侧壁式压水室离心泵空化特征数值计算

基于CFD方法,采用混合两相模型、标准κ-ε方程和sighal发展的全空化模型,对具有特殊结构形式的侧壁式压水室离心泵空化特征进行数值计算。预测了泵在未发生空化和空化条件下的能量性能,并且分析了设计流量下叶片表面和流道内的空泡分布情况。结果表明:在大流量工况下,泵的必需汽蚀余量大,容易产生空化现象。随着泵进口压力的降低,空泡最先出现在泵叶片背面靠近进口边附近;当进口压力进一步降低时,空泡区域开始快速增加,向叶片出口延伸,泵的扬程开始大幅下降。进口压力继续降低时,叶片工作面开始出现空泡,叶轮周向流道内开始充满空泡,此时泵的扬程急剧下降,泵的稳定运行工况被破坏。不同汽蚀余量下,叶频处压力幅值变化明显,在临界汽蚀点处几乎达到极小值。     

离心泵非设计工况内部流动特性研究

以单级蜗壳式离心泵为研究对象,基于RANS进行了全流场的非定常数值计算,探讨了叶轮的非定常流动特征,重点分析了叶轮出口沿轴向变化的圆周面流域内各节点的压力分布特性。结果表明:在叶片压力面及叶片后缘尾迹区发生了剧烈的湍流脉动现象;不同工况下叶轮出口圆周方向的压力系数C_p均在隔舌附近产生极值;额定工况Q/Q_N=1时,叶轮出口圆周方向的压力系数C_p呈稳定周期性分布,随着工况的改变,压力系数C_p沿蜗壳周向分布不均匀性增加;小流量工况下叶轮流域内发生了明显的流动分离现象,流道内产生了较大尺度的分离涡,破坏了叶轮出口圆周方向压力系数C_p的周期性分布特性;叶轮出口圆周压力系数C_p沿中截面两侧的流域内几乎对称分布;在Q/Q_N=0.2小流量工况下,压力脉动频谱图低频段内出现了较多复杂的激励信号,认为这与流域内的分离涡结构具有一定关联。     

轴流泵内部流场数值模拟及实验研究

基于N-S方程和标准κ-ε模型对出口等速度环量的轴流式模型泵在不同工况下进行了全流道数值模拟,给出了叶片表面相对速度和压力的分布规律,并将叶轮出口处速度分量计算结果和球形五孔探针测量结果进行比较。分析结果表明:叶片表面的相对速度沿径向逐渐增大,流动分布规律符合圆柱层无关性假设;叶片发生汽蚀的危险区域约位于吸力面外缘进口边到出口边的1/4位置;最优工况下叶轮出口处流场呈螺旋形向外运动趋势,出口旋转动能占出口总动能的34%左右;速度环量测量值从轮毂至轮缘逐渐减小,设计中应适当减小轮毂处圆周分量值,增加轮缘处圆周分量值。研究结果揭示了叶轮表面和出口流动规律,为轴流泵优化设计提供了理论和实际应用参考。     

轴流式冷却循环泵非稳态流激特性数值研究

轴流式冷却循环泵是舰船动力系统中的关键设备之一,泵内非稳态流动诱发的压力脉动是影响泵振动水平的主要水力因素。运用特定设计方法对某比转速为471的循环泵进行了设计并通过实验测量进行了性能验证。基于非定常数值计算,获得了不同工况下循环泵多个截面上压力脉动系数的变化规律。研究表明:叶轮进口压力脉动系数沿径向呈递增趋势,轮缘处流体激励能量最大且主要集中于叶频;叶轮出口压力脉动系数在轮缘和轮毂处取得极大值,主要激励频率为叶频及其高次谐频;导叶出口压力脉动系数沿径向基本一致,主要激励频率为1/5叶频;叶轮出口诱发的叶频压力脉动是决定泵振动水平的主导因素。研究结论为循环泵减振技术的发展提供了一定的理论支撑。     

多级离心泵内叶轮出口压力脉动研究

为研究瞬态工况下离心泵叶轮出口处的压力脉动情况,为离心泵泄漏流道流动提供边界条件,建立了包含叶轮和导叶流道的离心泵模型,基于CFD方法计算得到了其在不同工况下的性能参数,利用测试数据对结果进行了验证。分析了瞬态工况下叶轮出口处压力的变化趋势,比较了不同工况对叶轮出口压力脉动的影响,发现叶轮出口压力随叶轮旋转呈周期性变化,压力脉动频率与转速及叶轮数量有关;偏工况时叶轮出口压力脉动趋势与额定工况基本一致,但脉动频率及脉动幅值有较大区别;随离心泵转速增加,叶轮出口处压力脉动的最大值和最小值均呈减小趋势,但幅值随转速增加而增加,且增幅明显。     

分半错列离心叶轮对泵压力脉动特性的研究

为了减小离心泵的压力脉动,本文提出了一种新型分半错列叶轮结构,将叶轮分半错列,错列角度分别为10°、20°与30°,以比转速为69的离心泵为研究对象,对原模型、叶轮分半错列10°、20°与30°模型进行不同工况下数值计算,获得了泵水力性能与内部压力脉动特性。通过对比分析发现：相比与原始模型,采用分半错列叶轮能有效提高离心泵水力性能;当叶轮分半错列30°时,泵性能提升最大,叶轮与蜗壳间动静干涉作用大幅下降,泵内压力脉动能量降低。研究表明,分半错列离心叶轮是低噪声泵设计可采用有效途径之一。     

时间推进法求解离心泵内部不可压流场

本文使用时间推进法求解离心泵内部不可压缩流的紊流时均Reynolds方程。选用Boldwin-Lomax双层代数紊流模型,对流项采用中心差分格式离散,时间推进项选用四阶显式Runge-Kutta求解方法。对离心泵在0.4、1.0、1.5倍的设计工况点进行了数值计算。计算所得到的流量扬程点与实验值相吻合,在小流量工况点效率吻合很好,在设计工况和大流量工况点效率偏高,文中讨论了叶轮出口压力分布、蜗壳外壁面上的静压分布及载荷随叶轮半径的变化规律。     

不同叶轮结构的离心泵水力性能试验

本文通过试验分别测量了在同一转速的径向叶轮和弯曲叶轮式离心泵在输送水和碘化钠混合溶液介质时的水力性能,以及在不同转速下弯曲叶轮泵的外特性。结果表明,在试验测试范围内,同一流量下,弯曲叶轮泵的性能比相同轴面流道的径向叶轮好。对于输送不同溶液的性能差异现象,径向叶片叶轮泵表现得更明显。文中所研究的超小型泵,在不同转速运行时,机械磨损对泵的影响不相同。     

无轴双吸式血液泵内部流动分析

基于带有叶轮转子的双吸叶轮的概念,设计了一种新型无轴双吸式血液泵。为了研究血液泵的水力性能和溶血性能,对设计工况下血液泵进行了三维非定常数值模拟,同时考虑作为人类心脏用时的搏动流工况,以此为边界条件计算分析了搏动流工况下的内部流场的速度、压力和壁面剪切应力分布以及对泵运行稳定性的影响。数值计算结果表明,搏动流工况下,实现泵流量与扬程的波动输出,与非搏动流相比,其压力稳定性较差。该结果为血液泵在人工心脏、人工透析等现代机械辅助系统的应用提供有益的参考。     

离心泵导叶流道进口处压力脉动研究

为研究离心泵导叶流道进口处压力脉动的分布及传播规律,深入探究导叶式离心泵内动静干涉作用机理。试验采集某核级离心泵相邻两个导叶流道进口处压力脉动信号,并对其进行分析。结果表明:模态节径模式分析方法可以用来分析预测压力脉动主要特征频率成分,导叶流道进口处压力脉动主要为叶片通过频率及其倍频,并以此形式沿叶轮旋转方向向下传播。相同导叶流道进口处流体流动具有不均匀性,各测点压力脉动主要特征频率及最大幅值对应频率不同。压力脉动在叶片通过频率及其倍频处相关性强,随着流量增大至设计工况,压力脉动能量逐渐集中到叶片通过频率及其倍频处。研究可为降低泵内压力脉动提供一定参考。     

偏工况下壁面粗糙度对泵腔内流动规律的影响

本文将结合雷诺时均方程、RNG k-ε湍流模型和等效沙粒粗糙度模型,研究一离心泵泵腔内的流动规律与壁面粗糙度和运行工况的关系。研究表明:壁面粗糙度对离心泵外特性的影响存在一个峰值,此时绝对粗糙度的值为0.2mm;随着流量的增加,壁面粗糙度对叶轮前、后盖板所受扭矩的影响增加、对离心泵轴功率的影响减小。设计工况下,前泵腔中存在无量纲切向速度α值不变的核心流动区域。在核心流动区域内,随着粗糙度的增加,α值先减小,达到极小值后趋于稳定,稳定值为0.51。在前盖板附近,极小值往粗糙度较大的方向移动。小流量工况下,湍流核心区域消失,动、静壁面附近α值随流量的变化规律相反。大流量工况下,湍流核心区域减小,且更加靠近静壁面。     

离心泵叶轮内气液两相三维流动数值研究

本文采用欧拉模型对离心泵叶轮内气液两相泡状流动进行了数值模拟。分析了叶轮内压力、速度等的分布规律,发现在靠近轮盖侧吸力面入口附近压力较低,气液两相速度较大,气泡容易凝聚而导致含气率较高;靠近轮盘处含气率较低。分析了不同进口截面含气率对叶轮内部两相流动的影响机理,建立了进口截面含气率对内部相态分离及泵外特性的影响关系。     

变工况对侧壁式离心泵振动特性的影响

振动是离心泵关键性能指标,低振动离心泵设计是目前研究的难点问题。本文对具有特殊结构的侧壁式压水室离心泵振动特性进行实验研究,分析了不同流量下,模型泵重要测点处振动频谱和能量的变化特性。结果表明:变工况对模型泵的中、高频信号影响较小,不同流量下低频振动能量变化明显,因此水力因素主要诱发低频振动信号;加速度频谱图中,叶频处的幅值较小,峰值信号出现在叶频的高次谐波处;低频段振动能量和泵内流场结构密切相关,非设计工况下,泵内容易出现非稳态流动结构,造成泵的振动能量不断上升;尤其在小流量工况,旋转失速导致泵的振动能量迅速增加;通过对振动能量曲线分析初步提出了低频振动能量和流量的特征函数关联式,为预测变工况对泵振动特性的影响提供理论依据。     

基于Omega涡识别方法的离心泵内非定常流动数值评价

离心泵内部非定常流动与流场中生成的旋涡密切相关.本文采用Omega涡识别方法研究离心泵流场涡结构及非定常流动特性,阈值选择为0.51.分析得出LES湍流模型相对比其他两种湍流模型涡识别结果更为细致,对叶片流道中的小涡结构可以很好地捕捉.设计工况下,LES模型识别出的涡面积数值是DDES模型的1.15倍,是SSTk-ω模型的1.55倍.压力脉动受流场空间位置与工况影响较大,其主要激励为叶频,并且压力脉动强度与涡面积密切相关.叶轮出口处的涡结构周期性脱落,在隔舌处会撞击隔舌而破裂.离心泵动静干涉的产生与叶轮出口处的涡结构脱落有关.     

叶片式混输泵内气液两相流的数值计算

气液两相流的数值模拟是多相混输技术研究中的一个难点.本文假定混输泵叶轮内为泡状流动,基于雷诺时均N-S方程和气液两相双流体模型,采用SIMPLEC算法,对叶片式混输泵叶轮内部两相三维紊流流场进行了数值计算,分析了水气混合工况下的流场分布特点.对含气率GVF=15%工况下的扬程特性进行了预测并与试验结果进行对比.数值计算结果表明,混输泵叶轮流道采用较小的径向尺寸差能较好地避免离心力所引起的气液分离,防止气堵现象的发生;叶轮进口部分存在的低压旋涡区容易使气体积聚,因此有必要进一步改进叶轮进口区的水力设计.     

不同叶轮形式下离心泵噪声特性对比研究

针对具有无短叶片和有短叶片两种叶轮形式的离心泵,对设计状态下离心泵内部流场进行了全三维、非定常数值模拟,对比分析了其非定常流场特性和噪声辐射特性。流场分析表明:叶轮叶片和蜗舌的相互作用造成了叶片表面强烈的压力脉动,对长短叶片的叶轮形式,在局部增加长叶片表面压力脉动的同时,短叶片表面的压力脉动保持较低水平;同时能够有效降低泵体进口压力脉动,但出口压力脉动有所增强。以叶轮叶片表面作为声源辐射面,对比分析了两种叶轮的偶极子噪声辐射特性,结果表明:长短叶片结构通过改变声能在频域上的分布,从而能有效降低总声压级。      

低比转速离心泵压力脉动频谱特性的试验研究

离心泵内部由叶轮-隔舌动静干涉作用诱发的压力脉动是激励离心泵振动噪声的重要因素,对泵的稳定、安全运行有重要影响。为了全面获得离心泵压力脉动特性,本文采用试验手段对一台低比转速离心泵进行压力脉动试验,在蜗壳周向均布20个高频压力脉动传感器对压力信号进行提取。结果表明:离心泵压力频谱呈现典型的离散特征,峰值信号出现在叶频及其高次谐波处,压力频谱中没有出现明显的轴频及其和叶频非线性干涉诱发的峰值信号。不同测量点处压力脉动幅值差异显著,在设计点及大流量工况,叶频处压力脉动幅值极大值点出现在隔舌后端区域范围内,而在隔舌前部区域内,压力脉动幅值较小;且随着角度的增加,叶频处压力脉动幅值呈现递减的趋势,而在小流量工况叶频处压力脉动幅值并没有出现在隔舌后端区域内。流量对叶频处压力脉动幅值影响显著,压力脉动幅值极小值点出现在0.9Q_d附近,而偏离该工况时,压力脉动幅值迅速上升。     

离心式叶轮出口及其无叶扩压器内部流场的实验研究

本文采用三孔和五孔探针在三个不同工况下对一高效离心式压缩机三元叶轮出口及其无叶扩器内部流场进行了详细测量和分析,给出了三个不同径向位置上速度场和压力场跨盘、盖的分布曲线。本文测量结果表明即使是高效三元叶轮,其出口气流角跨盘、盖分布仍很不均匀,只有采用三元叶片扩压器才能更好地与叶轮匹配。     

基于壁面磨损的渣浆泵内固液两相流动分析

为探究渣浆泵内固液两相流动与过流部件磨损之间的关系,结合计算流体动力学与离散元方法,加入磨损模型,对泵内固液两相流动和过流部件的磨损进行模拟;借助试验结果验证数值模拟方案的物理有效性;考虑固体颗粒尺寸和固相质量分数的影响。结果表明:所建立的数值模拟方案可以较准确地预测泵内磨损的位置及磨损程度;随着固相质量分数和固体颗粒平均直径增加,叶轮和压水室表面的磨损加剧,磨损严重的区域集中在叶片进口边附近和叶片工作面出口处,磨损位置受固相质量分数的影响不明显;法向累积接触能量是导致磨损的关键因素;压水室的磨损程度较叶轮轻,且磨损量分布不均匀。     

离心式压气机后弯叶轮试验研究(一)

一、引言 高性能离心式压气机包含高的效率和宽广的运行范围两方面的要求。后弯叶轮(这里指具有三元形状的半开式后掠出口叶轮)由于它的可控载荷设计,在效率和运行范围两方面都优于径向出口叶轮(以下简称径向叶轮)。随着材料强度问题的解决,后弯叶轮在动力应用方面有逐步取代径向叶轮的趋势。工程热物理研究所基于吴仲华教授的两类流面理论,发展了一套设计高性能离心式压气机级的方法;开展了压气机元件的试验研