引射吸水室离心泵的数值模拟与实验

为了提高离心泵的汽蚀性能,基于喷射原理,以IS100-80-160离心泵为研究对象,通过设计不同喷射管数及引流管径的引射吸水室,采用RNG k-ε湍流模型对离心泵内部流场进行数值模拟。为了验证数值计算结果的准确性,通过离心泵闭式性能实验台对带有不同引射吸水室结构的模型泵进行性能实验。研究结果表明:随着喷射管数的增多,泵汽蚀余量先减小后增大,扬程和效率略有下降,当8个喷射管均布时,引射吸水室的增压效果最好,泵汽蚀性能改善效果显著;随着引流管径的增大,泵汽蚀余量先减小后增大,当引流管径为17 mm时泵汽蚀余量最小,扬程和效率与引流管径成反向变化趋势;实验结果与数值计算结果具有较好的一致性,泵汽蚀余量的最大差值为0.19 m。     

等螺距诱导轮的螺距变化对离心泵汽蚀性能的影响

为了研究等螺距诱导轮的螺距变化对离心泵扬程、效率及汽蚀性能的影响,基于连续性方程、雷诺时均N-S方程和RNGk-ε湍流模型,对一多级离心泵在设计工况下进行数值模拟.选择螺距为44.2、33.2、30.0、24.9mm四种诱导轮方案,分别进行数值模拟,得出螺距对诱导轮扬程、效率及泵外特性和汽蚀性能的影响规律及原因.结果表明:减小诱导轮螺距可以降低诱导轮和泵的扬程,但当螺距过小时,其沿程及入口冲击等流动损失大幅增加,导致诱导轮不产生扬程而仅仅成为阻力部件.增大螺距,诱导轮扬程增大,而过高诱导轮扬程会降低泵的效率.另外,在一定范围内增大诱导轮螺距,可降低泵的必需汽蚀余量,提高泵的抗汽蚀性能;44.2、33.2、30.0mm螺距诱导轮泵的必需汽蚀余量分别为0.87、1.05、1.33.与30.0mm螺距诱导轮方案相比,螺距增大10.7%,泵必需汽蚀余量降低21%;螺距增大47.3%,泵必需汽蚀余量降低35.6%.在一定范围内,减小螺距,可提高诱导轮自身的抗汽蚀性能.     

渐缩式直锥形吸水室锥角对离心泵性能的影响

以立式离心泵渐缩式直锥形吸水室为研究对象,采用数值模拟方法,应用FLUENT软件,基于N-S方程,采用重整化k-ε模型、SIMPLE算法和MRF模型对设计工况下的9组离心泵模型进行了仿真分析,预测了泵的性能,研究了渐缩式直锥形吸水室内部的流动状况及其锥角对泵性能的影响.结果表明,靠近吸水室内壁面区域和靠近叶轮进口区域流场较紊乱且随吸水室锥角变大逐步加剧;吸水室中心线附近区域沿水流方向流速变化率不大,靠近内壁面区域沿水流方向流速变化率较大且随吸水室锥角变大流速变化率逐渐增加;泵的轴功率随着吸水室锥角的增大而变大,扬程和效率随着吸水室锥角的变大略有下降.通过仿真可以为直锥形吸水室的设计提供一定的理论参考.     

基于正交试验的离心泵空化性能优化设计

针对当前离心泵在使用过程中抗空化性能差的问题,在现有IH80-50-250型化工离心泵的基础上,建立以泵汽蚀余量为目标函数的优化数学模型,采用正交试验对离心泵进行优化设计。基于L_(16)(4~5)正交表,选取叶轮进口直径、叶轮出口直径、叶片进口安放角、叶片出口安放角和叶片包角5个参数制定出16组正交试验方案。使用计算流体动力学技术对16组离心泵模型进行流场模拟,采用极差分析得到各参数对优化指标的影响顺序,并获得一组最优方案。采用Pump Linx软件模拟得到原型泵与优化泵在不同工况下的泵汽蚀余量以及在额定转速下离心泵的蒸汽质量分数,对比结果表明,优化泵的泵汽蚀余量和蒸汽质量分数分别降低了28.87%和21.02%,提高了离心泵的抗空化能力,验证了正交试验方法的可行性和准确性,为离心泵的优化设计提供了参考。     

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.     

离心泵吸水室内气液两相流动试验及数值模拟

为了研究离心泵输送气液两相介质时吸水室内的流动规律,对透明模型离心泵进行了试验研究;同时基于Eulerian Eulerian非均相流模型,对离心泵内气液两相流动进行了数值模拟,采用试验验证过的数值计算模型分析了吸水室内的两相流动,揭示了吸水室内流型的变化规律,建立了流型与泵外特性之间的关系。研究结果表明：吸水室内最多可能出现8种流型,但在某一转速下,最多只会出现6种流型;气体螺旋长度随液体流量的增大而减短,随转速的增大而增长;螺旋流的出现极大地增大了吸水室内的湍流强度,降低了泵的稳定性;吸水室内流型为稳态螺旋泡状流时,泵的扬程较大,离心泵效率最高时,吸水室内流型为稳态非螺旋泡状流或脉动非螺旋泡状流。     

变螺距诱导轮出口角对氢泵流场及性能的影响

为了研究变螺距诱导轮出口角对氢泵流场及性能的影响,以某型液体火箭发动机带变螺距诱导轮的氢泵作为研究对象,选取3种诱导轮出口角（轮缘）,分别为12°、14°和16°,采用数值仿真的方法分析了不同诱导轮出口角对氢泵流场分布、水力性能和汽蚀性能的影响,并且进行试验验证。结果表明：适当增大诱导轮出口角,可以改善诱导轮出口的流场分布;在一定范围内增大诱导轮出口角,氢泵不同流量点的扬程和总效率都会获得提升,但是继续增大出口角到16°时,氢泵扬程提升效果减弱,且总效率有所下降;随着诱导轮出口角增大,氢泵的汽蚀性能先提升后降低。     

进水均匀性对大型轴流泵装置空化特性的影响

针对肘形进水流道对大型轴流泵装置空化特性的影响,从进口速度三角形理论出发,推导泵汽蚀余量与进口速度均匀性之间的关系.采用CFD技术对大型轴流泵外特性曲线进行模拟,与试验结果进行比较,结果表明:在设计工况下,扬程误差为3.58%,效率误差为3.31%.并对泵装置性能和空化特性进行预测,受肘形进水流态的影响泵装置进口速度均匀度变差,致使其扬程下降了7.83%,汽蚀余量增大了12.04%;通过比较进口速度均匀性,发现在叶轮进口截面处进口来流并没有垂直均匀地进入叶轮内部,而是与轴向流线成一定角度,且泵装置空化时来流速度加权平均角θ最大;将θ带入推导公式,发现泵装置的汽蚀余量误差能得到减小,且小于5%,达到工程应用要求.     

泥沙颗粒直径及体积分数对高比转速离心泵的影响

基于小粒径固液两相流在高比转速离心泵内运动比较复杂的情况,以黄河含沙水为工作介质,采用改变颗粒直径和含沙水颗粒体积分数的方法,借助Mixture多相流模型扩展的标准k-ε湍流方程与simple算法,应用CFD软件对小粒径颗粒在高比转速离心泵内的流动进行数值模拟.通过内流场的速度、压力与颗粒分布,分析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,给出离心式泵叶轮的磨损特性.计算结果表明,相同的泥沙体积分数条件下,水泵的扬程随着颗粒直径的增大而下降,相同的泥沙颗粒直径条件下,水泵的扬程随着含沙水流中泥沙体积分数的增大而下降.     

航空燃油转输引射泵工作特性数值研究

为了能快速得到航空燃油转输引射泵的性能表现,采用CFD方法对某航空燃油转输引射泵进行了流动建模与流场分析。首先通过与邵垒等所做实验对比,验证了所用数值方法的有效性与精度;接着以数值方法为基础,深入分析了引射泵在不同操作压力比以及结构参数(面积比与喉嘴距系数)下的性能表现,得出了其对引射泵性能的影响规律。结果表明:操作压力比的不同会显著影响引射泵内部速度与压力的分布,对引射泵工作特性有重要影响;面积比的增大会在一定程度上提高引射泵的工作效率及引射能力;当喉嘴距系数等于1.4时引射泵效率最高,以最高效率下降3%为条件确定的最优喉嘴距系数范围为0.8~1.8。     

基于高维混合模型与遗传算法的离心泵叶片优化

提出了一种基于机器学习的高维混合模型用于离心泵的叶片优化方法.选用一台低比转速离心泵,以离心泵叶轮叶片为研究对象,通过对叶片型线拟合分离多变量参数,利用支持向量机的高维表示方法,结合计算流体动力学软件,经过对训练集的机器学习,构建了离心泵叶片型线优化的代理模型.依据遗传算法求解离心泵多变量代理模型,预测了离心泵效率最高点及在该点时的叶片型线几何参数.运用数值模拟和试验研究的方法验证了预测数据,结果表明:数值模拟性能曲线与试验结果大体相符;在设计工况点,经代理模型优化后的数值模拟效率值较原型泵提高了2.61%,扬程提升了0.82 m,试验效率值较原型泵提高了2.1%,扬程提升了0.75 m.     

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的船用离心泵口环磨损故障研究

为了研究发生口环磨损故障时船用泵的运行特性,以一台比转速为66.7的船用离心泵为研究对象,基于CFD研究了不同口环磨损情况下船用离心泵外特性、内部流场和叶轮表面径向力的变化规律.研究方案为前口环磨损(磨损量为f)、后口环磨损(磨损量为b)和前后口环同时磨损(磨损量为t)三种.结果表明:采用的数值模拟方法可靠;当口环磨损故障发生时,泵的扬程和效率均有所下降,磨损量f,b和t均为0.9mm时,泵扬程分别下降4.84%,1.07%和7.24%,效率分别下降11.74,6.51和16.25个百分点;前口环磨损对于泵性能的影响要大于后口环磨损,并且该模型泵对口环磨损量的敏感范围在0.0~0.6mm之间;三种方案的磨损量变化对泵内部静压影响顺序为t>f>b;口环磨损后,叶轮表面径向力减小,前后口环同时磨损时下降最大.研究结果可为船用离心泵故障监测及诊断提供依据.     

叶轮平衡孔直径对离心泵水力性能的影响

开平衡孔双密封环叶轮具有能平衡大部分轴向力的特性,至今仍广泛应用于离心泵中.在降速后的IS80-50-315型离心泵上,用平衡孔直径为0、6、8、10mm的同一个叶轮,对泵的性能、前后泵腔和平衡腔的液体压力进行了系统测试.试验结果表明,加大叶轮平衡孔直径,会使泵的扬程降低,输入功率增大,效率降低;前后泵腔液体压力在相同半径处随着叶轮平衡孔直径的增大而减少,且后泵腔液体压力平均值较前泵腔液体压力高;在后密封环径向间隙不变时,随着叶轮平衡孔直径的增大,平衡腔液体压力无因次曲线变得平坦,从控制平衡腔液体压力及轴向力角度,后密封环径向间隙断面面积与叶轮平衡孔总面积存在最佳比值.     

浮动叶轮轴向位移量对泵水力性能的影响

为了研究浮动叶轮轴向位移量对泵性能和叶轮轴向力的影响规律,将IS80-50-315型离心泵的叶轮向后泵腔方向轴向移动0、2、4、6、8mm,进行泵的性能和平衡腔内液体压力的测试.试验表明,在不同工况下,随着叶轮轴向位移的增大,泵的扬程、效率是降低的,轴功率是增大的;在设计工况下,泵的扬程和效率在轴向位移为4 mm较0mm分别降低了1.19%和1.84%,当轴向位移大于4mm时,随着叶轮轴向位移的再增大,泵的扬程、效率有所回升.试验结果验证了浮动叶轮轴向位移能调节平衡腔液体压力,改变泵轴向力特性.     

气液分离室结构对自吸泵水力性能的影响

自吸泵是一种应用广泛的特殊离心泵,其水力性能相比同比转速下的离心泵较低,本文通过改变自吸泵气液分离室两侧的形状来提高其水力性能.基于CFD软件Fluent,采用k-ε湍流模型,对改型设计前后的外混式自吸泵进行了全流场数值模拟.模拟结果表明:经过改型设计,泵的扬程和效率均得到提高;泵腔内的流线平稳整齐,流场得到改善,液体介质流动阻力减小;泵腔内液体介质流动湍动能耗散率减小,紊乱程度降低,能量损耗减少.     

不同径向间隙对双蜗壳泵径向力影响的数值模拟

通过改变蜗壳基圆直径改变叶轮与隔舌之间的间隙,采用CFD软件Fluent对5种蜗壳基圆直径的双蜗壳离心泵作全流场计算.计算采用雷诺时均方程和RNGk-ε湍流模型,压力和速度耦合采用SIMPLEC算法.通过离心泵径向力的数学计算模型获得不同基圆直径离心泵叶轮所受的径向力大小,并对其进行比较分析.结果表明:相比于单蜗壳泵,双蜗壳结构泵能有效地减小径向力,在设计点运行时径向力最小且不为0,偏离设计工况下径向力逐渐增大,但不同工况下径向力的变化不大,验证了双蜗壳能有效地平衡径向力;不同基圆直径工况下,随着基圆直径的增大,叶轮所受的径向力大小先减小后增大,说明适当增大蜗壳基圆直径能减小作用在叶轮上的径向力,起到降低振动和噪音的作用,并使效率有所提高.同时针对蜗壳基圆直径为397mm的泵进行性能试验,与数值模拟结果对比分析表明数值模拟的方法可行.     

离心泵内部流场的三维空化湍流的数值计算

采用Singhal等人发展的一种三维混合流体完整空化湍流模型,基于RNG的k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对离心泵内部的全流道三维空化流动进行定常和非定常数值模拟.根据空化流动模拟计算的结果,得到定常和非定常情况下空化余量和扬程的曲线,与实验结果进行对比,说明计算结果能够真实反映离心泵内部空化流动的性能.进而有效地预测叶轮内部流道空化发生的部位和空化流动的发展情况,分析空化余量的降低对离心泵空化性能的影响.研究结果表明,所采用的空化模型和数值计算方法能够用于离心泵在设计工况下的空化性能的计算.     

离心泵发生气蚀的原因及对策

离心泵在检修时，经常发现在叶片入口边靠近前盖板处和叶片入口边缘附近有许多麻点和蜂窝状凹坑或严重地破坏原有结构，甚至有的叶片和盖板被穿透的现象。这就是由于汽蚀所引起的破坏，汽蚀现象产生时，泵将产生噪音和振动，使泵的扬程、流量、效率的性能急剧下降，同时加速了材料的损坏，缩短了机件的使用寿命，因此，必须提高泵的抗汽蚀现象。本文分析了离心泵汽蚀现象产生的原因，从离心泵发生汽蚀原因中找出抗汽蚀性能的方法。     

离心泵气液两相流数值模拟与可视化试验

为了研究离心泵输送气液两相介质时的内部流动规律,采用FLUENT软件对其内部流动进行了数值模拟,同时采用高速摄像机及普通相机对泵内气液两相流动进行了拍摄分析。研究了叶轮、蜗壳以及吸水管内的气液两相流动,分析了进口气相体积分率对泵内部流动与外特性的影响,揭示了离心泵内气相分布随进口气相体积分率的变化规律。研究结果表明:随着进口气相体积分率的增加,吸水管内的流型从塞状流变为分层流,叶轮内气泡从相对均匀分布到积聚成团最后堵塞流道。随着进口气相体积分率的增加、小流量工况(5、7 m~3/h)下,泵的流量不断减小,扬程急剧下降;在大流量工况(10、12、15 m~3/h)下,泵的流量先增大后减小,扬程缓慢减小。在半径为0.6倍叶轮半径附近,气相体积分率和气泡直径达到最大值。气泡直径随着进口气相体积分率的增加而增大,随着转速的增大而减小。研究结果对气液两相流泵的优化设计及高效运行具有参考价值。