基于CFD的离心泵关死点流动性能分析

 流体动力学数值计算（CFD）被广泛用于研究离心泵内部的流场和外特性预测,在设计工况下计算准确性较高,近年在流体机械领域的研究中占有重要位置。然而针对关死点工况离心泵流场的CFD 模拟,现有研究都是采用极小流量作为边界条件,难以得到水泵关死点的真实流动性能。本文采用完全零流量的边界条件,以常用的IS125 型管道离心水泵为例,借助于瞬态CFD 流场计算技术,进行关死点及其附近工况的非定常流场数值模拟和性能预测,并得到实测结果的验证。研究结果发现,在非设计工况尤其是关死点和小流量工况下,叶轮每个通道内具有不同的流场分布和过流能力,导致水泵性能参数出现较大的脉动现象。在关死点工况下,蜗壳隔舌所承受的流动冲击最为严重,靠近蜗壳上游的叶轮通道是排水状态,而靠近蜗壳下游的叶轮通道则是吸水状态。本文提出的关死点和小流量工况下离心泵流场计算方法能较为有效的预测该工况下泵的扬程和轴功率,得到的叶轮流道过流能力大小的结论,具有一定的学术和工程价值。     

运用三维动网格技术模拟计算离心泵的非定常流动

 运用三维动网格技术,对离心泵非定常流场进行数值模拟。使用Fluent流动软件的Profile文件定义叶轮计算域边界面的转向和转速,将所有计算域设在同一个惯性系中。采用弹簧光滑法、动态分层法及局部网格重构法3种方式实现计算域网格变形。在同样的计算模型、计算网格、初始条件、边界条件及软件设置条件下,将动网格与传统的滑移网格计算结果进行了对比。计算结果显示:在经历约5个叶轮旋转周期后,两种计算网格数值结果趋于一致,但动网格的迭代速度几乎是滑移网格迭代速度的3倍。原因是动网格计算仅在一个惯性系中进行,新旧网格节点的拓扑关系保证了良好的计算精度和时间上的连惯性;而滑移网格计算因多参考系之间的数据对接影响了时间上的连贯性、降低了迭代速度。研究表明采用动网格技术可实现水泵的三维非定常流场数值模拟,具有较强的通用性和广阔的应用前景。     

转速变化对离心泵性能影响的数值模拟

以1200S56型双吸离心泵为研究对象,通过Fluent软件,运用雷诺时均方程和RNGk-ε湍流模型,结合SIMPLEC算法,对其8个转速下的5组相似工况进行三维全流道数值模拟.由模拟结果分析相似工况点上泵内部流场的变化情况,发现在相似工况下泵内部流场高度相似,符合泵的相似理论.由数值模拟结果计算各工况的性能参数,得出数值模拟预测值相对于比例定律计算值的误差.结果显示,转速变化时,泵的效率下降很小,而扬程、功率的相对误差多数都在1％以内,说明比例定律能较好地反映泵的性能参数随转速的变化情况.     

离心泵启动过程的数值模拟

离心泵启动过程中,数值模拟方法需要给定叶轮转速随时间变化的经验公式,针对这些不足,从转矩平衡方程的角度出发,对ANSYS CFX软件进行二次开发.根据输入的驱动力矩曲线自动更新叶轮转速,建立包含离心泵和循环管路在内的三维封闭模型,并在此基础上对离心泵启动过程进行数值模拟.将计算结果与实验的特性曲线进行对比分析,二者在性能变化趋势上定性一致,证明此计算方法的有效性.     

离心泵转子系统临界转速的计算

依据Ｐｒｏｈｌ传递矩阵对离心泵系统进行了离散化,建立了传递矩阵的数学模型,并对"干"、"湿"两种状态下的转子临界转速进行计算,将计算结果与测试结果进行了对照,证明了计算方法的正确性．     

双蜗壳离心泵启动过程瞬态流动特性与隔板处压力脉动特性

为了研究双蜗壳离心泵在启动过程中蜗壳内部液体瞬态流动特性和隔板处的压力脉动特性,以一台比转速为90的双蜗壳离心泵作为研究对象,建立了一套循环管路系统,选用RNG k-ε湍流模型,应用ANSYS CFX软件对双蜗壳离心泵及循环管路系统进行了三维非定常数值计算,分析了启动过程中蜗壳内部流场演化规律和外特性变化趋势,并对隔板...     

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.     

叶轮型式对超低比转速高速离心泵性能的影响

为了分析不同叶轮型式对超低比转速高速离心泵性能的影响,对采用普通叶轮与复合叶轮离心泵内部流动进行数值模拟.计算基于连续方程和雷诺时均N-S方程,采用标准的k-ε湍流模型和SIMPLEC算法.模拟采用不同长短叶片的复合叶轮的超低比转速高速离心泵在设计工况下的全三维流场,得到短叶片径向和周向偏置位置的最佳组合.着重分析比较采用普通叶轮和复合叶轮两种离心泵模型方案在不同流量下叶轮内部的速度场和压力场,得到其内部流动的主要特征.研究结果表明,在其他过流部件相同的条件下,采用长短叶片的复合式叶轮离心泵其性能比普通常规叶轮更佳.     

低比转速离心泵圆盘损失的计算

准确计算圆盘损失的大小是预测低比转速离心泵性能的重要因素.在泵试验结果的基础上,借助流体动力计算的数值计算和模拟方法,采用RNGk-ε湍流模型封闭时均N-S方程组,以低比转速离心泵M23-12.5为对象,在假定圆盘摩擦损失只增加轴功率而不影响液体有效能量增加的基础上,通过泵的数值预测结果和实验性能曲线的对比,对3种圆盘摩擦损失的计算方法进行比较.结果表明与直接计算叶轮外圆直径的摩擦力矩作为整个泵的圆盘摩擦损失的方法相比,根据泵叶轮的形状,分别计算其前后盖板的摩擦力矩进而求得叶轮圆盘损失的方法,更适合低比转速离心泵叶轮圆盘损失功率的计算.     

内燃机进排气管有限容积法一维非定常流模拟

应用有限容积法对发动机排气管系中的气体流动作模拟计算．该方法是以往一维非定常流动计算方法的进一步发展．与特征线法相比,具有计算稳定、质量流量误差小等优点．文中对该方法的模型作了简述,并以８Ｌ２４０Ｚ四冲程柴油机为例,进行了模拟计算,包括：发动机的性能参数、排气管系的压力波动情况、质量流量误差等．计算结果表明,该模拟方法具有较高的计算精度     

离心泵压水室内部流动数值模拟

基于标准的κ-ε双方程紊流模型,采用SIMPLEC算法,在贴体坐标系下,通过求解三维Navier—Stokes方程,对一离心泵压水室内部流动进行了数值模拟和分析,得到了内部流动的主要特征、研究表明：按常规水力设计方法设计的压水室,在压水室径向断面内存在明显的二次流．速度矩也有明显的梯度．这些流动现象可能是导致压水室损失较大的主要原因．     

多级潜水电泵非定常流动数值模拟及性能预测

为了研究多级潜水电泵内部流动特性,选取QD3-60/4-1.1首级叶轮和导叶为研究对象,采用修正的RNGk-ε湍流模型和滑移网格技术数值计算了泵三维非定常流场,给出了流道1中不同半径处相对速度液流角,绝对速度液流角和相对速度与圆周速度比值的分布曲线,分析了定常和非定常流道1出口压力面的速度三角形变化,并对扬程和功率的数值计算结果与试验结果进行了对比分析.结果表明:定常计算中随着流量的增加,叶轮出口绝对速度减小,绝对速度圆周分量减小,绝对速度径向分量增加;非定常计算中在0.90R2和0.95R2处靠近吸力面的相对速度液流角变化较明显,小流量工况下相对速度液流角一直在正负之间剧烈波动,绝对速度液流角随着流量的增大而增大;非定常计算可以较准确预测多级潜水电泵的特性.     

无过载离心泵内部流场的三维数值模拟

采用标准k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对最大轴功率值小于1.1倍的额定功率值的无过载离心泵进行数值模拟,得出叶轮内流道的压力和速度分布规律,为无过载离心泵的性能预测、水力设计及优化设计提供依据.根据泵进出口速度、压力分布规律,预测泵的能量特性曲线.结果表明,叶轮内工作面相对速度较小,背面相对速度较大;从工作面到背面,相对速度大小变化较大;从进口到出口,沿相对运动流线方向上相对速度变化不明显;叶轮内没有出现边界层分离;蜗壳几何结构的非对称性以及蜗壳与叶轮的相互作用是导致泵内流场不对称的主要原因.     

分流叶片离心泵叶轮内变工况三维数值分析

对带分流叶片的离心泵叶轮不同工况下的内部流动进行数值模拟分析．计算采用雷诺时均方程和修正了的κ-ε湍流模型,在压强连接的隐式修正法建立的压力速度校正方程基础上,利用贴体坐标系和交错网格技术进行计算．计算结果揭示了带分流叶片的离心泵叶轮内部湍流流动不同工况下的速度分布及压力分布规律,对叶轮内部流动状况进行了分析和研究．结果表明：随着流量的增加,叶轮内相对速度增大明显;叶轮内整体动压随流量增加而下降,动压在叶轮内的分布场为大流量比小流量更加均匀．     

离心泵变工况流场分析及数值模拟

针对一离心泵内部流场进行数值计算,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.在分析变工况离心泵内部流场的基础上,提出离心泵径向力数值预测的数学模型.分析结果表明,小流量工况时离心泵径向力最大,设计工况时径向力最小;小流量工况时径向力矢量方向在蜗壳第Ⅲ断面和第Ⅴ断面之间,大流量工况时径向力矢量方向在蜗壳第Ⅶ断面和隔舌之间,设计工况时总径向力在蜗壳第Ⅴ断面和第Ⅶ断面之间.对比径向力数值预测值和"Stepanoff"公式值的差异,设计工况时误差在2%之内,非设计工况时误差在5%之内.     

离心泵叶轮内部三维湍流流动的分析

为研究离心泵内部伴有盐析的复杂液固两相流动问题,首先需要了解在清水状态下,其内部真实流动现象的物理本质．为此,基于N—S方程和标准的k—ε湍流模型,利用FLUENT6．1对清水状态下离心泵叶轮内部的三维湍流场进行了数值模拟,并运用先进的测量仪器PIV对改进设计后的化工离心泵叶轮内部流场进行了测量,给出了其相对速度分布图．同时,结合数值计算与试验研究。对离心泵叶轮内部流场进行了初步分析．试验结果表明,计算所采用的模型的修正方法基本符合离心泵内部流动的实际情况．     

离心泵叶轮内部固液两相流动的大涡模拟

为提高离心泵的抗磨蚀能力 ,对泵内固液两相流的流态进行深入研究。在多相紊流运动双流体模型的基础之上 ,建立了两相紊流运动的大涡模拟。利用大涡模拟 ,对离心泵叶轮内部的固液两相流动进行数值计算。计算结果得出液相压力分布和相对速度场 ,及固相的颗粒数分布和相对速度场。其中压力和颗粒的分布与同一离心泵在日本所做合作研究量测的实验结果进行比较 ,两者相互吻合     

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.     

含沙水流中粒径对离心泵叶轮磨损特性影响的数值分析

采用雷诺时均N-S方程、RNG k-ε模型和相间耦合SIMPLE算法,以含沙水为介质,选用离散相模型和Finnie的塑性冲蚀磨损模型,运用冻结转子法,对一台200SH-9.3单级双吸离心泵内固液两相流动进行全三维数值模拟.获得不同粒径时叶片工作面、背面、轮缘内侧面及轮毂面磨损强度及固相体积分数的变化规律,并且对主要磨损部位的磨损深度进行预测.通过对比清水介质时泵外特性试验数据以及磨损试验数据与数值模拟结果,验证了数值计算方法的可靠性.结果表明:随着粒径的增大,叶片工作面、背面、轮缘内侧面和轮毂面的磨损强度增大;叶片工作面的主要磨损部位集中在进出口及靠近轮毂一侧,叶片背面主要磨损部位集中在进口及靠近轮毂一侧;叶轮主要磨损部位的磨损深度预测值与实际磨损结果基本一致.