非均匀叶顶间隙对轴流泵流动激励力的影响分析EI北大核心CSCD

叶轮涡动将引起轴流泵叶轮顶部间隙沿周向不均匀,从而导致附加的流动激励和噪声。本文利用计算流体力学方法模拟不同偏心度条件和流动工况下的轴流泵非定常流场,研究运行工况和周向非均匀间隙对泵内三类流动激励力的影响。数值结果表明:在同一偏心度下,流量的减小均会引起三类激励力脉动增加且脉动峰值朝低频方向偏移。随着叶轮偏心度的增加,三类激励力的幅值增加,且轴频信号逐渐占主导,从偏心度0增至60%,轴频幅值增量在10倍级左右。数值结果还发现:由于非均匀叶顶间隙非对称效应,壳壁激励力脉动最大值并不出现在最小间隙处,而是出现在偏离最小间隙约60°左右的位置。     

非均匀入流对轴流泵装置反向发电叶轮受力的影响机理

为探究非均匀入流对轴流泵装置反向发电时叶轮受力特性和内部流态的变化,对某卧式轴流泵装置反向发电时进行了多工况全流道流动特性数值模拟。结果表明：非对称流动诱发叶轮受力不均,径向受力重心逐渐向正X与正Z方向偏移,X方向径向受力相对不稳定,且恒为正值;在相对旋转叶轮静止的参考系中,沿水流流向的由叶片进水边至出水边,压力脉动表现出先减小后增大,在进水边出现最大的脉动系数幅值。小流量工况靠近叶片出水边的轮毂处压力脉动幅值较大,为轮缘和叶片中部的3.04倍和2.18倍。结合叶轮流场的时空分析发现,叶轮正X方向持续存在的旋涡导致叶轮正X方向流态相对较差,加剧了叶片压力面的低频压力脉动,是诱导叶轮X方向径向受力不稳定且恒为正值的本质原因。     

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。     

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。     

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。     

缘线匹配对非定常流动影响初探

为深化缘线匹配对叶轮机非定常流动影响的认识,本文以关注尾迹撞击叶表展向轨迹为出发点,围绕缘线匹配对叶轮机非定常流动及性能影响进行了初步数值探索.研究表明:不同缘线匹配时叶片整体性能参数具有不同的脉动水平;给定缘线匹配下,整体性能参数脉动幅值随工况几乎不变或变化很缓;在设计点为达到降低某种脉动目的而实施的缘线匹配在非设计点同样有效;尽管微弱,数值模拟中还发现缘线匹配对上游尾迹随流掺混产生影响;缘线匹配严重影响时均相关项量值水平,尤其在叶尖、叶根和前缘附近.     

串列式叶栅扩压器非定常流动研究

采用数值模拟方法,对串列式叶栅扩压器中的非定常流动进行了研究。结果表明,带串列式叶栅扩压器的离心压气机内部流动是以强非定常的三维黏性主流和缝隙流动为主要特征,串列式叶栅扩压器内部流动存在明显的非定常性,压力脉动的传播在前排叶栅通道内衰减很快。扩压器前排叶片通道内压力脉动的主频为叶轮叶片通过频率。后排叶片前缘附近压力脉动的主频变为0.5倍叶频。串列式叶栅扩压器进口的压力脉动主要受到叶轮的激励作用;串列叶栅间隙处,随主流输运而来的叶轮尾迹与缝隙流、前排叶片尾迹相互干扰与叠加,成为后排叶片前缘压力脉动新的激励。相比于近叶根、叶尖处,前排叶片前缘中间叶高处的压力脉动受到叶轮主流和分流叶片尾迹的激励作用更强烈。     

非设计工况下低比速泵叶轮内不稳定流动和湍流度试验

采用两维激光流速仪，在非设计工况下对三种泵叶轮不稳定流动和湍流度进行了测试，结果表明：叶轮内不稳定流动和湍流度受旋转和曲率及入流状态的综合影响，呈十分复杂的空间分布，偏离设计点时湍流强度和流动脉动与叶轮内流场相互关联，相对于设计工况都更要高些。     

集流器偏心对多翼离心风机性能及噪声的影响研究

风机进口处的流动状态对其性能具有直接影响。本文对某多翼离心风机提出一种进口集流器偏心安装的方法,来控制其进口流动,使其性能获得提升、噪声降低。通过数值寻优与实验寻优的相互验证,对不同工况下集流器偏心安装前后的风机性能、噪声及内部流场展开分析,并最后得出了集流器的合理偏心位置。结果表明:当偏心角θ=120°且偏距比ε=0.016时,偏心方向对应叶道内的流动分离减弱,叶轮出口气流速度增大,同时叶轮前盘和集流器间隙间的流量泄漏也相应减小。在风机运行工况范围内,该风机的风量最大增加3.5%,全压效率最大提高3%,噪声降幅最大达1.2dB.     

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。     

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。     

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。     

两级离心泵瞬态空化流动及压力脉动特性

针对两级离心泵瞬态空化流动及压力脉动特性,基于全空化和混合两相流模型,采用RNG k-ε方法对某两级离心泵内空化流动进行数值计算,获得了叶轮内空泡分布情况及压力脉动频谱特性曲线。结果表明;随着进口压力的降低,空化区域不断扩展,空化气体体积百分比在接近临界空化点处达到最大。由于叶轮与导叶之间的正对干涉,第一级叶轮流道内各个测点压力脉动的主导频率为15倍基频。可能由于级间干涉,使得蜗壳中截面测点压力脉动的主导频率为叶频的偶数倍频;随着进口压力的降低,隔舌附近测点压力脉动幅值逐渐增加,在临界空化点附近达到极大值。     

三级离心压缩机非定常流动与交变应力的数值研究

以三级天然气离心压缩机为研究对象,采用非定常流动和流固耦合方法,研究了离心压缩机在三种转速、多个流量工况下的内部非定常流动和叶片交变应力。研究表明:流场关键监测点处的压力脉动以叶片通过频率为主,在偏离设计工况下压力脉动频率成分较复杂,但是以叶片通过频率为主导;同一工况下,监测点压力脉动幅值逐级增加;同一转速下,随着流量增大,叶片交变应力幅值呈现出先减小后增加的趋势,并且随着转速提高而增大。     

光学炮塔气动载荷的非稳态特性

采用耦合J-B模型的IDDES模型与双时间步LU-SGS方法开展炮塔非稳态气动载荷的数值仿真研究。炮塔流动会发生分离,天顶位置的分离角大于90°;当流动绕过炮塔时,形成马蹄涡、脱落涡街等非稳态流场结构,导致气动载荷也具有非稳态特性;炮塔顶点的脉动静压功率谱在1.6~40.0 kHz进入各向同性均匀湍流的惯性子区,基本满足Kolmogrov的-5/3定律;气动力以阻力为主,横向力的脉动幅值大,气动力矩则以俯仰力矩为主,滚转力矩的脉动幅值大,偏航力矩可以忽略不计;气动力和力矩的功率谱主要集中在1 kHz以下,存在多个尖峰频率,主频约为230 Hz (斯特劳哈尔数为0.15)。在ATP系统设计之初,需要考虑光学炮塔所受气动载荷的非稳态特性,并规避尖峰频率尤其是主频的谐振破坏问题。     

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。     

不同型线离心风机叶轮的性能对比研究

本文分别对采用常规单圆弧叶片和等减速叶片两种不同型线叶轮的离心风机进行了试验研究,并做了整机全工况数值模拟计算.流场分析表明:应用等减速流型设计的离心风机,其叶轮内部的流动损失小,压力梯度变化更规律,叶轮出口的射流-尾迹结构较弱,出口速度场均匀且最大速度值较低.所以,等减速流型设计的叶轮,其流动损失、扩压损失、出口混合损失以及出口截面突变损失均比较小,效率较高.     

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.     

汽轮机调节阀内流动特性的试验研究

介绍了最常用的G-I型调节阀内的动态压力测量方法及其各关键部位的流动特性,尤其是引起不稳定流动的主要因素即气流的压力脉动特性。测试结果表明,调节阀处于不稳定工作状态即阀杆振动工况取决于脉动压力与阀杆固频率是否同频,并非其脉动压力值大小;调整阀杆固有频率是消除调节阀振动最简便和有效的方法。     

水泵水轮机在泵工况的导叶水力矩特性

针对水泵水轮机泵工况的导叶水力矩试验中,各被测导叶的水力矩因数并非完全轴对称,本文运用CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法,使用SSTκ-ω湍流模型进行数值计算,分析导叶、转轮区域内部流场,探究导叶水力矩特性及其与内流流态的关联。结果表明:力矩因数值的数值模拟结果和试验结果吻合较好,由试验结果可知各开度下水泵工况的力矩因数值呈现抛物线型规律。导叶开度小于43.0%时,流体绕流导叶产生大量旋涡;且开度越小,涡的强度越大,流动越紊乱;开度在51.2%至67.6%范围内,转轮和导水机构流道内流动平稳。小于43.0%开度时,各导叶的水力矩因数均匀性较差,随着导叶开度减小,水力矩因数和静压值的周期性变差,幅值增大,压力脉动和水力矩脉动均明显增强。