基于POD/DMD降阶模型的离心泵蜗壳内非稳态流动分析

为深入研究离心泵蜗壳内非线性耦合流动的本质流动特征,本文以一单级单吸式离心泵蜗壳为研究对象,分别采用本征正交分解和动态模态分解2种降阶模型对蜗壳内非定常流场数据进行模态分析,获取流场主导流动结构,并对原流场进行重构。研究发现:蜗壳内流结构主要由速度正负交错,并且周期性特征与叶频及其倍频相关的成对涡旋组成。本征正交分解和动态模态分解方法均可以捕捉流场主要流动结构,并对原流场进行准确还原,两者重构流场与原流场的均方根误差均在0.4%以内。尽管本征正交分解方法在重构流场时整体均方根误差更小,但无法获取单频率流动结构,而动态模态分解方法可以获得不同频率流动结构对流场的贡献,从而捕捉到复杂流场中的不稳定模态。研究成果可以为增强离心泵全局流动的认知、关键水力部件优化设计及发展主/被动流动控制提供理论参考。

颗粒参数对螺旋离心泵流场及过流部件磨损特性的影响

为了研究颗粒参数与螺旋离心泵过流部件表面磨损特性的影响,该文结合数值计算与试验方法,分别引入Mclaury和OKA 2种磨损预测模型对螺旋离心泵内固液两相流场进行求解,并将2种模型中所包含的关联因子函数进行了推导和分析,建立了颗粒参数与过流部件表面磨损的内在关联。结果表明:所采用的数值计算模型准确性较好,相对误差在可接受范围内;叶片工作面的磨损主要集中在叶片头部和螺旋段轮缘附近,叶片背面磨损主要发生在叶轮离心段,蜗壳内壁主要磨损区域为隔舌和靠近出口断面附近;颗粒粒径在0.05~0.16 mm范围内,粒径的增加促进磨损,而当粒径大于0.16 mm后,磨损增长放缓;颗粒体积分数在3%~6%范围内,颗粒体积分数的增加会加剧磨损,而从6%增加到7%时,隔舌处磨损持续增加,在周向角度为101°~326°的截面范围内,颗粒体积分数的增加会抑制蜗壳内壁磨损;颗粒速度与磨损呈正相关,且对磨损的影响较大,不同速度下蜗壳内壁各部位的磨损率变化趋势相近。在此基础上,给出了固液两相流泵水力设计和结构设计的优化方向,该文为提高两相流泵抗磨损性能提供了参考。

基于型线的螺旋离心泵叶轮做功能力研究

为研究螺旋离心泵叶轮各段做功能力,采用N-S方程和标准k-ε湍流模型对螺旋离心泵的内部流场进行数值模拟计算。在数值模拟基础上,考察沿叶片包角的全程速度、压力、体积分数等变化规律,借鉴翼型升力系数和阻力系数的概念,将叶轮对输送介质能量传递分解为离心力做功产生项、翼型升力做功产生项和容积变化产生项,引入离心力载荷系数、升力载荷系数和容积载荷系数的概念,用叶片载荷系数来分析螺旋离心泵叶轮各段做功能力,并且分析两相流介质对叶轮做功的影响。结果表明螺旋离心泵流体的能量主要是螺旋段提供的,叶轮前部螺旋段起到了多级加能的作用;固液两相流在螺旋离心泵内部做湍流运动,受叶轮螺旋推进和离心作用,使得固液两相以不同的速度运动。液相作为主相,能量转换主要是液体能量的变化,固相是在液体的裹协下运动,固体能量也是通过液体间接进行的。大粒径的固相和较高的体积浓度两相流更有利于两相流中的液体能量转换,相反,体积分数过高时,反而不利于能量传递。

基于大涡模拟的动静叶栅内固液两相流动

为研究离心泵动静叶栅内固液两相非定常流动情况,了解流道内的流动细节,以导叶式离心泵为研究对象,采用ICEM软件对模型泵进行结构化六面体网格划分,基于Mixture混合模型和滑移网格(sliding mesh)技术,运用大涡模拟(large eddy simulation,LES)模型对其全流道进行三维非定常数值计算.对比分析了清水和固液两相2种介质时,动静叶栅内的拟序涡流结构及演化过程的不同,并分析了固液两相流介质时流道内几个不同位置处涡的演化.结果表明:泵在输送清水和固液两相介质时,附着涡的结构基本保持不变,而由于叶轮旋转所产生的涡,在叶轮旋转运动的过程中则会有卷曲、合并、撕裂的演化形式;流道内的涡量大小分布规律在清水和固液两相介质下是相同的,但是固体颗粒的加入会加快涡的耗散速度,并且涡产生的位置和合并形式都发生了变化;固液两相介质时,动静叶栅内的涡在不同位置的演化过程是不同的.

螺旋离心泵叶轮域流体能量损失研究

以螺旋离心泵为研究对象,采用计算流体力学方法,对叶轮内部流场进行数值计算,分析了叶片工作面和背面轮毂、轮缘处的压强和速度分布。定义Rothalpy值作为能量损失定量评价的指标,对输送介质为清水和固相体积分数为20%、颗粒粒径为0.076 mm的固液两相含沙水在螺旋离心泵叶轮域的能量变化进行了分析,得出叶轮不同位置处能量变化规律。结果表明:叶轮螺旋段头部是整个叶轮域能量转换的过渡区域,螺旋段是叶轮域流体介质能量增加的主要区域,螺旋段中部的壁面摩擦损失对螺旋段做功能力有一定影响,液流在离心段能量损失最大;较输送清水,当输送固相体积分数为20%、颗粒粒径为0.076 mm的含沙水时,叶轮做功能力有所提高,在叶轮出口处,两类流体介质的能量趋于均匀。

单介质螺旋离心泵能量转换机理

为了研究螺旋离心泵叶轮各段做功能力和能量转换机理,从理论上分析了流体机械内部的流体流动情况,应用欧拉方程,将流体在叶轮中的能量分为动压头和静压头来处理,为采用数值模拟来研究螺旋离心泵内部流动和叶轮各段的做功能力提供了理论基础.在欧拉方程的基础上,采用Navier-Stokes方程和标准的k-ε湍流模型对螺旋离心泵内部流场进行数值模拟计算.通过模拟具体探讨了设计工况下,选取单介质为清水,在叶轮的作用下流场的速度、压力等变化规律,并将螺旋离心泵叶轮的轮缘线和轮毂线分段取监测点,从所取监测点之间各段的动压头和静压头变化来研究螺旋离心泵内的能量沿叶轮包角的转换能力.结果表明:螺旋离心泵流体的能量主要是由螺旋段提供的,叶轮前部螺旋段起到了多级加能的作用,叶轮使流体完成了从轴向至径向的过渡,液流的轴向速度由大变小,径向速度则相反.

叶片型线影响射流离心泵水力及旋转噪声特性分析

为研究叶片型线对射流离心泵水力性能及旋转噪声特性的影响,提升射流离心泵叶轮设计水平,应用高阶Bezier曲线对叶片型线进行参数化控制,采用Plackett-Burman方法进行参数的显著性分析和筛选,基于响应面法对敏感性较强的3个控制变量进行中心复合试验设计,建立射流离心泵叶片型线与效率、扬程、轴功率及旋转噪声之间的多元回归模型,确定水力性能和声学性能之间的映射关系。结果表明:叶片包角、叶片出口安放角、叶片进口直径对射流离心泵的水力性能和声学性能影响最为显著;方差分析法和系数法检验结果证明回归模型高度显著,能够反映叶型控制参数与响应目标之间的客观关系;较小的包角、较大的出口安放角、较小的进口直径有助于改善射流离心泵的水力性能,设计空间水力性能最优参数组合为包角φ=52.5°,出口安放角β2=50°,叶片进口直径Dj=14.5;叶型各控制参数编码靠近0水平时有助于改善声学性能,设计空间声学性能最优参数组合为包角φ=76°,出口安放角β2=33°,叶片进口直径Dj=18;声学性能和水力性能在叶片型线的样本空间内具有逼近Pareto解的能力,Pareto前沿解沿一条呈下的凸形曲线分布。

叶片槽隙的汽穴分割效应对诱导轮空化的抑制作用

为提升某型高速燃油泵的空化性能,该文基于汽穴分割提出了两种不同槽隙的诱导轮方案:全开槽隙和半开槽隙,并采用数值模拟对不同空化数时的诱导轮流场进行研究,将全开槽隙诱导轮模型(全开模型)与半开槽隙诱导轮模型(半开模型)的流场与原模型进行对比分析。研究结果表明:相比原模型,全开模型的扬程、效率都有明显提高;半开槽隙对水力性能的影响较小。在设计工况下,半开槽隙有着更好的抗空化性能;偏工况下,全开槽隙的抗空化性能更好。对诱导轮叶片进行槽隙处理可有效阻止叶片进口低压区的扩张,利用槽隙的分割作用将叶片进口部位分布的大尺度空泡分割为若干小尺度空泡,可抑制各工况下空化的发生与发展。此外,槽隙还能降低诱导轮进口处的压力脉动幅值,但对出口处的影响不大。全开槽隙诱导轮可明显降低进口叶缘处的湍动能分布,并减少进口段的能量耗散。

加工误差对压气机叶栅气动性能及稳定性影响的数据挖掘

为缓解加工误差影响评估过程中的"维数灾难",结合展向平均假设和基于高斯过程的Karhunen-Loève展开,提出了一种由法向加工误差导致的三维叶片表面几何不确定性降阶模型。通过给定加工误差分布的标准差函数求解几何不确定性降阶模型,并运用伪蒙特卡洛方法随机生成样本,最终训练人工神经网络预测了加工误差对高负荷直叶栅气动性能和角区气动稳定性的影响。结果表明:加工误差的影响与所处的工况有关;当处于近失速工况时,相对于原型,平均气动性能和稳定性降低,总压损失系数增大的概率约为83.29%,静压系数减小的概率约为79.20%,失速因子增大的概率约为69.10%;与设计工况相比,近失速工况下气动稳定性的不确定性增加,同时气动稳定性对于加工误差更加敏感。总压损失系数、静压系数和失速因子互相单调相关。前缘和吸力面型线的加工误差对损失影响较大,相应几何精度应加以重点关注。

压水室布置凹槽对离心泵内部流动特性的影响

以离心泵为研究对象,基于被动控制技术对压水室结构进行改型,在试验验证的基础上采用数值计算方法对离心泵内流场进行了计算,分析不同工况下凹槽结构对离心泵性能及流场流动结构的影响.结果表明:凹槽结构的布置可以改善离心泵大流量工况下的性能,扩大离心泵的稳定工作范围;在设计工况下,凹槽结构的压水室可减少叶轮和压水室内的低压区和低速区面积,并不同程度提高叶片不同展向位置的压力值,特别是在70%〜100%叶高范围内,凹槽结构对叶片压力面进口附近的压力提升更为明显,对改善离心泵抗汽蚀性能有积极效果;在0.8Qd〜1.4Qd(设计流量)工况下,凹槽结构压水室隔舌处压力脉动幅值有明显降低,特别是在0.8Qd下,压力脉动周期性更好,脉动峰值降幅可达74.14%,凹槽的布置起到了吸收流体冲击能量和稳定压水室内部流动的作用.