旋流泵叶轮流道固液两相流动不稳定性分析

由于结构的特殊性以及固液两相存在的密度差,旋流泵在输送固液两相介质过程中,内部会出现多方面的不稳定性特征,基于Particle模型,运用ANSYS CFX软件对额定转速下旋流泵在不同流量下输送不同固相体积分数的多种工况进行了非定常数值模拟,分析了叶轮流道内的固相分布、压力脉动和叶轮径向力,从而深入了解叶轮内部不稳定性。结果表明:在C_(v)=5%体积分数下,0.8 Q_(d)、1.0 Q_(d)流量下叶轮流道内固相体积分布均匀,1.2 Q_(d)分布不均匀;在C_(v)=10%体积分数下,0.8 Q_(d)流量下分布均匀,1.0 Q_(d)和1.2 Q_(d)流量下分布不均匀;在C_(v)=20%体积分数下,0.8 Q_(d)、1.2 Q_(d)流量下分布均匀,1.0 Q_(d)分布不均匀;在C_(v)=20%、1.0 Q_(d)工况的一个旋转周期内,叶轮内部始终存在一个条形固相分布区域,且其旋转速度滞后于叶轮旋转速度。在1.0 Q_(d)流量下,随着固相体积分数的增加,各监测点压力系数幅值波动逐步变大;后缩腔监测点叶频处的幅值基本不变,叶轮流道内监测点轴频处的幅值逐步变大;在C_(v)=20%体积分数下,随着流量的增加,各监测点压力系数幅值波动先增后减,后缩腔监测点叶频处幅值逐步增大,流道内监测点轴频处的幅值先增后减。相同固相体积分数下,随着流量的增加,径向力逐步增大;不同固相体积分数下,随着体积分数的增加,0.8 Q_(d)流量下径向力波动不大,1.0 Q_(d)流量下波动逐步变大,1.2 Q_(d)流量下波动逐步变小。

叶顶间隙对螺旋混流式喷水推进泵内流及推进特性的影响

喷水推进泵是舰船泵喷推进系统的核心部件,喷水推进泵在工作过程中,叶顶间隙处所产生的泄漏流会严重影响混流泵的工作性能。为了探讨叶轮叶顶间隙对喷水推进泵推进特性的影响,本文定义了叶顶间隙系数τ,设计了六种不同叶顶间隙系数模型并使用Ansys进行仿真分析,最终得到叶顶间隙对于喷水推进泵内流以及推进特性的影响规律。结果表明:随着叶顶间隙系数的增大,叶顶间隙处泄漏流逐渐增加,泄漏涡影响范围变大,轴向推力随着叶顶间隙系数的增大呈负指数下降,叶顶间隙处泄漏量随指数上升,喷水推进泵内流损失增加,推进效率持续减小,并且在大流量工况下叶顶间隙对喷水推进泵推进特性影响最大,在设计的六套模型中,叶顶间隙系数为0.08,叶顶间隙为0.16mm时效率最高。通过本文的研究可以发现,叶顶间隙对于喷水推进泵内流以及推进特性影响较大,在设计时应尽量减小叶顶间隙。

大型液压全调节立式混流泵叶片调节装置改造技术研究

皂河抽水站主水泵采用液压式叶片调节装置,叶片调节通过上、中、下三节操作油管将压力油输送到转轮叶片接力器,再通过接力器转轴传动完成叶片调节,其结构复杂、密封件繁多、检修困难。从现有叶片调节装置结构及叶片调节力等方面分析,探索叶片调节装置的改造方案,解决其密封要求高、检修难度大的问题。

一种用于核电大型立式泵组振动治理的新方法

某核电厂多台大型立式泵组由于结构共振导致电机振动超标,先后通过动平衡、支撑调整、扭矩调整等方式进行振动治理,降振效果不佳并且振动反复发生。鉴于结构共振传统治理方案的局限性,并结合核电机组运行的特点,决定采用调谐质量阻尼技术用于泵组的振动治理。经过现场测绘、模型设计、强度校核、仿真分析、制作测试以及现场验证,降振效果显著,同时现场实施方便,对设备无需改动。通过该案例的介绍,为旋转机械振动治理提供了一种新的借鉴方法。

含气率对循环水泵内部流动特性的影响

为了研究循环水泵气液两相工况下的内部流动特征及流体激励力变化,采用欧拉-欧拉非均相流模型,对循环水泵内气液两相流进行了数值计算,分析对比了0%~10%含气率下循环水泵的水力性能和压力脉动、流体激励力、涡分布等内部流动特征。研究结果表明,随着含气率增加,循环水泵水力性能逐步下降,10%含气率工况扬程较0%含气率工况下降了11.5%,并且含气率从5%增加到10%时扬程下降速度明显增大;当含气率从0%增至10%,叶轮出口压力脉动逐渐减弱,蜗壳隔舌处压力脉动呈先加强后降低趋势;在不同含气率下循环水泵径向力和轴向力的主频均为叶频(9.1 Hz),径向力和轴向力的振幅受含气率影响较大;发现叶轮叶片吸力面进口处和叶片尾缘的涡分布面积随含气率上升而增大。

不同空化余量下高比转速轴流泵叶轮区压力脉动特性

为了研究空化对高比转速轴流泵叶轮区压力脉动的影响,以某比转速约1100的轴流泵为对象,通过压力脉动测量、高速摄影技术,分析了不同空化余量下叶轮区的压力脉动特性。研究结果表明:设计工况下空化自叶片前缘处产生,以叶顶泄漏涡(tip leakage vortex,TLV)空化为主,大流量工况下空化自叶片进口边工作面产生,以片空化为主。随着空化余量的降低,空泡引起的流动阻塞及低压区范围扩大对叶轮区监测点压力脉动影响逐渐加大,叶片前缘监测点P_(1)及叶片尾缘监测点P_(3)的压力脉动变化主要表现为低频脉动成分增加,波形中高阶谐波成分降低;而叶轮中部监测点P_(2)受空泡运动扰动的影响,波形中高阶谐波分量上升,高频脉动成分增加。除设计流量和大流量工况下监测点P_(1)压力脉动强度呈现整体下降趋势,各监测点压力脉动强度分布中通常存在一个局部上升点,空化的产生在某个空化余量范围内导致叶轮区的脉动强度增大。该研究分析了不同空化余量下叶轮区压力脉动特性,结果可为轴流泵的安全稳定运行提供参考。

混流泵压力脉动特性及其对流动诱导噪声的影响

为了研究不同工况下混流泵内部压力脉动特性及其对流动诱导噪声的影响,基于RANS方程和SST k-ω湍流模型,对混流泵进行非定常数值计算,在此基础上取叶片表面非定常压力脉动作为声源,采用间接边界元法对由叶片旋转偶极子源所引起的外场噪声进行数值计算。结果表明:混流泵叶轮进出口处的压力脉动幅值均是沿着轮缘到轮毂逐渐减小,叶轮进口处压力系数的最大值是出口处的2倍;沿着蜗壳周向,隔舌部位处压力脉动最为剧烈,随着监测点的位置远离隔舌,其压力脉动情况逐步改善;不同工况下,混流泵内各处的压力脉动主频均保持叶片通过频率不变;混流泵叶轮和蜗壳之间的动静干涉作用是引发流动诱导噪声的主要原因;流动诱导噪声的主频是由压力脉动主频以及泵体结构的固有频率综合决定的;不同工况下,混流泵内部压力脉动程度越强,该工况对应的流动诱导噪声辐射水平越强。该文对混流泵机组的稳定运行以及流动诱导噪声的控制提供了参考。

基于NSGA-Ⅱ遗传算法高比转速混流泵多目标优化设计

为进一步探索优化高比转速混流泵水力性能的方法,该文选用比转速为803的高比转速混流泵为研究对象,运用商用软件ANSYS CFX 15.0,选取剪切应力传输(shear stress transport,SST)湍流模型对其内部流动进行计算。以高比转速混流泵的水力效率、扬程为优化目标,采用给定沿叶轮叶片轴面流线的速度矩的分布规律来实现对叶片的间接参数化,以描述该速度矩分布的四次多项式的3个参数为优化变量。采用均匀试验设计安排样本空间,利用径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络拟合优化变量与优化目标间的映射关联,最后结合NSGA-Ⅱ遗传算法进行多目标寻优,取效率最优个体和扬程最优个体与初始模型进行分析:得到了上述3个个体的速度矩分布规律与各微元段包角沿轴面流线的变化趋势,效率最优与扬程最优时叶片包角,即各微元段包角之和,分别为75.15°、67.85°。给出了0.5倍叶高处叶轮导叶的相对流线、速度、静压分布以及0.2倍、0.5倍、0.8倍叶高处叶片相对弦长的静压分布。试验证明,效率最优个体的效率较初始个体提高了1.12%,与CFD(计算流体动力学,computational fluid dynamics)计算结果 1.33%接近。该优化方法改善了叶轮的水力特性,提高了高比转速混流泵的性能,为高比转速混流泵的优化设计提供了参考。

不同叶顶间隙对斜流泵性能影响的数值分析

斜流泵具有高效,启动特性好,运行工况宽等特点。目前斜流泵设计时,无法定量评估叶顶间隙对性能影响的敏感性。为了揭示不同叶顶间隙值对斜流泵内部流场和性能的影响,给定叶顶间隙选取的范围。分别选取无叶顶间隙和叶顶间隙分别为0.5,1.0,1.5 mm共4种设计方案的斜流泵为对象,基于剪切压力传输模型(shear stress transport,SST k-ω)湍流模型,SIMPLEC算法与块结构化网格,对斜流泵内部流场进行数值模拟和试验验证。结果表明,叶顶间隙为0.5 mm时,可以有效抑制斜流泵的扬程-流量正斜率特性,此时斜流泵的效率值最高;无叶顶间隙时,斜流泵扬程-流量正斜率特性较为明显;叶顶间隙为1 mm时,数值模拟与试验结果吻合较好,SST k-ω模型可较好模拟斜流泵叶顶间隙区流动特征,性能预估结果具有一定的可信度。在小流量工况下,叶顶间隙为0.5 mm可有效抑制斜流泵的正斜率不稳定特性。小叶顶间隙0.5mm时,斜流泵水力性能最优;叶顶间隙增大时,叶顶泄漏流动逐渐显著,叶轮出口近壁区轴面流速和涡量分布规律显著变化,表明叶顶间隙直接影响叶轮轴面速度分布规律和叶片负荷分布规律,由于受壁面摩擦阻力和液体黏滞阻力的影响,叶轮轮毂和叶顶间隙侧的叶轮轴面速度较小;叶顶间隙增大时,叶轮轮毂和叶顶间隙侧叶片负荷急剧衰减,影响叶片的做功能力。同时,叶顶泄漏流动区域与叶片主流区域的掺混效应,使叶片轮缘的低速区扩展到叶轮流道内部的主流区域,引起叶轮流道内部主流流动的堵塞效应,产生二次流动、漩涡等流动不稳定现象。上述研究结果,揭示了叶顶间隙对斜流泵内部流场和性能的影响机理,为斜流泵叶顶间隙的选择提供了理论依据。

高比转速混流泵叶轮设计方法

基于二元理论,用FORTRAN语言编程实现了高比转速混流泵叶轮的水力设计.给出采用流线迭代法求解轴面流动,应用逐点积分法进行叶片绘形,在轴面上进行叶片加厚和在保角变换平面上进行叶片头部、尾部修圆的基本理论和方法;讨论了轮毂比、速度矩分布函数、叶片进出口边位置等对设计计算结果的影响.该方法有效地提高了设计效率,具有设计计算精度高、得到的叶片表面光滑、叶片表面数据齐全、便于数控机床加工制造等特点,为高比转速混流泵系列叶轮的研发提供了一个平台.

混流泵开机瞬态水力特性的试验与数值计算

采用试验研究与数值计算相结合的方法,获得混流泵瞬时开机的实验结果和数值计算模型.介绍了水泵瞬态试验装置和试验方法,给出了混流泵开机过程的试验结果,并将其与稳态假设的结果进行比较分析.基于水泵内特性建立了混流泵瞬态水力特性解析方程,并与配套管路一维不稳定流动特性方程联立,获得求解混流泵开机过程瞬态水力特性的数值模型.试验结果显示,在开机过程中,混流泵的流量、扬程随着转速的迅速上升而增大,无量纲扬程从很大值迅速减小到低于稳态假设值,并在转速稳定后与稳态假设值相符,该过程表现出明显的瞬态效应.数值计算的结果与试验结果基本符合,说明数值模型能够用来预测类似混流泵开机过程的瞬态水力性能.

混流泵内流场压力脉动特性研究

基于RANS方程和SST湍流模型,应用SIMPLEC算法,对混流泵内流场进行非定常数值模拟,分析了不同流量工况和不同转速工况时混流泵内4个代表性监测面上压力脉动的时域和频域特性。取非定常计算的功率平均值与试验值对比,证明该数值模型可较准确描述泵内流场特征。结果表明:混流泵内最大压力脉动在叶轮进口,从轮毂到轮缘脉动幅值递增;在叶轮进口和叶轮出口压力脉动频率主要为叶轮叶频,而导叶中间和导叶出口压力脉动频率与流量工况相关;偏离最优工况越远脉动越大,偏小流量对叶轮进口压力脉动影响明显;不同转速时最优工况压力脉动频率成分相似,脉动幅值随转速增加而增加。

混流泵叶轮反问题设计与水力性能优化

基于三维反问题设计方法,结合CFD数值模拟,以混流泵叶片载荷分布参数为设计变量,以水力效率为优化目标,采用正交试验方法和响应面函数法建立设计变量与目标函数的关系,对混流泵进一步优化。分析了不同设计变量对目标函数的影响,发现叶轮轮盘进口处载荷对泵的水力效率影响最明显。通过数值模拟对比基准叶轮与优化叶轮性能,优化后的混流泵模型最优工况下的水力效率提高3.2%,且水泵扬程基本保持不变,优化体系具有良好的工程应用价值。

基于RBF神经网络与NSGA-Ⅱ算法的渣浆泵多目标参数优化

由于渣浆泵普遍存在扬程低于设计扬程、效率低、磨损严重等问题,该文选取比转速为75的离心式渣浆泵为研究对象,运用商用CFD求解软件Flunet,选取RNG k-ε湍流模型与欧拉两相流模型对其内部流动进行计算。以离心式渣浆泵的效率、高效区作为优化目标,结合Plackeet-Burman筛选试验,将渣浆泵叶片的进口安放角、出口安放角与叶片包角作为优化变量。采用均匀试验设计安排样本空间,利用RBF神经网络拟合优化变量与优化目标间的映射关联,基于NSGA-Ⅱ遗传算法进行多目标寻优。针对优化所得的Pareto解集,选取其中效率最优个体和高效区最优个体与优化前初始模型进行对比:分析了上述3个个体的通过数值模拟得到的性能曲线之间的差异,得到效率最优与叶片进、出口安放角、叶片包角为21.76?、23.43?、145.56?,高效区最优时为19.38?、22.68?、116.71?。通过试验验证,优化后个体性能得到显著提升,效率最优个体的效率较初始个体的效率提高了3.81%,高效区最优个体较初始个体高效区范围提高了4.33%。给出并分析了上述3个个体在叶轮流道中间剖面上固相相对速度矢量及湍动能分布、叶片工作面、叶轮后盖板的固相浓度分布差异。优化结果表明,该优化方法使叶轮的水力特性得到改善,提高了离心式渣浆泵的性能。

含气率对AP1000核主泵影响的非定常分析

为研究含气率对核主泵内部各点压力影响规律及不同泵进口含气率时气体在核主泵内的分布情况,在对核主泵进行水力设计与三维建模基础上,采用CFD技术对核主泵失水事故气液两相流工况进行瞬态数值模拟。通过模拟不同泵进口含气率时核主泵内部流动的瞬态特性,研究泵进口含气率对泵内各点压力的影响规律及气体分布。结果表明,泵进口含气率增大泵内各点压力随之降低;含气率小于0.1时其对监测点压力脉动主频振幅影响不大,且泵内气体聚集现象不明显;含气率大于0.2后监测点压力脉动主频振幅稍有下降,且泵内开始出现明显的气体聚集现象。

核主泵内部流动干涉的瞬态效应研究

为了揭示核主泵叶轮和导叶的流动干涉效应,采用相似换算法和多参数匹配法,基于RNG k-ε湍流模型与块结构化网格,对缩比系数为0.5的模型泵进行非定常数值模拟。结果表明:扬程脉动幅值与运行工况有关,额定工况时扬程脉动的幅值最小,偏离最优工况时,扬程脉动幅值逐渐增大。导叶内部流道产生不稳定的流量脉动效应,大于0.8Qd工况时,导叶内流量脉动瞬态效应不明显;小于0.8Qd工况时,导叶内流量脉动趋于不稳定。考虑到机组的水力稳定性,运行工况应大于0.8Qd。动静干涉使导叶内静压分布呈现周期性脉动,导叶压力面平均脉动幅值最大,吸力面平均脉动幅值最小,压力脉动的周期与叶轮叶片数有关;导叶内静压分布与叶轮尾缘和导叶前缘相对位置有关,叶轮尾缘对导叶入口流动的阻塞效应,是诱发导叶内静压脉动的主要原因。

速度矩分布规律的参数化描述及对混流泵性能的影响

为提升设计水平、改进混流泵叶片速度矩分布规律的给定,该文通过理论分析,对速度矩分布规律进行参数化表述,选取无量纲速度矩沿流线分布曲线的相对系数a0与速度矩分布曲线在叶片出口处的导数值P作为速度矩分布参数。基于混流泵叶轮正反问题迭代法设计平台,给定不同速度矩分布参数组合设计了一系列混流泵叶轮。基于SIMPLEC算法,通过求解N-S方程和RNGk-ε湍流模型方程,对混流泵叶轮内部三维湍流流场进行了模拟,获得了相对速度与压力分布,并预估了水力效率。研究表明,速度矩分布参数直接影响着叶片包角与出口边位置,进而影响到叶轮内部相对速度与压力的分布以及流动的稳定性。合理选择速度矩分布参数,有利于增强叶片对于流体运动的控制能力,改善叶轮内部压力分布,使叶轮具有更为优越的水力特性。该文提出的速度矩分布规律参数化方法,为混流泵叶轮设计过程中速度矩分布规律的给定提供了有益的借鉴。

混流泵叶片优化及基于状态方程模型的空化研究

在保证效率和扬程的前提下,为了最大限度地提高混流泵空化性能,利用基于正压流体状态方程的空化模型,开展了混流泵空化性能研究.发现原来采用速度系数法设计的5叶片混流泵叶片结构并不合理,泵叶轮设计工况下的临界空化余量较高.针对这一问题,增加混流泵的叶片数目为7片,并以效率和扬程作为目标函数,对7叶片混流泵叶片进口边形状、叶片前缘厚度以及叶片厚度变化规律进行了优化设计.混流泵优化前后3种不同叶片结构方案的空化性能对比分析结果表明:混流泵叶片进口边适当向进口方向延伸,叶片进口边前缘减薄,以及改变叶片厚度的变化规律,将使混流泵的临界空化余量大大降低.优化设计后的混流泵效率为90.857%,扬程为163.86m,优化后的临界空化余量为28.64m,相比优化前降低了45%,有效地改善了混流泵在设计工况下的空化性能,为今后该类高温高压混流泵的设计和优化提供了方向.

混流泵起动过程转子轴心轨迹的试验研究

混流泵起动过程中的振动失稳严重威胁着泵机组的安全,研究起动过程中的轴心轨迹,可以全面、直观地反映瞬态效应对机组运行稳定性的影响,掌握非调节工况下转子的振动状态。基于本特利408数据采集系统,测量获得了起动加速过程中不同转速下转子的轴心轨迹图和时域图,分解提纯一倍频和二倍频轴心轨迹图及其时域图,解析起动过程不同转速下的频谱图。研究结果表明,加速过程中,一倍频轴心轨迹由长短轴相差不大的椭圆逐渐变为圆形,可以判断转子存在弓状回转涡动且涡动不断加剧;二倍频轴心轨迹由近似水平线段逐渐变化为水平方向扁平的椭圆,可以判断转子存在不对中现象且水平方向的振动不断加剧。结合瞬态外特性曲线,研究发现随着转速的逐渐增大,转子系统的瞬时水力冲击逐渐增大,转子不平衡量和径向偏移量逐渐增大,振动情况逐渐加重,当转速达到最大值时,轴系振动出现一个峰值并随转速稳定有所降低并逐渐趋于稳定。加速是引起轴系振动的主要原因,瞬态效应是影响振动故障恶化的重要因素。研究成果对于实时评估混流泵起动过程中的轴系运行状态、有效降低或防止振动故障的恶化具有重要的工程应用价值和理论指导作用。

基于准稳态假设的混流泵启动特性分析

为了研究混流泵启动过程的准稳态性能,该文以瞬态外特性试验性能参数为依据,获得了混流泵准稳态计算的外特性曲线和无量纲扬程瞬态性能曲线,通过对3种转速下的压力场、速度矢量分析,总结出准稳态计算混流泵内部流动的一般性规律并与粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)测量的瞬态内部流场进行对比。研究发现,准稳态计算扬程呈现直线上升趋势,并随着体积流量的增大逐步偏离试验扬程;3种转速下泵内压力具有相同的分布趋势,叶轮进口截面相对速度矢量近似满足相似定律,并在低转速下出现大尺度的叶顶泄漏涡。与无量纲瞬态性能一致,瞬态PIV测量结果呈现出明显不同于准稳态工况的瞬态效应:在0.75 s时准稳态计算中叶顶泄漏明显,在外缘形成泄漏涡和进口边回流,而瞬态PIV测量中端壁区边界层正从层流向湍流发展;在1.07 s时准稳态计算中叶轮进口速度分布较为均匀,而瞬态PIV测量中流体在惯性力作用下呈现从轮毂向轮缘运动的趋势,卷吸效应较为明显;在1.35 s时准稳态计算结果与1.07 s时的速度场分布较为相似,而瞬态PIV测量中加速的卷吸效应更为显著,外缘高速流动区域随着转速的增加不断增大。该研究可为考证准稳态假设方法的准确度和揭示混流泵启动过程瞬态内部流动特性提供参考。