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.

混流式水轮机转轮内部三维紊流的数值分析

本文基于Ｎ－Ｓ方程和标准的ｋ－ε紊流模型，采用贴体座标和交错网格系统，用ＳＩＭ－ＰＬＥＣ算法对一比转速ｎＳ＝２４０（ｍ，ｍ３／ｓ，ｒ／ｍｉｎ）的混流式水轮机模型转轮内部的流动进行数值模拟，提出了三个典型工况时三维紊流数值计算结果，初步分析了转轮的汽蚀和能量特性，为改进设计提供了一些有益的参考资料。

水轮机蜗壳和固定导叶内部三维紊流流场数值研究

The spiral casing and stay vanes are important through flow parts of a hydraulic turbine.Their internal flows have significant influence upon the hydraulic efficiency and performance of the turbine. Based on the solution of Navier-Stokes equations and the standard k-εturbulence model, the numerical simulation on internal flows through the spiral casing and stay vanes of a model hydraulic turbine applied for the Sanxia (Three-Gorge) hydro power project has been carried out by using the body-fitted coordinates, the staggered grid system and the SIMPLEC algorithm in the present work. Calculated results are presented at the design operating condition for the spiral casing and stay vanes, which give a valuable referenceto improve their design.

水轮机活动导叶内部三维固液两相紊流计算及磨损预估

本文报导了水轮机活动导叶内部固液两相紊流的三维数值分析结果和磨损预估结果。文中基于N－S方程和两相紊流的k—ε—Ap模型，采用贴体坐标和交错网格系统，用SIMPLEC算法对水轮机活动导叶内部的固液两相紊流进行数值模拟，提出设计工况时活动导叶内部的两相紊流特性。在数值模拟的基础上，根据Finnie模型预估了活动导叶的磨损。并与Drtina的实验结果进行了比较．

离心泵压水室内部流动数值模拟

基于标准的k-ε双方程紊流模型,采用SIMPLEC算法,在贴体坐标系下,通过求解三维Navier-Stokes方程,对一离心泵压水室内部流动进行了数值模拟和分析,得到了内部流动的主要特征 研究表明:按常规水力设计方法设计的压水室,在压水室径向断面内存在明显的二次流,速度矩也有明显的梯度

离心泵前置导叶设计与试验

借鉴传统风机前置导叶调节的经验,并针对其采用的二维翼型在叶片轮毂处由于翼型弦长较短对流体控制能力较差的缺陷,提出一种全新的适用于离心泵前置导叶预旋调节的空间导叶水力设计方法,该方法假定前置导叶出口的流体满足等速度矩条件,通过四次分布函数给定叶片安放角沿轴面流线的分布规律来控制叶片的空间形状,采用逐点积分法进行叶片骨线绘型,在圆柱展开面上对叶片骨线双面加厚完成三维空间导叶的水力设计。在此基础上,将该导叶应用于某离心泵,并对其在不同轴向位置和不同预旋角下进行了性能试验。结果表明:三维导叶能够有效拓宽离心泵的高效运行范围,改善其在非设计工况下的水力性能,且与无前置导叶工况相比,最高效率可提高2.0%,从而达到为离心泵增效节能的目的。

稠纤维浆液离心泵进口流动与纤维的流动化

本文介绍了一新型稠纤维浆液（质量浓度Ｃｍ＝６～１５％）输送用固液气三相流离心泵。着重研究了在各种不同工况下该泵进口流动模型及其制约因素，从而揭示了泵进口吸入管中稠纤维浆液流动化的机理，为建立该类泵的设计理论和方法提供了一些有益的资料。

国外油气多相混输叶片泵研究概况

多相混输叶片泵同时兼备泵与压缩机两种流体机械的性能。主要介绍“海神”多相混输叶片泵P300，P301和P302的研制和发展概况。在此基础上，讨论了混输叶片泵的工作原理，进而就设计中的几个特殊问题进行了探讨。分析表明，随着混输叶片泵级数的增加，通过各级叶轮的气体体积含量逐渐减小，而输送介质的密度则逐渐增大。由此，导致通过各级叶轮的体积流量和所产生的压升将随叶轮所在级数的不同而不同。对于设计相同的叶轮来说，越向后级，通过的体积流量就越小，而产生的压升则越大。

水力机械转轮内的CFD分析及优化设计

本文基于Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程和标准的ｋ－ε紊流模型，模拟了转轮内的三维紊流场。同时，建立了一种现代水力机械转轮的设计方法；采用ＣＡＤ－ＣＦＤ系统，依据三维紊流场的预测结 果优化转轮内相关的几何参数，使得转轮内的流态接近理想流态，从而保证优化转轮的良好性能。

混流泵导叶对其性能的影响

采用两类相对流面迭代计算轴面流网,给定不同的导叶进口安放角、安放角沿流线分布规律及进出口边位置,通过逐点积分绘制空间骨面,在保角变换平面内完成加厚与修圆,设计了一系列混流泵导叶.应用SIMPLE算法,求解雷诺时均N-S方程与标准k-ε方程,模拟了同一叶轮匹配不同导叶时混流泵内部的全流道三维湍流流场,并预测其水力效率,得到导叶包角与水力效率随不同设计参数变化的曲线,结合导叶前后截面内相对速度、静压和总压分布,分析不同设计参数对于混流泵性能的影响.结果表明:导叶进口安放角对于混流泵性能的影响最为显著,选取适当可以减小进口冲击损失;安放角沿流线变化规律的选取需要考虑控制包角大小,以减小导叶区的水力摩擦损失;进出口边位置选取过程需要考虑导叶的能量转换能力与水力摩擦损失的影响.

离心泵叶轮区瞬态流动及压力脉动特性

目前离心泵过流部件的瞬态流动分析主要集中在蜗壳内,对旋转叶轮区内的流动特性研究较少。基于RNG k-ε湍流模型和滑移网格,对不同工况下离心泵内部瞬态流场进行数值模拟,计算得到的离心泵扬程和效率曲线与试验结果吻合较好。在离心泵叶片正背面分别设置3个监测点,分析叶轮区压力脉动特性。结果表明,设计工况下叶片正背面压力脉动的主频为叶轮转频或2倍叶轮转频,非设计工况下其主频均为叶轮转频。从叶轮进口到出口,叶片正背面的压力脉动最大幅值都逐渐增大。同一监测点上压力脉动最大幅值在小流量时最大,约为设计工况下5倍。分析小流量工况下叶轮内部相对速度分布,叶轮出口处附近随时间变化的旋涡是内部流动不均匀的主要原因,使得离心泵在该工况下运行效率低、压力脉动强度大。

前置导叶预旋调节离心泵性能的数值预测与试验

在分析叶轮进口流态的基础上,给出了一种用于调节离心泵工况点的前置导叶水力模型设计方法,目的是通过减小离心泵在变工况条件下叶轮进口的冲击损失和回流损失来改善在非设计工况的水力性能,拓宽高效运行范围。基于SIMPLEC算法,通过数值求解Reynolds平均Navier-Stokes方程和RNGk-ε湍流模型方程,模拟了不同预旋角度下前置导叶离心泵全流道的三维湍流流场,外特性计算结果和试验数据吻合较好。在此基础上,分析了离心泵前置导叶预旋调节的基本规律及调节机理。

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。

带有前置导叶离心泵空化性能的试验及数值模拟

为分析前置导叶对离心泵空化性能的影响,在不同流量下开展带有前置导叶离心泵的空化性能试验,得到无导叶、导叶预旋角±12°时的离心泵空化性能曲线。空化性能试验结果表明,离心泵的临界空化余量LNPSHc随流量的增大近似线性增大。基于均相流假设的完全空化模型,考虑空化流可压缩性的影响修正RNGk-ε湍流模型,采用SMPLEC算法,数值求解雷诺平均的Navier-Stokes方程,模拟离心泵安装前置导叶前后不同工况下的全流道空化流动。计算得到的H-LNPSHa曲线与试验数据吻合较好,验证计算方法的准确性。基于数值模拟结果,分析不同工况下叶轮内部空泡体积率的分布规律,发现前置导叶预旋调节对离心泵叶轮空化性能的影响较小,并能有效改善叶轮进口流态,使压力分布更均匀。

可逆式水泵水轮机转轮的三维反问题优化设计

与常规的水泵或水轮机转轮相比,可逆式水泵水轮机转轮要兼顾水泵和水轮机2种工况下的性能,设计要求高、难度大,且影响转轮性能的设计参数较多,很难通过设计-修正-试验的方法获得2种运行工况下性能均优的可逆式水泵水轮机转轮。针对这些困难,该文将三维反问题设计、CFD计算与多目标优化策略相结合,构建了可逆式水泵水轮机转轮的优化设计系统。该设计系统不仅可缩短转轮设计周期,且能对多个运行工况下的多个目标同时进行优化。利用该优化设计系统,以叶片载荷和叶片倾角为优化变量,以水泵设计工况点的转轮效率和水轮机额定工况点的转轮效率为优化目标,以水泵设计工况的扬程为约束,对某一抽水蓄能电站的水泵水轮机转轮进行了优化设计。结果表明利用该优化设计系统能够设计出在水泵和水轮机2种运行工况下转轮水力效率均高于95%的可逆式水泵水轮机转轮,其中水泵设计工况下转轮效率提高了0.15%,水轮机额定工况下转轮效率提高了2%,表明了该优化设计系统在提高可逆式水泵水轮机转轮性能方面的可行性和有效性。该研究可为水力机械,包括水泵水轮机、常规水轮机、水泵的设计开发提供参考。

离心泵叶轮正反问题迭代设计方法

基于流体的连续方程和运动方程,建立了S1流面速度势函数方程和S2流面速度梯度方程,并通过两类相对流面的迭代求解完成了离心泵内部流场的正问题计算。基于正问题计算得到的轴面流场,应用逐点积分法进行叶片绘型,在轴面上加厚叶片,在保角变换平面上修圆叶片头部,实现了离心泵叶轮的反问题设计。利用正问题计算的轴面流场进行反问题设计,将反问题设计得到的叶轮进行正问题计算,正反问题迭代计算直至收敛,得到最终设计的叶轮。该方法反问题设计所需的轴面速度采用叶轮正问题计算的结果,弥补了传统设计方法中轴面速度根据一元假定给出的缺陷,设计得到的叶轮负荷均匀、效率高、抗空化性能好,同时具有设计计算精度高、叶片表面光滑、数据齐全、便于数控机床加工制造等特点。

高速水流中旋涡空化所引起的空蚀和振动

为了研究旋涡空化所引起的空蚀和振动观象以及二者的关系,采用高速摄影的方法,观察了发生在射流放水阀山部的空化形态。采用快速富里叶变换（FFT）分析了空化所引起的振动。采用失重法,进行了空蚀实验。结果表明,旋涡空化能引起严重的空蚀和剧烈的振动。在旋涡空化发展的个同阶段,其所导致的振动和空蚀呈观了个同的特性。当Sσ>0.74时,随空化数的变化,振动和空蚀呈现了相同的变化趋势,但是,在0.50<σ<0.74的范围内,振动和空蚀呈现了相反的变化趋势。这是由于水流中空化旋涡的数目和形态随空化数的变化,以及旋涡空化引起振动和空蚀的机理不同所造成的。

离心泵叶轮内部流场的数值计算

为弥补基于传统一元理论方法中流场计算的不足,该文基于流体的连续方程和运动方程,用Fortran语言编程实现了离心泵叶轮内部流场的数值计算,S1流面上采用有限单元法、S2流面上采用流线曲率法,2类流面迭代计算直至收敛得到离心泵叶轮内部流场分布。对2类相对流面方法计算得到的叶轮内部流场进行了分析。结果表明,叶轮内部相对速度分布合理,叶片头部受冲击作用,压力面和吸力面流速相差较大。叶轮内部压力分布从进口到出口逐渐增大,梯度较小,叶轮做功平稳,进口处压力从后盖板到前盖板逐渐降低。同时考虑流体的连续方程和运动方程后,对比传统一元理论方法的计算结果,计算得到的轴面速度从后盖板到前盖板间各条流线的分布规律相差较大,在叶轮进口段差别最大,具有较强的三维特征,表明本文数值计算结果可更好地反映离心泵叶轮内部的三维真实流动规律。

混流泵叶轮设计正反问题迭代方法

基于两类相对流面流动理论,通过迭代计算求解流体的连续方程与运动方程,得到混流泵叶轮内的轴面流场,实现了正问题计算.基于轴面速度分布规律,采用逐点积分法完成叶片骨线绘型,并在轴面内进行叶片加厚,在保角变换平面内对叶片头部和尾部进行修圆,完成了反问题设计.以此为基础,将正问题与反问题相结合,提出了混流泵叶轮正反问题迭代设计方法.在该设计方法中,正问题计算为反问题设计提供流场信息,反问题设计则为正问题计算提供叶轮模型,正反问题反复迭代直到收敛,最终完成叶轮的设计.结果表明:根据正反问题迭代方法设计得到的叶轮载荷分布均匀,水力效率高.该方法弥补了传统方法设计叶片时轴面流动计算仅满足流体连续方程的缺陷,同时考虑了叶片形状对轴面流动计算的影响,最终设计得到的叶片型线同时满足流体连续方程和运动方程,该方法提高了叶轮设计计算的精度,为进一步开展混流泵叶轮的优化设计研究提供了重要的平台.

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。