液力透平的数值计算与试验

设计了液力透平试验台,对一单级液力透平进行了试验,得到了外特性曲线.采用全流场和结构化网格技术对液力透平内部流动进行了数值计算.分析了液力透平在不同流量下的压力场和速度场,得到了内部流场的分布规律.应用速度三角形对液力透平叶轮和尾水管内部速度场随流量变化规律进行了研究.结果表明:离心泵反转可用作透平运行,并具有较高的效率;最高效率的数值计算与试验结果相对误差为4.85％;透平内部的压力从蜗壳进口经叶轮到尾水管逐渐减小,进出口压差随流量增加而逐渐增加;在透平叶片背面和工作面存在漩涡区域,漩涡位置和区域大小随流量而变化;在尾水管横截面上存在的圆周速度分量随流量而变化.     

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.     

油气混输泵混输特性分析

为获得油气混输泵的内部流动规律,研究该泵的混输特性,基于标准k-ε湍流模型和mixtere多相流模型,对该泵进行气液两相的定常模拟计算,获得其内部压力场、速度场以及气相体积率的分布情况.分析表明,从叶轮进口到叶轮出口气液两相分离情况越来越严重,压力增大,流动紊乱.从导叶进口到导叶出口气泡团逐渐从轮毂处向流道中间移动,压...     

一种降低单级液力透平蜗壳内压力脉动的方法

为了降低液力透平蜗壳内的压力脉动幅值,选择一单级离心泵为研究对象,当离心泵反转作液力透平时,在液力透平叶轮进口前添加一组固定导叶,利用Pro/E软件建立添加导叶前后的几何模型,然后利用软件ANSYSCFD计算两模型蜗壳内周向、径向以及不同流量下的压力和压力脉动变化情况,并通过快速傅里叶变换将压力脉动的计算结果进行处理,分析蜗壳内的时域和频域分布.研究发现:叶轮进口前添加导叶可有效降低蜗壳内周向和径向最大压力脉动幅值,且使大流量下蜗壳内的压力脉动幅值增加程度降低.     

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.     

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.     

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.     

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.     

导叶可调式液力变矩器流场模拟与PTV验证

为研究导叶可调式液力变矩器的内部流动特性,以循环圆直径为320 mm导叶可调式液力变矩器作为研究对象.采用计算流体动力学(CFD)方法对其不同开度、不同工况下的内部流动状态进行数值模拟,并对相应的透明模型进行粒子跟踪测速(PTV)试验验证.同一开度下,随着转速比的增加,可调导轮内部液流速度增加,液流方向与叶片进口方向的夹角增大;在制动工况时,叶片工作面有漩涡现象,而空载工况时,叶片非工作面有漩涡产生.对比试验与数值模拟内流场结果,发现后者可以比较准确地预测导叶可调式液力变矩器的内部流动特性.该结论为研究导叶可调式液力变矩器内部流动状态,预测外特性及其设计优化提供了方法和依据.     

高压端出流条件对多级泵径向力的影响

为了降低节段式多级泵叶轮所受的径向力,提高多级泵运行时的稳定性,采用SSTκ-ω湍流模型对高压双壳体多级泵末级导叶出口有出口压盖和无出口压盖2种情况分别进行了全流道非稳态数值计算,比较了2种情况在设计与非设计工况下末级叶轮及整个叶轮所受径的向力。研究结果表明,一个旋转周期内,末级叶轮径向力波动周期与末级导叶叶片数(即反导叶数)相同,整个叶轮的波动周期与正导叶叶片数相同。此外,添加出口压盖后,末级叶轮及末级导叶流道内流线分布更均匀,旋涡区明显减少,径向力幅值及主频也明显减小。     

高压端出流条件对多级泵径向力的影响

为了降低节段式多级泵叶轮所受的径向力,提高多级泵运行时的稳定性,采用SSTκ-ω湍流模型对高压双壳体多级泵末级导叶出口有出口压盖和无出口压盖2种情况分别进行了全流道非稳态数值计算,比较了2种情况在设计与非设计工况下末级叶轮及整个叶轮所受径的向力。研究结果表明,一个旋转周期内,末级叶轮径向力波动周期与末级导叶叶片数(即反导叶数)相同,整个叶轮的波动周期与正导叶叶片数相同。此外,添加出口压盖后,末级叶轮及末级导叶流道内流线分布更均匀,旋涡区明显减少,径向力幅值及主频也明显减小。     

高压端出流条件对多级泵径向力的影响

为了降低节段式多级泵叶轮所受的径向力,提高多级泵运行时的稳定性,采用剪切应力传输κ-ω湍流模型对高压双壳体多级泵末级导叶出口有出口压盖和无出口压盖2种情况分别进行了全流道非稳态数值计算,比较了2种情况在设计与非设计工况下末级叶轮及整个叶轮所受的径向力。研究结果表明,1个旋转周期内,末级叶轮径向力波动周期与末级导叶叶片数(即反导叶数)相同,整个叶轮的波动周期与正导叶叶片数相同。此外,添加出口压盖后,末级叶轮及末级导叶流道内流线分布更均匀,旋涡区明显减少,径向力幅值及主频也明显减小。     

旋喷泵叶轮内的准三元流动计算

采用任意准正交面方法求解旋喷泵叶轮内准三元流场．通过同时求解沿准正交面与Ｓ＿１Ｓ＿２流面交线方向的速度梯度方程和沿流线方向的能量方程求得了旋喷泵叶轮内的准三元解，指出了旋喷泵内准三元流动的流场分布特点是叶片工作面速度先减小后增大，叶片背面速度先增大后减小，叶轮流道中的空间流线从进口到出口逐渐变密，明确了叶轮设计时应注意的问题。     

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.     

深海扬矿泵不同导叶流道中粗颗粒运动试验研究

为提高管道水力输送安全性,设计导叶进口安放角和叶片数不同的模型泵,建立管道输送试验系统,采用粒径为3mm的石英砂在输送颗粒体积分数为5%的条件下通过不同模型泵,分析导叶设计参数对颗粒过泵的影响。研究结果表明:导叶进口安放角为25°、叶片数为5的模型泵最优;颗粒在该模型泵中运动,在导叶进口区域,颗粒主要从导叶背面进入,而且颗粒冲击导叶背面的现象不明显;在出口部位,颗粒主要靠近流道中部流出导叶,这样减少了对导叶出口叶片的碰撞;颗粒在此泵中运动的时间较少,不集中在泵中1个部位发生碰撞,对泵的磨损较轻。     

多级能量回收水力透平导叶的优化设计

为了提高多级能量回收水力透平的效率,对已有的(DCSGT250-175X9)多级能量回收水力透平模型的流道式导叶进行优化设计.通过对设计的流道式正导叶的压力和速度分布的分析,获悉影响正导叶压力和速度分布的关键因素是其翼型工作面出口段的圆弧半径,由此设计了圆弧半径分别为138、135、134mm的3种方案.通过对这3种正导叶方案的多级能量回收水力透平进行全流道三维湍流的定常数值模拟,分别得到其正导叶的压力和速度分布.经分析、比较可见,正导叶工作面出口段圆弧半径为134mm时的设计方案更符合该多级能量回收水力透平流态和流场分布的要求.据此,再按该透平设计流量要求,优化流道式导叶的外径,并依据数值模拟与性能预测的结果,设计出符合要求且性能较优的多级能量回收水力透平的导叶.导叶优化后的多级能量回收水力透平模型的最高计算效率提高了1.1%,平均效率提高了3.4%.     

导叶叶片数对气液混输泵性能的影响

以自主研制的第三代YQH-100气液混输泵为研究对象,利用Fluent流场模拟软件进行数值模拟.通过对叶片式气液混输泵不同导叶叶片数及不同含气率时的流场进行数值模拟,得出混输泵叶轮、导叶压力场及速度分布,进而得到不同工况下整机效率及相对扬程曲线.经分析在不同含气率下,各导叶叶片数的效率及相对扬程均随着含气率的增大而降低;在相同含气率下,导叶叶片数为13时整机效率明显高于其他2种情况的整机效率,相对扬程也是在导叶叶片数为13时最大,且9叶片数情况要稍好于15叶片数情况.由此表明选用导叶叶片数为13时可以提高气液混输泵的整机性能.     

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.     

小粒径固液两相流在螺旋离心泵内运动的数值分析

针对螺旋离心泵内固液两相流动比较复杂的情况,以黄河含沙水为工作介质,采用改变沙粒粒径和含沙水体积分数的方法,对小粒径颗粒在螺旋离心泵内的流动进行了数值模拟.通过内流场的速度、压力与颗粒分布,分析了粒径大小对泵内固体颗粒运动的影响和进口固相初始体积分数对泵内压力和固相分布的影响,得出压力沿叶轮工作面和背面的分布规律以及固相体积分数沿叶轮轴面、叶片背面和工作面的分布规律,并在此基础上给出了螺旋离心泵内的磨损特性.     

叶轮流道扩散度对超低比转速离心泵性能的影响

以超低比转速离心泵水力模型M23-12.5为研究对象,借助流体动力计算的数值模拟方法,采用RNGk-ε湍流模型封闭时均N-S方程组,在保证叶轮叶片数不变的前提下,通过改变影响叶轮流道扩散度的两个重要因素,即叶片包角和叶片出口排挤系数,来比较分析不同叶轮流道扩散度对超低比转速离心泵外特性参数和内部流场分布的影响.研究结果表明,叶片包角的增大和叶片出口排挤系数减小(叶片厚度变大)都会减小叶轮流道的扩散度,从而减小离心泵的轴功率,提高效率.过大的叶片包角会增大液体与叶片的接触面积,进而增大摩擦损失,使得轴功率增大,效率降低.该结论将为超低比转速离心泵的设计提供参考.