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.     

低比转数离心泵叶轮内部流动的测量

设计了一副5叶片的低比转数离心泵叶轮,并应用二维粒子图像速度仪(P IV)成功地测试了转速1250 r.m in-1下5个不同工况以及相同流量、转速分别为1 000,750 r.m in-1工况下叶轮内的瞬时流场.测试结果充分揭示了叶轮内相对速度矢量场的特征及其分布规律.结果表明:离心泵叶轮通道内液体受曲率、旋转产生的离心力和科里奥力作用,相对速度由叶片进口吸力面高、压力面低滑移为出口压力面高、吸力面低,叶轮内部的流动呈现非对称、非均匀特点;相同流量不同转速下叶轮内部流场的规律基本相似,但流动偏转角(Δβ)随转速增大而增大.     

涡带工况下轴流泵装置内部脉动特性数值分析

为研究涡带工况时立式轴流泵装置内部流场压力脉动情况,开展了立式轴流泵装置非定常数值模拟,通过设置监测点,获得了不同位置的压力脉动结果,并进行了频谱分析.通过物理模型试验及PIV流场测试技术验证了数值计算结果的有效性,重点分析了叶轮进口及箱涵式进水流道底部的压力脉动特性.研究结果表明,涡带工况时叶轮进口的脉动主频已不再受轴频控制.不同工况时叶轮进口的相同监测点的脉动主频存在差异性.大流量工况时叶轮进口的脉动相对幅值较大,且涡带诱发的脉动主频与轴频相同.各工况时箱涵式进水流道底部水力脉动均为低频涡带脉动.在大流量工况时,箱涵式进水流道底部的脉动压力主频与轴频相同,次主频与叶频相同,扭矩变化主频与叶轮的轴频相同.     

不同叶顶间隙对轴流泵空化性能及流场的影响

通过对南水北调工程等比例缩放模型泵进行全流道数值分析和试验研究,对模型泵在3个典型流量工况下的空化计算进行适应性研究,探究叶轮区域的空化发展特性,并对不同叶顶间隙δ(0.5,1.5和3.0 mm)下的轴流泵空化特性进行对比分析,比较叶顶间隙大小对轴流泵空化性能和流场的影响.结果表明:随着空化数的降低,空化首先在叶片进口边间隙区附近发生,逐渐往叶片出口边扩大,同时沿径向往叶片背面扩大最终覆盖整个叶片,引起叶片出口靠近叶顶间隙10％区域的轴向速度逐渐降低;随着叶顶间隙的增大,模型泵的临界空化数增大,叶片轮缘处空化逐渐严重且由叶片前端往尾部移动,叶片出口轴向速度低速区主要集中在靠近间隙10％区域处,揭示了这一过程不同叶顶间隙轴流泵内部空化特性.     

3叶片离心泵内流场的PIV测量

采用加大设计流量的方法设计了一副3叶片低比转数离心泵叶轮,利用2DP IV系统测量设计转速时4种不同流量工况下同一叶槽内的流场,获得了叶槽内的瞬时流场图,进一步处理得到流场的速度矢量图和等值线图.测试结果表明,叶槽内部的流动呈非对称状态,在进口部位压力面存在局部低速区,可能产生回流.此项研究为改进叶轮设计方法提供了依据.     

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.     

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.     

叶顶间隙几何不确定性对离心叶轮气动性能的影响

为了揭示受叶顶间隙几何不确定性影响的离心叶轮气动性能和内部流场变化规律,采用非嵌入式多项式混沌(NIPC)法并结合计算流体力学方法,以Krain离心叶轮为例,研究了叶顶间隙服从高斯分布时的叶轮效率、压比性能统计变化规律,并从叶轮出口流动不均匀性、相对马赫数分布、载荷分布等角度探究其物理机制。结果表明:不同流量工况下,Krain叶轮效率和压比的不确定带大小相当;小流量工况下,叶轮出口流动对叶顶间隙几何不确定性的敏感度较强;大流量工况下,叶轮进口及吸力面附近流动对叶顶间隙几何不确定性的敏感程度较强。研究结果有利于深刻认识叶顶间隙几何不确定性对离心叶轮气动性能和内部流场的影响,同时为深入开展流体机械不确定性流动分析研究提供了一定的理论指导。     

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.     

迷宫密封泄漏对小流量离心叶轮气动性能影响的研究

在考虑密封泄漏损失的情况下,对小流量二氧化碳离心叶轮进行了三维黏性计算流体动力学分析,对比了考虑密封泄漏前后的计算结果.在设计工况下,叶轮等熵效率下降了8.1%,表明对小流量离心压缩机性能及主流流动结构进行准确的数值预测,必须考虑密封泄漏.为了揭示密封泄漏对离心叶轮性能的影响,通过改变迷宫密封的间隙得到了不同的密封结构,并在设计工况、小流量工况和大流量工况下分别进行了数值分析.结果表明,在一定流量工况下,随着密封间隙的增大,密封泄漏损失系数近似线性增大,离心叶轮等熵效率随之近似线性地下降.     

密度分层流中的浮射流模拟

以垂向密度变化的环境流体为背景,采用k ε紊流模型,建立了垂向二维浮射流的数值模型.模型的求解采用有限体积法和SIMPLE算法.针对密度分层流中的浮射流实验,对垂向密度呈线性变化的垂直浮力射流进行了数值模拟,得到射流的密度场、射流轨迹、稀释度和射流宽度等的分布规律.通过数值模拟和实验结果的对比分析表明,两者吻合较好,所建立的垂向二维浮射流紊流模型能够比较精确的模拟分层环境中浮射流的水流状况和射流进入环境流体的混合状况.     

轴向流吸附器内部流场特性

以轴向流吸附器内部流场为研究对象,采用CFD软件对其内部气体流动特性进行数值模拟.比较轴向流吸附器内无气体分布器、仅加装单一多孔板气体分布器、加装多孔板气体分布器与单级挡板相结合等3种方式对吸附器内部流场均匀分布的影响.未加装气体分布器的轴向流吸附器内部气流分布严重不均;仅加装单一多孔板气体分布器的轴向流吸附器内部流场的气体流动稍有改善,但气流分布仍不均匀;加装多孔板气体分布器与单级挡板相结合的方式,吸附器内部流场的气体流动得到明显改善.多孔板气体分布器与单级挡板组合使用时,保持气体分布器开孔率不变,开孔孔径为0.003 m时气流分布最为均匀,效果最好;保持开孔孔径不变,气体分布器的开孔率为0.388时气流分布最为均匀.     

大系统中物质流、能量流与信息流的基本特征

把大系统中物质、能量和信息的流动综合起来考虑,引入势和阻的概念来分析大系统中物质流、能量流和信息流在流动过程中的基本特征,并从协同学和熵的角度给出了物质流、能量流和信息流子系统的协同结构,使各个子系统相互协调、配合、制约、促进,从而形成3个子系统在时间尺度和空间尺度上的有序结构,最终使得由其组成的大系统达到全局最优,对大系统的综合优化、节能减排、降低物流成本、提高用能效率有指导意义.     

油水气三相流的流型及泡状流向弹状流的转变

油水气多相混输是海上油气田开发中赖以取得重大经济效益的技术,其流动特性的准确计算是管线设计及安全、经济运行的重要依据.首先,通过实验确定出了油水两相混合物由油包水(W/O)向水包油型(O/W)的转变发生在含水率约为0.45时.垂直下降管内油水气三相流的流型基本上可以划分为油包水和水包油型的泡状流、弹状流及环状流.通过对垂直下降管内气泡碰撞、合并机理的分析建立了油水气三相流动过程中泡状流与弹状流间的转变界限的计算式,该转变发生的临界截面含气率约为0.35,计算结果与实验值的平均误差为11%.泡状流向弹状流的转变主要取决于折算气速和折算液速的大小,含水率对转变界限的影响较弱.     

分隔板结构对挤出流动影响的数值分析

采用有限元数值分析方法,分析了分隔板结构对挤出流动平衡性的影响,指出其调节流动均匀性的效果是非常明显的,对于型材截面上相邻区域壁厚相差悬殊的情况,采用分隔板结构是减小横向流动、提高挤出流动均匀性的最有效措施之一.针对分隔板有限元建模困难问题,提出了用边界约束条件替代模具结构几何特征的方法,其分析结果和采用真实分隔板结构时的分析结果基本一致,说明所采用的处理方法是合理的、有效的,能够大大降低有限元建模的困难性,提高分析效率和速度.     

物质流、能量流与信息流协同的探讨及应用

根据反映生产设备与环节特性的数学模型及能量与生产管理信息系统，对物质流、能量流与信息流的协同进行了探讨，并针对一个一般的工业企业建立了其数学模型。通过实际系统与仿真系统结合形成闭环的信息结构，在每个时间周期根据该时刻的信息流（已知的与预测的）对物质流、能量流进行最优协调，该方法能有助于企业合理使用能量与最优安排生产。     

两相流振荡流动特性的可视化实验研究

为了解决活塞内冷油腔中气液两相流的振荡传热问题,设计并搭建了由柴油机改装的往复振荡实验装置,利用高速摄像技术对内冷油腔实验件中气液两相流的振荡流动过程进行了可视化观测实验,分析在不同转速和液体填充率下实验件中气液两相流在起振阶段和充分振荡阶段的振荡流动形态。结果表明：在起振阶段,气液两相的分界面明显,没有强烈的湍流混合运动,在充分振荡阶段,液体的运动规律及流动形态呈周期性变化;转速主要影响气液两相流的湍流强度,填充率主要影响气液两相流的流动形态。研究结果揭示了内冷油腔中气液两相流的振荡流动规律,可为高强化活塞的结构优化设计提供参考。     

Stability of stratified flow and slugging in horizontal gas-liquid flow

A transient one-dimensional two-fluid model is proposed to investigate numerically the interfacial instability and the onset of slugging for liquid-gas flow in a horizontal duct. In the present model, the effects of surface tension and transverse variations in dynamic pressure are taken into account. The evolution of interfacial disturbances is displayed and compared with the linear viscous Kelvin-Helmholtz stability analyses. It shows that interfacial wave is more instable due to the non-linear effect. The model predicts well the stability limit of stratified flow in comparison with the experimental data, and also automatically tracks the onset of slugging. The results show that the initiation of hydrodynamic slugging is related to local interfacial instability. Based on the cycle of slugging, a model for slug frequency is presented, which predicts the trends of slug frequencies with gas/liquid flow rate well in comparison with the available data. The effects of physical properties on slugging have been examined. It is found that with the increase in the gas viscosity and liquid density the slugging would be inhibited, whereas, with the increase in liquid viscosity and gas density, the slugging can be promoted.     

基于浆体的泥石流容重计算

给出了一种运用于无观测资料的泥石流沟的泥石流容重计算方法。推导的理论公式表明由泥石流的浆体容重和细颗粒含量可以计算泥石流容重,而泥石流浆体的上限粒径决定了浆体容重和细颗粒含量的取值;提出以泥石流沟边壁、岩壁的固体黏结物的最大粒径作为上限粒径,还提出了浆体容重和细颗粒含量的确定方法,其中浆体容重值主要根据浆体的屈服应力一致性得到。实例计算表明该方法与现在流行的计算方法有较好的吻合。     

木材采运系统物质流与能量流模式的分析

在木材采运系统中,物质流可分为木质流、生物质流、养分流、土壤流和水分流,能量流推动物质流的流动和转换。用输入、排放、输出3股物质流组成的木质流图,反映出木材采运系统各工序内部和工序之间的物质流动,可分析系统的立木资源效率和环境负荷。采用输入、输出、加入、损失、回收他用5股能量流组成的能量流图,反映出系统各工序内部和工序之间的能量流动,可用于分析单位能耗和能量效率。对原木采集生产过程进行分析,得出采集系统中各物质流之间的相互关系以及物质流与能量流的耦合关系。