高速摩托艇喷水推进器性能分析及其改进

为改进某高速摩托艇喷水推进器推进性能,运用计算流体力学方法通过求解雷诺时均的控制方程,计算喷水推进泵和“喷水推进泵+进水流道+格栅+船体”的流场特性.利用CFX软件进行后处理,分析喷水推进泵和“喷水推进泵+流道+格栅+船体”的流场特性,针对其流道内存在涡流及推进效率偏低现象,提出对流道几何进行优化的处理方案.通过对进水流道进行优化设计,喷水推进效率提高6％.     

速度环量对大型轴流泵站水力性能的影响

为了研究大型轴流泵装置内部由空化引起的有旋流动对机组水力性能的影响,基于SST(shear-stress transport)k-ω湍流模型,应用Rayleigh-Plesset模型对泵站内部空化进行描述,并用速度环量分别对非空化和空化2种状态的有旋流动进行计算,结合模型泵试验研究等方法对泵内有旋流动进行分析。比较2种工作状态下流体流动偏移角(γ),研究速度环量对水力性能影响的规律。研究结果表明:在设计工况下,扬程相对误差为3.58%,效率相对误差为3.31%,验证了湍流模型的适用性,并得到泵站装置临界空化压力(Pc)和断裂空化压力(Pf);在设计工况下,空化会增大流体流动偏移角,增大速度环量,增加内部流道水力损失;在偏离设计工况下,会增大流体流动偏移角(γ)。其中,在小流量系数条件下较大,此时空化进一步增大流动偏移角(γ),并增加由此引起的速度环量变化量以及进出口流道内部损失,使大型轴流泵站性能下降。     

竖井型线演变及对泵装置水力性能的影响分析

为研究系列竖井型线的演变规律及其对贯流泵装置内流机理及运行稳定性的影响,在归纳分析竖井型线演变的基础上采用一维水力设计方法设计了4种型体的竖井流道.基于ANSYS CFX对4种不同竖井型体的贯流泵装置进行了三维湍流场的数值计算,定量分析了4种竖井流道的水力性能.引入无因次动量参数分析法对比分析了各竖井流道对泵装置运行稳定性的影响,流量系数K Q在0.317—0.634范围内各方案的泵装置动量参数均随流量系数增大而减小,4种竖井流道对泵装置运行稳定性的影响差异性很小.提出了泵装置多工况性能加权评价指标(M.P.I)定量分析了不同竖井流道对多工况运行时泵装置综合水力性能的影响,该方法可用于不同泵装置水力性能的分析及泵装置方案的优选.为验证数值计算的准确性和可靠性,对泵装置进行了物理模型试验,对比分析结果表明,数值计算的结果是可信的.     

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.     

一种双吸式血液泵水力设计

为了更好地满足体外循环装置和人工心脏的运行要求,该文采用RANS方法和SSTk-ω湍流模型对一种双吸式血液泵进行了三维定常湍流计算;在详细分析血液泵内部流动特征的基础上,对泵的水力部件如叶轮及压水室进行了设计优化,并探讨了各种设计对血液泵主要运行参数的影响。结果表明:压水室隔舌附近的流道容易出现较大的局部壁面剪切应力,是泵内血细胞容易受到损伤的危险区域;适当增大压水室断面面积有利于提高泵的水力效率;选择较大的叶片出口安放角时血液泵可获得较高的扬程,但采用径向叶片叶轮(出口叶片安放角为90°)时须设法控制流动扩散及其对泵性能的影响;所设计叶轮的平均壁面剪切应力为20～26 Pa,小于损伤血细胞的临界值。     

转速对贯流泵装置流道水力参数影响的数值分析

为了研究贯流泵装置进出水流道水力性能受转速的影响规律,以贯流泵装置为研究对象进行全流道的数值计算,通过将能量性能数值预测结果与物理模型试验结果对比,验证了数值模拟结果的有效性。在考虑水泵与进出水流道内流相互影响条件下定量分析转速对进出水流道水力性能参数的影响规律。结果表明:(a)不同转速时进水流道水力损失比与流量系数的关系曲线变化趋势基本相同。相同转速时,随着流量系数的增大,进水流道水力效率逐渐减小,流道出口环量先减小、后增大;相同流量系数时,进水流道出口面的平均环量随转速的增加而增加。(b)不同转速时,随着流量系数的增大,出水流道进口入流涡角相对值先减小、后增大。在相同流量系数时,随着转速的增加,出水流道的静圧比逐渐增加,出水流道进口面的偏流角分布基本相同。     

叶轮出口宽度对离心泵性能及压力脉动的影响

以某型单级单吸离心泵为研究对象,在保证叶轮的进出口安装角、进出口直径等参数不变的情况下,分别设计了五组不同出口宽度的叶轮,依次对各模型进行数值模拟,分析叶轮出口宽度对低比转速离心泵的性能及压力脉动的影响.研究结果表明:随着叶轮出口宽度的增大,扬程、轴功率均有不同程度的上升,效率曲线呈驼峰状,说明叶轮出口存在一个最佳宽度使流动损失最小;增大叶轮出口宽度,流道内脱流现象增强,流道内的堵塞现象减弱,水力损失降低,说明合适的叶轮出口宽度对于减少离心泵能量损失是有效果的;随着叶轮出口宽度的递减,轴频峰值变化明显,呈递增趋势,这表明叶轮出口宽度过窄容易导致流道堵塞,阻碍流态的发展,同时,叶轮出口宽度对离心泵内的压力脉动也具有较大的影响.     

泵站快速闸门上小拍门的水力损失特性分析

为研究泵站快速闸门上小拍门的水力损失特性,设计制作模型水泵装置,根据能量相减法,分析4种拍门孔口面积占比和5种开度角方案下拍门的水力损失特性.结果表明,拍门开度角和孔口面积与水力损失系数曲线呈非线性单调变化,水力损失系数随开度角和孔口面积的减小而增大,而流道出口Froude数对其影响较小;拍门开度角小于35°,孔口面积比小于25%时,水力损失系数急增;根据BP神经网络计算得到的水力损失系数的权重系数矩阵和阈值,可预测任意开度角和孔口面积比下的水力损失系数.     

叶栅反推器出口安装角、压比对反推性能的影响

航空发动机叶栅反推器叶型参数与反推效率、流量系数之间的规律对于反推装置的设计具有重要意义。本文建立了外涵叶栅反推器的轴对称计算模型,给出了内涵计算域的有效处理方法,利用数值模拟手段研究了叶片出口安装角、外涵入口压比的变化对反推效率、流量系数等的影响规律,并将计算结果与可能得到的试验结果的数据点进行了比较。结果表明,计算结果与实验结果吻合;出口安装角在30?50?这个范围内时,随着出口安装角的增大,反推效率明显上升,继续增大出口安装角至60?,反推效率变化趋于平缓,甚至有所下降,在50?时反推效率达到最大值;随着出口安装角的增大,流量系数基本不变,超过某一临界值后急剧下降。对40?50?这些中等大小的叶片出口安装角,压比对反推效率的影响不大,叶片出口安装角超出该范围,压比对反推效率的影响较大;当出口安装角较小时,随压比增大,流量系数缓慢增大,当出口安装角较大时,流量系数随压比变化不大。     

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。     

矩形潮流能水轮机性能研究

为了有效地利用潮流能,设计了一种适合于中低流速、容易实现大型化的新型潮流能发电转换装置——矩形潮流能水轮机.基于矩形水轮机的设计,采用数值模拟的方法,分析了密实度、叶片安装摆角、流速等参数对水轮机性能的影响,并对叶片间流场扰动进行了研究.结果表明:叶片数(密实度)和叶片安装方式对矩形水轮机的获能特性和推力特性产生较大影响,通过调节叶片数和安装摆角可以改善水轮机的能量利用效率;来流是影响矩形水轮机工作性能的外在因素,在叶片数和安装摆角确定的情况下,来流不仅可以改变矩形水轮机的工作速比区间,而且还直接影响着矩形水轮机的功率、推力特性;叶片在迎流面和背流面体现出不同的水动力特性,叶片在背流侧的能量捕获能力明显低于在迎流侧的,迎流侧叶片对流场的扰动是一种负面效应.     

大型泵站虹吸式出水流道三维紊流数值计算

利用RNGκε湍流模型,闭合定常不可压雷诺时均NS方程,采用有限体积法和非结构化网格,数值模拟了设计工况下某大型泵站虹吸式出水流道的内部三维流动,并分析了流道内部流态,对驼峰断面和出口断面的速度分布特性进行了定量计算.结果表明:流道的水力损失和阻力系数分别为0.204m和3.188×10-3,驼峰断面和出口断面的速度分布均匀度分别为73.9%和65.4%,实现了流道水力特性的预测,为虹吸式出水流道水力设计优化和模型试验研究提供了参考依据.     

基于CFD流动分析的泵站肘形进水流道水力特性研究

肘形进水流道是在大型泵站中最常用的流道形式,它与喇叭管进水流道相比具有水力损失小和宽度较小的优点．本文基于质量加权平均的流速均匀度优化目标函数和重整化群湍流模型,应用SIMPLEC算法,计算了泵站肘形进水流道内定常流动．基于FLUENT软件的CFD（computatical fluid dynamics）流动计算,获得了肘形进水流道内部三维流动规律：其内部水流为逐步收缩的运动,分为水平收缩段、肘形弯管段和垂直调整段3个阶段．通过分析肘形流道各个断面的轴向流速分布,提出了新的叶轮名义高度的取值范围,并给出了流道主要控制参数的取值范围．计算流场与实验结果进行了比较,两者较为吻合,这表明采用计算模型和方法是可靠的．提出了新的优化设计思路,即先按照控制主要参数尺寸进行流道轮廓线进行设计,然后设计进水流道的各过渡断面,按照各断面平均流速光滑变化进行控制,最后通过CFD技术进行流场细节分析和水力优化．这将大大减少水力优化设计的工作量和难度．     

低扬程水泵装置水力特性参数换算研究综述

通过对低扬程泵装置水力特性参数换算方法及性能预测的机理进行理论分析研究,建立低扬程泵装置水力特性参数换算方法及性能预测本构模型.根据泵内机械摩擦损失、水力摩擦损失、非设计工况“撞击损失”、泵内泄漏损失、不同结构型式进出水流道水力损失机理,建立各分部效率乘积形式的水泵总效率表达式;通过与各种损失性质相关的分部效率计算系数的换算实现泵分部效率及总效率的换算.用计算流体动力学从理论上计算出泵装置内各部分损失与流道型式、雷诺数、比转数、过流部件粗糙度之间的关系,为效率换算及性能预测提供依据.     

轴流铅铋泵的设计及其水力性能分析

为了研究铅铋合金泵合适的优化设计方案,基于叶片速度三角形和圆柱层无关性假设理论,设计了不同转速的轴流铅铋泵模型。利用Ansys CFX软件,构建了不同转速包含导叶的铅铋泵水力模型和无导叶的铅铋泵水力模型,通过SSTk-ω湍流模型模拟对比不同的转速以及有无导叶轮设计对轴流铅铋泵水力性能的影响。模拟结果表明:导叶轮是铅铋泵低流速设计的一个重要构件,可将转速为420r/min铅铋泵的叶轮出口冷却剂流速由4m/s降低到1.8m/s;泵内冷却剂和壁面间相对速度最高区域分布在叶片前缘泵壳侧,该流速会随泵轴转速的减小而降低;在低负荷条件下高转速铅铋泵比低转速铅铋泵拥有更好的流量扬程和效率性能,但是在0.8～1.2倍额定流量的高负荷工况条件下低转速铅铋泵比高转速铅铋泵拥有更高的效率和扬程性能。此项研究可为铅冷快堆的主泵设计优化提供一定的参考。     

太浦河泵站斜15°轴伸泵水力动态力分析

太浦河泵站选用的斜15°轴伸式轴流泵(以下简称斜15°轴伸泵)，为特低扬程、大流量的水泵.它具有叶轮直径大、水泵装置流态复杂、水泵轴承受力大等特点.为此，针对太浦河泵站斜15°轴伸泵，进行了水泵装置从吸入口至出口包括叶片、导叶、弯管段等在内的整体三维粘性流动分析，得到了流道内部不同工况下的流动特性如压力、速度分布规律及泵特性曲线，以及流道内部的旋涡分布和水力损失情况.同时进行了导叶和叶轮流动动静干涉引起的三维不稳定流动分析，得到了叶轮在不同工况下受到的轴向水推力及径向水推力在旋转过程中的变化规律，从而为轴承设计提供了比较准确的受力条件.该项研究对其他斜式泵的内部流态及受力分析也是一个很好的借鉴.     

虹吸式出水流道水力特性分析与试验验证

为了研究虹吸式出水流道水力特性,基于某立式轴流泵装置,采用数值模拟与模型试验相结合的方法,首先根据泵装置布置形式和初步设计尺寸,开发了虹吸式出水流道参数化设计软件,极大地缩短了设计周期.然后对4种虹吸式出水流道方案进行了全流道数值计算,并根据计算结果对虹吸式出水流道进行定量分析.最后将数值模拟结果与模型试验结果进行了对比.数值模拟结果表明,受叶轮旋转影响,虹吸出水流道上升段存在偏流现象;改变驼峰段断面尺寸对上、下游流态影响显著;下降段极易产生脱流和漩涡,改善下降段的不良流态可以显著降低出水流道的水力损失.对3种虹吸出水流道评价指标进行比较,指出了用轴向流速分布均匀度来评判虹吸出水流道的不足.模型试验结果表明,数值模拟与模型试验的外特性结果吻合较好,验证了数值模拟的可靠性;设计的带有虹吸式出水流道的立式泵装置最高效率为78.85%.研究结果可以为同类泵装置设计提供参考.     

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。     

不同出口角度扩压器的内部流动及离心压缩机级性能数值研究

以某多级离心压缩机首级为研究对象,运用数值模拟方法研究扩压器出口安装角对压缩机级性能的影响,得出不同出口安装角情况下压缩机单级的性能曲线,并分析扩压器内部流动特点和损失机理,通过压力恢复系数Cp对比不同流量下不同扩压器的扩压效果。结果表明,当扩压器出口安装角增大时,性能曲线向大流量区移动,最高效率和压比先升高后降低;不同出口角度下叶片扩压器的扩压效果由不同工况下的流动特性决定;在大流量下,不同出口角度下扩压器叶背形成分离区且旋涡位置不同;在小流量下,具有较大出口安装角的扩压器叶腹率先出现分离区。     

基于重整化群湍流模型的双向轴流泵出水结构研究

双向轴流泵装置是一种特殊的泵站形式．结合某泵站技术改造，运用三维湍流数值模拟技术对其出水结构进行研究．基于定常不可压流体的控制方程和重整化群湍流模型，应用SIMPLEC算法，数值模拟了X型双向流道泵装置三种出水结构方案内三维湍流流场．通过给出计算流速矢量分布图、流速等值线图，直观地显示了出水结构内水流流场情况．分析表明，设计控制参数不合理是导致出水结构内部流态较差的主要原因，不良流态引起水力损失增加．文中依据数值模拟结果，预测出水结构水力损失，并与实验进行了比较，表明通过采用重整化群湍流模型能较好地预测双向泵出水结构的水力性能．重整化群湍流模型在泵装置内特性数值模拟和外特性预测研究方面中有较好的推广价值．