小流量工况下微小型泵内部流场数值模拟及LIF-PIV实验研究

本研究利用二维粒子图像测速技术(PIV),并结合激光诱导荧光(LIF)的示踪颗粒技术,成功地测量了小流量工况下微小型离心泵的内部流场,得到了泵内喉舌区和叶道间的瞬时流场,并且用标准k-ε湍流模型对试验工况进行计算.LIF示踪颗粒的使川成功地消除了近壁和角Ⅸ的激光反光干扰,近壁区测试数据得到改善.试验和计算结果证明,标准k-ε湍流模型对小流量工况下的泵的性能预测非常准确但是对于捕捉流动细节信息来说,则显得不是很合适.LIF-PIV测量揭示了微小型离心泵在小流量工况下,喉舌处存在大量的回流区域而且不同的叶道的流动状态也不相同.     

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。     

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。     

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。     

壁面效应对纳米尺度气体流动的影响规律研究

采用分子动力学方法研究了过渡区纳米通道内的壁面力场对气体剪切流动的影响规律.在纳米尺度下,壁面力场对流场的主导作用更加显著,流动物理量对于壁面条件和系统温度的变化也更加敏感.壁面原子的运动采用Einstein模型模拟,结果表明随着壁面刚度的增加,气体在近壁面区域的速度峰值减小,气体分子与壁面的动量适应性变差.壁面粗糙度通过金字塔形模型来研究,发现无论是主流区域还是近壁区域,壁面粗糙度对流动的影响都非常明显.当粗糙单元高度增大时,气体分子在壁面处的聚集现象明显,与壁面完全动量适应.本文还研究了系统温度对纳米通道流动的影响,结果表明温度的影响是全局性的,温度的升高导致整个通道内流速降低,近壁区域气体密度减小,气-固动量适应性变差.     

低温离心泵的二维流场数值模拟及分析

低温离心泵是使用于低温工况下的离心泵,它具有尺寸小、转速高、升压高等特点。文中使用fluent软件,对自主设计的低温泵内流体的流动情况进行了数值模拟。通过划分计算区域、选择合适的计算网格、采用合理的湍流模型和边界条件等方面的处理,得到了一种模拟值与设计值比较吻合的数值模拟方法。利用数值模拟方法真实反映了低温泵内部的复杂流动,验证了泵的传统理论设计方法对于低温工况的适用性,并为低温泵内流道的设计、改进提供了理论依据。     

不同离散格式下的离心泵内部流动数值模拟研究

为研究离散格式对离心泵性能预测精度的影响,本文以自吸式离心泵为计算模型,采用Realizableκ-ε湍流模式进行三维内流场的数值模拟研究,分析了从零流量到最大工作流量下的内部流动和水力性能。建立了考虑内部间隙影响的自吸式离心泵全三维计算模型,分析了动量方程对流项采用一阶差分和二阶差分格式对计算精度的影响,同时分析了压力项的Standard和PRESTO离散格式对计算精度的影响。结果表明,在小流量工况下,采用二阶迎风格式具有较高的计算精度,而在大流量工况下采用一阶迎风格式更为合适。该结果可为准确预测离心泵全工况外特性提供参考依据。     

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。     

压水室形状对某离心泵径向力影响的数值模拟

本文采用SST k-ω湍流模型对环形压水室离心泵和螺旋形压水室离心泵进行了数值模拟,比较了两种泵在设计与非设计工况运行时叶轮所受的径向力,并对两种泵的压力沿叶轮出口分布进行了分析。分析结果发现,当运行在设计工况时,两泵的叶轮受力表现出周期性,螺旋形压水室离心泵的叶轮所受到的径向力相对更大,这是由于受到压水室自身设计和隔舌的影响,使螺旋形压水室离心泵的压力沿叶轮出口分布更加不均匀,从而导致径向力增大。此外,与设计工况相比,两泵在非设计工况运行时叶轮所受径向力更大,且在小流量时所受径向力的周期性与设计工况相比发生显著变化。     

非均匀壁面棒束间流场结构的数值分析

本文采用CFD方法对棒束内的流动状况进行非稳态模拟,利用已知的实验结果对计算模型进行验证,详细分析了非均匀壁面粗糙度条件下雷诺数对冷却剂交混流动特性的影响。结果表明:非均匀壁面粗糙度对棒柬间速度场分布及交混系数有明显的影响。并且,当流动雷诺数提高时,棒束间的交混强度先增强然后减弱,存在一个最佳的流动雷诺数条件,在此雷诺数下,非均匀壁面粗糙度棒束间的湍流交混和相干涡结构最强烈。     

沉降分布孔隙率多孔介质模型及数值研究

研究沉降分布孔隙率多孔介质流动和传热,根据"O"形圈理论和现场测定确定孔隙率系数,建立坐标方向孔隙率分布函数;考虑流体密度变化,并引入Brinkman-Forchheimer的扩展Darcy模型,能量方程采用界面连续条件,建立沉降分布孔隙率多孔介质流动和传热求解模型.采用差分法对模型进行离散化,应用高斯-赛德尔方法迭代求解.数值分析表明:沉降分布孔隙率条件下多孔介质内流体流动速度在壁面附近较大,中心部位较小,壁面附近孔隙率的增大使得低流速区域减小,较高流速区域增大;当孔隙率小值时,温度按线性减小;当孔隙率大值时,温度在高低温壁面附近迅速减小,在中部减小较缓,热量按导热和对流共同传递;孔隙率增大能使平均怒谢尔数增大,对流换热作用增强.     

旋流泵无叶腔内盐析颗粒湍流脉动特性研究

盐析晶体颗粒脉动特性是研究湍流输运状态下盐析过程的重要问题之一.为探索泵内盐析晶体颗粒湍流脉动规律及其对液相流场的影响,采用相位多普勒粒子速度场仪对旋流式输送泵无叶腔内的盐析湍流流场进行了测量,通过对改变泵运行工况、运行介质温度后颗粒脉动速度分布情况的分析,初步掌握了无叶腔中盐析晶体颗粒的湍流脉动特性;同时,讨论了晶体颗粒存在对液相湍流结构的影响。实验结果表明,随着流量的增加,颗粒的周向、径向及轴向脉动速度相应提高;盐析颗粒脉动速度值随温度发生变化,较高温度时速度脉动也较大;在一定条件下,盐析晶体颗粒表现出抑制湍流的行为。     

离心泵流量突增过程瞬态流动研究

为研究离心泵流量突增过程所表现的外部瞬态水力特性及其内部流动机理,对离心泵在管路阀门突然开启条件下的特性进行数值模拟和实验研究。测试了不同稳定流量下的离心泵外特性和内流场,验证了稳态工况下的仿真结果。在稳态实验与仿真的基础上,利用分离涡模型(DES)对离心泵流量突增过程的流场进行了数值模拟研究。结果表明,流量突增的瞬态过程的流量-扬程曲线明显偏离稳态值,其主要原因是流量变化引起的流体加速效应及泵内的旋涡结构的不断演化。     

单隔间内氢气流动分布特性数值模拟与实验验证

以局部隔间氢气流动分布特性研究实验装置中的单个隔间作为几何结构,建立小空间内氢气分布数值研究的计算流体动力学分析模型,对不同湍流模型适用性展开讨论分析,通过对比实验数据和模拟数据,给出最优湍流模型的选择,进一步对低质量流量工况下氢气在小空间内的流动分布进行数值模拟。模拟结果表明:在选取的6种两方程湍流模型中,采用Realizable k-ε、RNG k-ε、Standard k-ε湍流模型计算得到的结果与实验值吻合较好,能够准确地反映氢气在小空间内的释放过程和分布情况;低质量流量工况下,氢气主流区域径向范围较小,氢气在容器中上部呈稳定均匀分布。     

径向导叶对混流式核主泵水力性能的影响

基于三维不可压缩流体的N-S方程和RNG k-ε湍流模型,采用流体计算软件ANSYS-Fluent对设计工况下,不同导叶数及导叶进口边位置的混流式核主泵水力模型的三维湍流流场进行了数值模拟,研究了导叶进口边位置及导叶数对混流式核主泵模型水力性能的影响。计算结果表明:随着导叶数的增加,当导叶数为奇数时,泵的计算扬程和水力效率值都有所增大,且水力效率值增大的趋势在减小;导叶数为偶数时,泵的计算扬程和水力效率值先减小后增大,在导叶数为16片时,泵的计算扬程和水力效率值最小。随着导叶进口边与叶轮出口边夹角θ的增大,泵的计算扬程和水力效率值先增大后减小,当θ=14°时,模型泵的水力性能最好。研究结果可用来了解混流式核主泵水力模型的内部流场特征,并为其高效水力模型优化设计提供有益参考。     

滑移长度对液体泊肃叶微流动特性的影响

利用COMSOL Multiphysics软件,选取不同滑移长度对水的泊肃叶微流动进行数值模拟,得到入口段长度、流量和摩擦阻力系数随滑移长度的关系,分析了微流动与宏观流动的差别及不同的壁面条件下流动参数的差异.结果表明:无滑移壁面和亲水壁面下,微流动入口段长度和目前的经验公式吻合;流量值小于理论值,但与压差依旧成正比;摩擦阻力系数大于宏观理论值.典型无滑移壁面和亲水壁面下的流动特性基本相同;疏水壁面的入口段长度和无滑移壁面、亲水壁面相近,但流量和摩擦阻力系数有差异;超疏水壁面下流动特性和其他三种壁面差异很大.进口速度一定时,入口段长度随滑移长度成"阶梯式"增长;流量随滑移长度的增加而增大;摩擦阻力系数随着滑移长度的增加而减小.     

前缘弯掠影响子午加速风机内流的研究

本文采用三维Navier-stokes方程和k-ε两方程湍流模型,对前缘弯掠子午加速风机的内部流场进行数值分析。通过实验数据、设计参数与计算结果对比,验证数值方法模拟该转子内流场的可靠性。研究揭示了前缘弯掠叶轮的流动机制:前缘弯掠叶轮消除了基准叶轮前缘存在的回流,将端壁区域的低能流体吸收到叶片中部高能主流中,减弱了端部低能流体的聚集,从而减弱了流动损失和流动阻塞,前缘弯掠叶轮出口尾迹衰减比基准叶轮快。证明前缘弯掠改善了叶轮内流及前缘弯掠设计的有效性。发现弯掠叶片的静子在小流量工况,其叶片吸力面附近端壁的低能流体被主流携带往下游的二次流特征,改善了小流量工况下静叶的内流状态。     

离心压缩机轮盘空腔的实验研究

本文以离心压缩机轮盘空腔为研究对象,依托大功率间冷压缩机闭式试验台测量了轮盘空腔静壁面不同半径处的静压和静温,分析了变工况下轮盘空腔和离心压缩机的耦合特性,并研究了变转速对轮盘空腔内部流动影响及其变化规律.结果 表明静压和静温沿着半径增大方向逐渐上升,但静温在近叶轮出口与空腔进口耦合处有所下降.设计转速下各位置点静压总体趋势、静温以及沿着半径减小方向的静压损和静温损均随流量的减少而增加.静压随叶轮转速的降低而减小,静温随转速变化的规律较复杂,静压损和静温损均随转速的降低而减少,静压和静温随流量变化的规律也会因转速改变而不同.     

微尺度下壁面粗糙度对面向导热影响研究

随着空间尺度的缩小,界面对导热的影响就会越来越明显。本文采用非平衡分子动力学模拟方法模拟了壁面的粗糙度对面向导热的影响,并给出微尺度下的粗糙度定义。在模拟中构造了不同的壁面粗糙度,得到了面向热导率随着壁面粗糙度增加而减小的结果。分析认为壁面的镜面反射率随着粗糙度增加而减小,而镜面反射率减小将导致热导率下降．     

壁面粗糙度对水平后台阶气粒两相流动影响的PDPA实验研究

用相位多普勒颗粒测速仪(PDPA)测量了颗粒的平均与脉动速度,研究了壁面粗糙度对水平后台阶气粒两相流动的影响。研究结果表明,壁面粗糙度减小颗粒纵向平均速度,增大颗粒纵向和横向脉动速度。壁面粗糙度对流场中不同位置处颗粒运动影响的强弱不同,其中逆流区处较弱,下游处较强。壁面粗糙度对不同粒径颗粒运动影响的强弱不同,其中对细颗粒的影响较弱且被局限在壁面附近,对粗颗粒的影响较强且扩散到整个流场。