高速离心泵串联诱导轮的设计理论及工程实现

阐述了高速离心泵串联诱导轮的设计理论及工程实现,提出了第一级诱导轮采用变螺距结构而第二级诱导轮采用锥形等螺距结构的设计方案。经过理论分析、试验研究和工程应用表明,串联诱导轮可使高速泵获得比带单级诱导轮更高的汽蚀性能。     

基于正交试验的诱导轮前置孔板的参数化研究

为明确前置各种参数的孔板对抑制GSB-80/300型的诱导轮离心泵小流量不稳定特性的影响程度,选择孔板离诱导轮前缘的距离L,孔板的孔径D,孔板的厚度B作为3因素,每个因素各取3水平,制定了L9(3~3)正交数值模拟试验方案。数值模拟试验方案采用雷诺时均N-S控制方程和标准κ-ε湍流模型。通过数值模拟,得到了前置各种参数的孔板下诱导轮离心泵流场的分布情况,得到了较佳的三种参数组合,并揭示了各个因素对流场的影响顺序是:孔板的孔径D,孔板的厚度B,孔板离诱导轮前缘的距离L。在此基础上,对三种较佳参数组合下的孔板进行了全工况点的数值模拟,分别得到了它们的扬程流量特性曲线。通过流场,外特性曲线分析比较,得到了有效抑制GSB-80/300型的诱导轮离心泵小流量不稳定特性的最佳参数组合的孔板。     

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。     

离心泵前置导叶的正交优化设计

为研究前置导叶各设计参数对离心泵水力性能的影响,对一IS系列离心泵运用二元理论自编程序完成其前置导叶的水力设计。应用L_9(3~4)正交表,选取导叶轮毂半径r、长宽比R_(1b)、安放角分布规律n及出口边速度环量C_ur为设计参数,对其进行4因素3水平正交设计并得到9组导叶。对加装导叶的离心泵进行全流道数值计算,以扬程和水力效率为考察目标并利用极差方法分析影响其水力性能的主次因素,得到最佳方案。对最佳方案下导叶进行加工并试验,结果表明:数值模拟与试验结果基本吻合,综合优化后相比于未加装导叶的离心泵,加装导叶时离心泵扬程变化不大,水力效率提高1.43%,轴功率减少了0.83 kW,总能耗节能约2.06%,同时验证了正交优化方法的可行性及可靠性。     

贯流风机内动静干扰发声机理的研究

本文通过实验与数值计算方法,探讨了贯流风机内动静干扰的现象及其诱导的噪声特性.文中给出了贯流风机流场的三维大涡数值计算结果,分析了声源场的特性,指出贯流风机流场具有较强的随机性。分别对直叶轮及斜叶轮气动性能及远场噪声进行实验测量,讨论了两种叶轮的优劣性。使用微压传感器对蜗舌出口处边界层压力脉动进行采集,给出了此处边界层辐射噪声源的相关分析.通过对实验结果分析指出声源脉动的宽频特性是被测风机噪声呈现宽频的主要原因。     

多级离心泵半开式叶轮参数优化的数值研究

为了改进和完善多级离心泵的性能需求,本文采用CFD(计算流体力学)方法,建立了包含叶轮、导叶、叶轮前后间隙、密封口环和平衡孔的三维全流道实体模型,重点对叶轮结构进行了参数化的分析与研究,比较了不同参数的叶轮对多级离心泵的性能影响,基于模拟结果给出了改善低比转速多级离心泵性能的结构和设计建议,该数值方法的提出和完善可为多级离心泵的水力性能提高提供参考和依据。     

空化数对离心泵水力性能影响的数值研究

采用发展的Reynolds-Averaged Navier-Stokes方程和液相/气相界面跟踪方法的单相空化模型数值求解技术,开展了空化数对离心泵的水力性能影响特性的数值研究。在两种空化数下,数值预测的离心泵水力性能与试验数据具有很好的一致性,验证了数值预测方法的可靠性和实用性。研究了不同空化数下离心泵水力性能能头的变化规律和离心泵叶轮内附着空化空泡的形状变化特性。研究结果表明,离心泵内空化空泡尺寸随着空化数的降低而增加,离心叶轮附着空化空泡尺寸的增加降低了离心泵的能头,使得离心泵水力性能下降。     

离心泵瞬态操作条件下内部流动的数值模拟

为研究离心泵在瞬态操作条件下的内部非定常流动演化过程,分析外部瞬态特性的内流机理,采用滑移网格方法对快速启动过程中的离心泵内部流动进行数值模拟.建立了包含循环管路和泵在内的完整系统模型,分析了叶轮从静止到最高转速的瞬态过程的流动演化,比较了管路阻力特性对瞬态特性的影响,探讨了数值方法对求解三维瞬态流动的适应性.分析结果表明,基于非定常流动分析的瞬态外特性预测结果与实验结果能较好吻合,所采用的计算方法和得到的结果为瞬态操作条件下离心泵内部流动的诊断和优化建立基础.     

基于BVF流场诊断的高比转速离心泵叶轮优化

高比转速离心泵由于流道较宽,叶片扭曲较大,基于一元理论的传统离心泵叶片设计方法并不适用。本文对一种采用速度系数法设计的高比转速(n_s=271)潜水泥泵叶轮进行了泵内三维流场的数值模拟;根据泵内流动计算结果,基于涡动力学的边界涡量流(BVF)诊断方法,通过调整叶片设计参数和轴面流线对泵的叶轮进行了优化。结果表明;优化后的泵水力性能得到了较大改善;借助BVF的流场诊断方法可有效地捕捉到泵内不良流动的根源,从而为改善叶片设计指引方向。     

贯流风机变斜式叶轮和常规直叶轮的对比研究

本文对贯流风机变斜式叶轮和常规直叶轮进行了三维数值模拟和实验研究。结果表明贯流风机内部偏心涡的位置沿轴向具有明显的三维分布特征,两者偏心涡的圆周位置沿轴向不断变化,而直叶轮偏心涡的径向位置沿轴向的分布几乎没有变化。变斜式叶轮中偏心涡的位置更加靠近叶轮内圆周和风机的蜗舌。采用变斜式叶轮可以降低叶片通过频率噪声并改善音质。为验证本计算方法的可靠性,计算的流量和压力特性曲线和实验结果进行了比较,吻合良好。     

离心泵叶轮内空化流动的数值预测

采用发展的基于液相/气相界面跟踪方法和Reynolds-Averaged Navier-Stokes方程求解技术的空化模型和算法,数值模拟了无空化和空化系数为0.07时离心泵水力性能与流量系数之间的关系,预测了离心泵叶轮内发生的多区域空化流动现象.研究结果表明,在空化系数0.07时,存在临界流量系数.此时离心泵水力性能突然下降.在空化系数0.07下,流量系数接近临界流量系数时,离心泵叶轮的压力面和吸力面均发生附着空化空泡,导致离心泵水力性能迅速下降.研究结果证明了所发展的空化模型和算法能够应用于离心泵空化流动时的性能预测.     

数值模拟两相汽蚀流动的新模型和算法

提出了数值模拟两相汽蚀流动现象的新汽蚀模型和算法.提出的汽蚀模型和算法耦合了考虑紊流粘性效应的Reynolds-Averaged Navier-Stokes方程求解方法,可以自动模拟空泡起始点、空泡长度和汽蚀空泡形状.在流场计算和界面修正的迭代计算过程中,跟踪并得到液相/气相界面.数值模拟了圆锥形圆柱体和半球形圆柱体在不同汽蚀系数下的汽蚀流动现象,得到了与实验值完全吻合的数值模拟结果,并且与已发表的数值研究结果进行了比较.计算结果表明提出的汽蚀模型和算法能够有效地模拟汽蚀流动中的气泡界面和气泡长度,汽蚀模型和算法的正确性和实用性得到了相应的验证.     

横流风机轴向交错叶轮的噪声研究

本文研究了横流风机轴向交错叶轮的气动及噪声特性。首先进行了横流风机的气动性能实验并开展数值解析。用数值解析得到的固壁表面脉动压力进行噪声预测,噪声预测模型采用Farassat 1A方程。在预测过程中对叶轮交错角做出假设,转化成各节叶轮流场的时间延迟,并考虑了风机轴向长度带来的影响。计算结果给出了单一叶片周向旋转噪声辐射的分布情况,分析了噪声源的位置和机理。预测的远场声压从时域和频域与相应的五种具有不同轴向交错角度叶轮的实验结果相验证,揭示了风机的叶片通过频率噪声随叶轮交错角度的变化规律。     

离心泵叶轮中固体颗粒运动轨迹计算

为了研究固体颗粒在离心泵叶轮中的运动规律,利用有限元法对低比转数离心泵叶轮的S_1流面的流动进行了流场计算.在此基础上用拉格朗日法计算颗粒的轨迹,计算结果能与实验结果相吻合.     

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。     

叶轮机械设计与影响性能及内流的若干重要问题

本文按照假想等价速度三角形的概念及应用平面叶栅资料,给出了叶轮机械准三元设计时Ｓ１流面叶片造型的几种不同方法,通过设计例作了比较。同时用数值计算和实验结果,对影响叶轮机机械性能及内流的若干重要问题如叶顶间隙、来流条件（前置进气箱、进口速度畸变、预旋等）进行了讨论。     

高速开式离心泵内部的流动特性研究

基于N-S方程应用标准的k-ε湍流模型对高速开式离心泵进行三维湍流数值模拟,得到了流道内的压力场、速度场的变化规律,揭示了回流等流动现象,验证了液流冲击、流动不均匀和回流是开式叶轮效率低的主要原因;通过对蜗壳进口速度和压力沿周向分布的分析看出分布呈现明显的波动特征,验证了叶轮与蜗壳的干扰所造成的周向流动的不均匀性是非常强烈的。预测出其性能曲线,计算与试验结果吻合良好,证明该计算方法具有较高的可靠性。     

诱导轮泵的汽蚀特性和内部流场的研究

对二个叶片的平板螺旋形诱导轮泵的汽蚀性能，叶轮内的空泡发展和内部流动进行了测试。发现随着吸入压力的降低，二个叶片上原来同样发展的空泡之间有时会失去平衡，出现一个叶片的空泡激剧缩小，而另一个叶片的空泡随之增大这种交错叶片空泡的现象。这种现象有时会使诱导轮的理论扬程和实际扬程急速下降。利用上述测试结果对该现象引起杨程下降的机理作了探讨。     

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。     

离心泵叶轮叶片通道三元流场数值解法的一些研究(与解析解的对比)

一、前言 离心泵叶轮设计时宜采用数值方法计算叶轮叶片通道中三元流动参数分布,据之进行选型.故需对叶轮叶片通道三元流动参数数值计算方法进行研究.在吴仲华教授两类流面理论基础上,准正交面法可以用微型计算机以较少的计算时间求得三元流场数值解,并巳用于很多离心压气机叶轮设计选型,取得了显著的效果.