混流式核主泵非定常流动特性的研究

基于LES模型模拟混流式核主泵在设计工况下的非定常特性,着重分析了叶轮进口处以及导叶接近出液管附近各流道内的非定常流动特征。研究表明:叶轮进口中心测点上叶频的三次谐波振幅相对较为明显,表明叶轮与导叶之间的动静干涉作用在叶轮进口中心处相对而言更加明显;导叶流道3与流道2相对压差较大,该流道正对球形壳体出液管附近,说明一个旋转周期内导叶的这两个流道内压力分布较为不均匀,其原因应与流道所处位置有关,在这两个流道附近存在较大的流动分离和回流;虽然在流道3内的压力系数波动最大,但叶轮对导叶流道3的干涉作用却相对于其他两个流道是最小的,进一步说明正对球形出液管附近的导叶流道内部流动较为复杂。     

混流式核主泵内流动结构与压力脉动特性关联分析

核主泵内的流动不稳定将会引起严重振动,不利于其安全稳定运行。因此本文基于大涡模拟(LES)数值计算方法对几个典型工况下核主泵内部非稳态流动结构及其压力脉动特性进行全面阐述与关联性分析。研究表明,随着流量的增加,动静干涉作用在导叶出口处逐渐增加;偏工况条件下,导叶出口处压力脉动频谱低频段中均出现复杂激励频率,尤其是靠近出液管附近的导叶出口处。核主泵在偏大流量工况下运行时壳体右侧内部非稳态流动结构相较于壳体左侧更加复杂;在偏小流量工况下运行时壳体底部压力脉动更加剧烈。本文进一步详细描述了核主泵球形壳体内强涡量区的流动结构及其成因,并且发现测点处的压力频谱与涡量频谱有相同的主要激励频率,因此证明核主泵内非定常旋涡流动结构是激励压力脉动的主因之一。     

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。     

旋流泵内颗粒分布及对盐析特性的影响

对旋流式模型泵内部两相流场进行了非定常计算,获得了盐析晶体颗粒在泵内的体积浓度分布结果,并对颗粒迁移规律进行了分析.旋流泵内晶体颗粒浓度分布较稳定.在叶轮内,颗粒集中于叶片工作面附近;无叶腔中,颗粒更易向蜗壳壁面迁移.无叶腔内的浓度远大于叶轮内,且呈良好的轴对称分布.颗粒存在提供了二次成核与非均相成核的机会,加速了盐析进程.泵内盐析层最初在蜗壳内壁及叶片工作面形成并不断增厚,最终堵塞流道.     

旋转离心风机叶轮内两相流动的高速摄影研究

固体颗粒与叶栅的磨擦与碰撞，危及叶轮的可靠性和整体装置的稳定性。为研究风机内气固两相流动，利用自制的图象消转装置，拍摄了旋转风机内部固体颗粒相对于叶轮流道的相对运动轨迹的高速摄影照片，对旋转离心风机内颗粒运动特性、颗粒与叶片的碰撞过程及碰撞恢复特性进行了研究，分析了颗粒对叶片的冲蚀机理并指出改进设计思路。     

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.     

流动参数对混输泵全流道内气液相间作用特性的影响

为了解流动参数对混输泵内气液相间作用特性的影响,针对不同进口含气率(3%、9%、15%)、不同流量(0.75Q_d、Q_d、1.25Q_d)和不同进口气泡直径(0.1 mm、0.4 mm、0.7 mm、1.0 mm)条件,利用ANSYS CFX对一叶片式气液混输泵进行了全流道数值模拟。计算结果表明:不同进口含气率下,泵内气液相间作用力中均是阻力起主导作用,湍流弥散力大小可忽略;随进口含气率增加,各相间作用力逐渐增大,且叶轮内相间作用力的增大幅度大于导叶。当Q=0.75Q_d时,叶轮进口处阻力、附加质量力、升力以及叶轮内阻力均出现了明显增大。同时,进口气泡直径增加,叶轮内阻力、附加质量力和升力均增大,而导叶内相间作用力的变化相对较小。     

混流泵叶轮奇点法水力设计

目前泵行业中,对离心泵和混流泵叶轮一般均采用一元理论设计方法,对轴流泵叶轮一般采用奇点法、升力法设计。对于高n_s的混流泵叶轮其流道形状及内部流动情况应当说更接近于轴流泵,但未见到用奇点法设计的先例,因此本文介绍的混流泵叶轮奇点法设计是一有意义的探索,当然也有待实践检验和完善。     

不同管排方式下三维鼓泡床内气固流型及埋管磨损的LES-DEM研究

埋管具有限制气泡大小和改变床内气固流动特性而被广泛用于密相流化床内,但不同管排方式对改善气固流型特性的作用不同。本文基于LES-DEM耦合方法,在颗粒尺度层面研究了不同管排方式下鼓泡床内颗粒流动特性以及埋管磨损分布特性。发现埋管的存在使得在管束的上部和下部区域存在四个明显的局部颗粒循环.另外,错列管排对颗粒的轴向迁移的限定更为明显,使得颗粒浓度在水平方向上分布更为均匀。由于不同的管排方式导致不同的气固流动特性,管束周围磨损特性差异明显.     

轴流式循环泵自流特性研究

基于试验测试和数值计算对轴流式循环泵的自流特性进行研究,获得了自流转速、自流损失和损失系数随自流流量的变化规律,初步揭示了自流工况下轴流式循环泵内的流动规律.研究表明:轴流式循环泵的自流转速与自流流量成线性递增关系,设计流量下自流转速约为设计转速的48.6%;自流损失与自流流量成指数递增关系,自流损失系数随自流流量的增加呈先快速下降后趋于稳定的变化趋势;导叶和叶轮内的自流损失分别占整泵自流损失的54.4%和36.5%,导叶工作面发生的大尺度流动分离现象是决定轴流式循环泵自流损失大小的主要因素.研究工作为轴流式循环泵自流转速的预测和自流特性的优化提供了有益的参考.     

离心泵启动过程瞬态特性与流动的实验研究

为获得离心泵在启动过程中的瞬时性能和内部非定常流动状态,建立了离心泵瞬态性能测试实验台。分别对启动过程的瞬时流量、扬程、转速和功率进行采集,同时采用PIV测试系统对叶轮上部二维瞬时速度矢量场进行了拍摄和记录。给出了三种转速下的瞬时外部性能和内部流动测试结果,并对瞬时外部性能和内部瞬时流动结构的演化进行了对比说明,同时分析和讨论了实验误差产生的原因。     

Transient behavior of a centrifugal pump during starting period

A theoretical analysis on transient flow inside a centrifugal pump was carried out, building on unsteady and incompressible fluid equations applied to the impeller during the starting periods. The transient flow behavior is governed by two hyperbolic partial differential equations; namely continuity and motion equations. The characteristics method of the specified time intervals was used to analyze the dynamic characteristic of the pump. To follow the dynamic behavior of the pump during startup periods, a numerical study was performed on the pump impeller with different openings of the discharge valve. The comparison between the numerical and experimental results of the pump characteristic curve has shown a good concordance. The results have also revealed that the pressure increase is important in the case of a short starting period of the pump and a large mass of water in the pipelines. In this study, the effect of the impeller diameter and number of blades on the pressure evolution was also analyzed.     

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。     

Experiments on the unsteady flow field and noise generation in a centrifugal pump impeller

This paper reports on an experimental investigation of large-scale flowfield instabilities in a pump rotor and the process of noise generation by these instabilities. Measurements of the fluctuating components of velocity and surface pressure were made with hot-wire probes and surface mounted pressure transducers on a seven bladed back swept centrifugal water pump impeller operating with air as the working fluid. The impeller was operated without a volute or scroll diffuser, thereby eliminating any sound generation from pressure fluctuations on the volute cutoff. Thus the study focused on flow field and noise components other than the blade passage frequency (and its harmonics). The primary goal of the study was to provide fundamental information on the unsteady flow processes, particularly those associated with the noise generation in the device. It was further anticipated that detailed flow measurements would be useful for the validation of future computational simulations.The measured data at the discharge show a jet-wake type of flow pattern which results in a strong vorticity field. The flow with high velocity found on the pressure side of the impeller tends to move to the low-pressure region present at the suction side of the passage as a form of roll-up around the blade trailing edge. This motion causes an unsteady flow separation at the suction side of the blade and consequently disturbs the flow in the adjacent passage. By interacting with the impeller blades near the trailing edges, this instability flow causes a periodic pressure fluctuation on the blade surface and generates noise by a trailing edge generation mechanism. The spectrum of surface pressure measured at the trailing edge of each blade reveals a cluster of peaks which were identified with azimuthal mode numbers. The correlation between the acoustic farfield pressure and the surface pressure on the impeller blade has proven that the azimuthal modes synchronized with the number of impeller blades generate noise much more efficiently than the other modes. The paper also clarifies the correlation between unsteady flowfield measurements, in both impeller and laboratory co-ordinates, with the radiated noise properties. Thus some light is shed on the noise generation mechanisms of this particular device.     

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。      

微动条件下材料磨损率的一种计算分析方法

微动现象广泛存在于工程结构中,近年来越来越受到科研工作者的重视.为了对微动磨损进行深入研究,本文根据微动摩擦系统中摩擦副间的特点,针对微动磨损过程,提出不对称双势阱模型,建立了其中粒子的运动方程;利用非平衡统计思想建立了理论模型,得到了计算磨损率的新方法.以金属材料Mg和Fe组成的摩擦副系统为例进行了计算分析,得出磨损率随磨损时间和势阱宽度的变化,进一步分析了载荷正压力变化对磨损率的影响.计算分析结果表明,在其他条件均不变的情况下,材料磨损率随磨损时间的增大而减小,且随着摩擦副系统中势阱宽度和载荷正压力的减小,磨损率也呈减小趋势.最后,通过与试验结果比较,验证了该理论模型的适用性.     

汽车涡轮增压器同步谐波噪声仿真与优化*

针对增压发动机急加速急减速时产生的增压器同步谐波噪声问题,该文通过噪声仿真技术进行分析与优化。首先,分析该噪声的特征与传播路径;其次,建立流场仿真模型。利用剪切应力输运湍流模型与分离涡流模拟湍流模型对增压器进行稳态与非稳态瞬态流场分析,提取非稳态流场的叶轮与压气机流道表面的偶极子声源;最后,建立噪声传播模型,计算该增压器压气机的进气口声场分布。通过理论分析与试验相结合的方法,优化叶轮轮缘与压气机壳体的配合型线,将该增压器噪声的阶次峰值最大降低约15.3 dB(A),消除了同步谐波噪声,且对发动机性能几乎无影响。该噪声的解决方法可以为压气机气动噪声优化提供有价值的参考。     

Energy Loss and Radial Force Variation Caused by Impeller Trimming in a Double-Suction Centrifugal Pump

Impeller trimming is an economical method for broadening the range of application of a given pump, but it can destroy operational stability and efficiency. In this study, entropy production theory was utilized to analyze the variation of energy loss caused by impeller trimming based on computational fluid dynamics. Experiments and numerical simulations were conducted to investigate the energy loss and fluid-induced radial forces. The pump’s performance seriously deteriorated after impeller trimming, especially under overload conditions. Energy loss in the volute decreased after trimming under part-load conditions but increased under overload conditions, and this phenomenon made the pump head unable to be accurately predicted by empirical equations. With the help of entropy production theory, high-energy dissipation regions were mainly located in the volute discharge diffuser under overload conditions because of the flow separation and the mixing of the main flow and the stalled fluid. The increased incidence angle at the volute’s tongue after impeller trimming resulted in more serious flow separation and higher energy loss. Furthermore, the radial forces and their fluctuation amplitudes decreased under all the investigated conditions. The horizontal components of the radial forces in all cases were much higher than the vertical components.     

离心泵启动过程的涡动力学诊断

在离心泵启动过程内部流动数值模拟的基础上进一步深入分析瞬态流动结构,研究启动过程中泵内能量分布的合理性及其对瞬态特性的影响,采用涡动力学方法对启动过程瞬态流场分布进行诊断。分别采用过流断面总压流分布和边界涡量流的轴向分量分布表征流体能量变化和叶轮局部对流体做功的效应。并用过流断面总压流的值来分析叶轮机械能与流体能量的转化情况。本文给出了针对泵内非定常流场的诊断过程,并为泵启动过程的控制和优化提供参考和依据。