吸力面,大于50μm时,其绕流作用减弱,出现直接撞击吸力面的现象;雷诺数越大,近前缘驻点处撞击壁面的颗粒直径越小,且小攻角下撞击壁面的颗粒直径较小;各雷诺数下,50μm颗粒对翼型气动性能的影响最大;雷诺数为2×10~5时,5、50μm颗粒对气相湍动能有抑制作用,50μm颗粒的抑制作用最明显,100μm颗粒会增强气相湍动能.     

离心泵的进口几何参数对泵空化性能的影响

为了改善离心泵内的空化性能,基于κ-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对一个比转数为131.87的单级单吸型离心泵进行空化性能的模拟计算,通过改变叶轮进口直径、叶片进口安放角,分别对改变几何参数后的离心泵进行全流场数值模拟.设计泵的进口直径为150 mm,改变后的尺寸分别为155mm和160mm,模拟计算结果表明,离心泵...     

离心泵叶轮后盖板粗糙带抑制空化效果分析

利用修正过的剪切应力输运(SST) k-ω湍流模型及Kubota空化模型,对不同空化数下的离心泵内流场结构进行定常与非定常空化模拟,并选取最后一个旋转周期对叶轮内流场特性进行分析,考察离心泵叶轮后盖板布置粗糙带对其内部非定常空化流动特征、压力脉动特性及抑制空化效果的影响.结果表明:叶轮后盖板布置粗糙带对离心泵外特性几乎不产生太大扰动;粗糙带提高了叶轮内流场压强,其产生较大的近场压力迫使空泡外侧形态发生改变,从而对空化产生抑制作用;空化发展初期至严重阶段,粗糙带使得周期内叶轮中空泡体积明显减小;当空泡的径向外缘尺寸发展至粗糙带位置时,该结构使得由空泡所覆盖区域内的压力脉动主频幅值有较大程度降低,且能不同程度降低蜗壳内的主频幅值,对流场结构改善效果较好,但对未覆盖区域造成了小幅扰动.     

车身单一非光滑表面与双表面耦合的减阻效果

将凹坑型非光滑表面分别布置在汽车工业研究协会(MIRA)给出的直背式模型的顶部和尾部,研究顶部非光滑和尾部非光滑单独作用时的减阻效果,并通过耦合的方法,研究顶部和尾部共同作用时的减阻效果.通过CFD数值计算方法,得出模型的尾流、压力、剪应力以及湍动能等参数,对比模型在不同形式下的减阻效果,并分析减阻原因.研究结果表明:凹坑型非光滑表面能减小模型尾部负压,从而减小压差阻力,并降低湍动能,减小能量耗散;顶部和尾部非光滑的耦合作用略强于单独作用,但小于两者之和.     

导管螺旋桨在空泡影响下的推力特性

在动网格与滑移网格技术结合的基础上引入空化模型构造的数值计算模型,以该模型对考虑空泡因素影响的高速旋转导管螺旋桨进行直线运动时的水动力特性进行数值模拟,观察螺旋桨在线运动工作条件下空泡的发生发展过程,研究了空泡因素对直线运动中导管螺旋桨周围流场以及推力特性的影响,分析了在空泡环境下不同转速、线速度对导管螺旋桨推力特性的影响.结果表明:对于高速旋转的螺旋桨,计入空化模型进行的数值计算可以比较客观的模拟桨叶产生空泡的发生与发展过程,以及由此而引起的螺旋桨水动力特性的变化;计入空化模型后,数值模拟与实验结果之间的最大相对误差要小于不计入空化模型时的数值模拟结果,进速或螺旋桨的转速越高,两者之间的差异越明显;空泡因素对螺旋桨叶水动力特性的影响不仅仅限于吸力面,对压力面同样有不可忽略的影响.     

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.     

簧片哨空化流场的Fluent软件数值模拟

使用基于有限体积法的计算流体动力学软件Fluent,采用标准k-ε模型和多相流空化模型,对簧片尺寸一定、不同喷口厚度和不同喷口与簧片间距的悬臂式簧片哨内的空化流场进行数值模拟,通过计算簧片哨内湍动能、压力和速度分布,研究了操作参数、簧片哨的结构对空化效果的影响.结果表明:悬臂式簧片哨的空化主要发生在簧片尖劈处,簧片哨的操作参数以及结构形式对空化效果有着明显的影响.