连接柱处理对圆盘泵性能及内部流场影响研究

本文总结圆盘泵数值模拟方面的研究,对圆盘泵连接柱区域设置了两种不同的模型方案进行数值模拟。分析了不同流量工况下圆盘泵性能及叶轮内部流场变化,并对计算结果进行验证。结果表明:方案一连接柱两侧出现明显低速区域,方案二由于连接柱周围水体旋转,因此区域速度值更大。两种方案均在叶片吸力面位置出现局部低压,因此圆盘泵内湍动能耗散主要出现在叶片及其吸力面侧,而在进、出口能量耗散较小。流体流过连接柱之后,方案二的圆周速度和绝对速度圆周分量均小于方案一,表明了圆盘泵实际运行过程中,连接柱对出口流动的阻碍作用产生的损失大于其带来的能量,导致方案二的扬程低于方案一。两种方案的计算结果与试验结果变化趋势一致,同时两种方案之间的差异较小,如果仅考虑快速计算圆盘泵性能,方案一在模型处理上更简单高效。如果要获得更全面准确的内部流动信息,方案二的内部流动情况更接近实际情况。

基于CFD-DPM的离心泵内颗粒性质对泵性能与磨损的影响

为揭示离心泵在输送固液两相流时颗粒密度和粒径对泵性能和磨损的影响,采用Realizable k-ε湍流模型(液相)和DPM离散相模型,对模型泵内固液两相流动进行定常数值模拟,研究固液两相流场中颗粒的运动轨迹以及磨损规律。结果表明:随着颗粒密度和粒径的增大,模型泵的扬程和效率均下降;密度、粒径越大的颗粒,其运动轨迹越易偏向叶片工作面;随着颗粒密度的增加,叶片工作面以及蜗壳内的磨损程度加剧,但是叶片背面的磨损减轻,颗粒相应地在叶片工作面和蜗壳外壁边缘聚集;随着颗粒粒径的增大,蜗壳整体磨损程度加重,其中蜗壳的隔舌区域、Ⅱ区域和Ⅵ区域磨损程度最严重;叶片整体磨损程度逐渐降低,且叶片工作面磨损程度大于叶片背面。

2种隔舌模型对离心泵性能模拟的影响

为了提高离心泵性能预测的精确度,降低水泵研发成本,对2种影响泵性能较大的隔舌模型进行了对比研究.通过Ansys ICEM CFD软件对离心泵3个结构部分进口、叶轮、蜗壳进行网格划分,利用商业软件CFX进行数值模拟.进口边界设定为均匀来流,出口边界设定为压力出口,进口段与叶轮壁面粗糙度0.02 mm,蜗壳壁面粗糙度0.05 mm,采用k-ε湍流模型并计算机械损失11%,容积损失4%,将模拟结果与试验数据进行对比发现:在各流量工况下,圆角隔舌模拟结果与试验数据误差较小且保持稳定;矩形隔舌模拟结果在小流量工况下接近试验数据,在大流量下则误差较大.通过压力分布和流线图发现随着流量的增大,圆角隔舌的高压区和流线分布都较为稳定,矩形隔舌在额定流量和大流量下高压区扩散,并且有旋涡产生,旋涡随流量增大而增强,影响了蜗壳内部流动,使得模拟误差变大.研究对比了2种隔舌模型外特性的差异,并通过流场分析找到了产生差异的原因,表明对隔舌进行圆角处理能明显地改善内部流场,从而提高泵的性能.

蜗壳形状对离心泵流动诱导噪声的影响

由于蜗壳对离心泵流动诱导噪声的产生及传播具有重要影响,在原马蹄形断面蜗壳的基础上重新设计了一种矩形断面蜗壳,并将两种断面的蜗壳与同一叶轮组合进行流场数值模拟和声学求解.流动诱导噪声的求解基于Lighthill声类比理论,采用大涡模拟和声学有限元法相结合的混合算法.在原型泵的基础上还分析了采用矩形隔舌和圆角隔舌的扬程、效率和声学性能差异,并对模拟结果进行了试验验证.计算结果表明:矩形断面蜗壳模型泵和马蹄形断面蜗壳模型泵的水力性能近似;2种断面模型泵内流动诱导噪声的主频均为叶片通过频率290 Hz;从内部流场的压力云图、速度矢量分布及方向分析可发现矩形断面蜗壳内的流动状态更佳;相对于马蹄形断面蜗壳,采用矩形断面蜗壳模型泵的声压级平均小5 d B,声学性能更优;相对于矩形隔舌模型,采用圆角隔舌模型泵的水力性能更优,声学性能也较好,声压级平均小4 d B.

人工心脏圆盘泵的流动特性研究

人工心脏(血泵)一直存在泵体对血细胞剪切力过大和流速过快容易引起溶血的问题。为了研究人体正常血压情况下,血泵内部剪切力和速度场的分布情况,选择圆盘泵叶轮代替传统离心泵叶轮,对两种模型进行数值计算,分析不同叶轮内部剪切力和速度场的分布规律。研究表明传统离心泵内部流速高,叶片表面剪切力大,对血细胞的伤害大。圆盘泵相比传统离心泵,剪切力更小,流场速度分布均匀,流速更小。和传统离心泵相比,不同转速下圆盘泵能降低溶血的发生率。圆盘泵叶片数为6片时,抗溶血性能更好。研究结果为血泵的优化提供理论依据。

多面体网格在离心泵内部流动数值模拟中的应用

针对非结构四面体网格在离心泵内部流动数值模拟中计算效率和离散精度方面的技术缺陷,采用聚合式多重网格方法生成的多面体网格及非结构四面体网格建立XA65/20型单级单吸离心泵内部流场的数值模型,利用Ansys Fluent 13.0对设计工况及多个非设计工况下离心泵内部流场进行了数值计算,得到其内部流场的静压、速度以及湍动能分布情况,并对其内部流动状态进行分析.在数值计算的基础之上,对样机进行了性能试验,预估泵的扬程及效率并与试验值进行对比分析.数值模拟结果表明:多面体网格收敛速度较快、残差曲线更为光顺、占用计算机内存较少,得到静压、湍动能分布更为均匀.模拟计算结果与试验数值的对比验证了多面体网格模拟计算值的可行性与准确性.从网格设置时间、计算成本、数值耗散3个角度分析,多面体网格能较好地应用在离心泵内部流动数值模拟中.

基于Lighthill声类比理论的离心泵流动诱导噪声的数值模拟

基于Lighthill声类比理论,采用计算流体力学(CFD)和计算声学(CA)相结合的方法对离心泵内部声场进行了求解。首先采用SST SAS湍流模型对离心泵内部流场进行了三维非定常计算,并导出声源信息,然后在流场计算的基础上进行声学求解,比较研究声学边界元法和声学有限元法在应用时的优劣。结果表明:蜗壳隔舌附近压力脉动强度最大、声压级最高,叶片通过频率及其倍频是各监测点上压力脉动的主频,叶轮与隔舌间的动静干涉作用是离心泵流动诱导噪声的主要原因;随着流量的增加,总声压级逐步减小,在效率最高工况点上达到最小,随后上升,偏离效率最高工况点越多,宽频分量越明显;声学有限元法对离散噪声的预估比较有优势,能综合考虑湍流噪声的各种声源,对内流场宽频噪声问题的研究更占优势。

新工科背景下的“流体力学”课程思政教育探索与研究

思想政治教育是落实国家立德树人根本任务的重要教育方式,通过将思政元素融入课程主体知识结构中,可实现协同育人的效果。以“流体力学”课程为例,该课程具有专业性强、知识点复杂、课程思政元素融入难度极大的特点,需要巧妙设计才能达到思想政治教育效果。基于此,挖掘归纳“流体力学”课程中的思政元素,设计了课程思政内容和学习目标,引导学生在学习过程中提升自身素养,塑造健康的价值观,提高“流体力学”课程的思想政治育人成效。

基于浸入实体法的低压外啮合齿轮泵不稳定流动特性

为提高齿轮泵运行的稳定性,阐述齿轮泵内不稳定流动特性与工作压力和转速之间的相互作用规律,运用计算流体力学(CFD)软件ANSYS CFX,基于浸入实体法,采用SST k-ω湍流模型对该齿轮泵的内流场进行数值模拟,分析不同工作压力和转速对齿轮泵进出口压力和流量脉动的时域、频域响应的影响,探讨齿轮泵旋转1周时其压力和湍动能的分布。研究结果表明:齿轮泵内的压力脉动主要是由齿轮旋转时形成的密闭容积的周期性开合导致的,进口压力的脉动频率为齿频的2倍;在相同的负载压力下,齿轮泵出口流量不均匀系数总体上呈现出随齿轮转速的增大而减小的趋势;当齿轮泵旋转1周时,压油腔内的最大湍动能出现在压油腔齿顶进入啮合点之前。

圆盘泵输送性能与内部流动研究进展

圆盘泵在难泵送、空化问题较严重等场合输送介质时具有良好表现。相对于其他类型泵,圆盘泵的研究起步较晚,相关文献资料较少,设计理论与方法不完善。本文总结圆盘泵的发展历程,介绍圆盘泵的结构特点,阐述圆盘泵输送性能和内部流动的研究进展,同时分析对于圆盘泵需要进一步研究的问题,并提出基于流固耦合分析的设计与优化是圆盘泵未来的研究内容之一。

气液两相流下离心泵性能分析的数据处理方法

This paper presents what should be best practice data reduction procedures for pump performance analysis with emphasis on two-phase inlet flow conditions.This becomes a mandatory step especially when pumps performances are degraded in case of liquid gas mixture at inlet section.Most of following recommendations are based on existing rules that must be recalled for researchers and end users performing centrifugal pump tests and more specifically when comparing the results between each other or/and withCFDapproaches.

某静态混合器内气液两相流动及压降特性数值模拟

以某型静态混合器为研究对象,运用CFD软件ANSYS CFX,借助欧拉–拉格朗日方法,在SST湍流模型下进行气液混合性能分析,得到内部流场的流动与压降规律。研究结果表明:气液两相流流经孔盘通孔,强化流体间的相互作用,对气液的混合具有促进作用;随着雷诺数的增加,气液两相流流经混合器的压降呈明显增大趋势,且混合器中局部压降与元件数成正比,当雷诺数大于2.6×105时,两相流在混合器中压降更加显著。

混流式核主泵压力脉动特性预测与分析

由于结构和运行工况的原因,混流式核主泵流道中的压力脉动比普通混流泵更为复杂,掌握其流道中的压力脉动特性及在不同运行工况的特征对于满足设计的高可靠性和保证运行的安全性都很有必要。为寻找引起压力脉动的主要因素和探讨运行工况对压力脉动特性的影响,在对带球形压水室的核主泵进行全流道三维非定常流场数值模拟的基础上,对5个典型工况下叶轮和空间导叶流道中不同部位的压力脉动时域与频域特性进行深入分析。结果表明:叶轮与空间导叶的动静干涉是引起压力脉动的主要因素,压力脉动主频为叶频,其幅值取决于运行工况的流量,在设计工况运行其压力脉动的幅值最低;对于采用球形压水室的流道,压力脉动幅值沿叶轮进口向出口逐步增大并在叶轮出口达到最大值,然后沿空间导叶的进口向出口逐步减小;在小流量工况时,流道中的不稳定流动会产生更为复杂的压力脉动;在同一圆周上,叶轮进口区域的压力脉动特性并不一致,叶片背面脉动幅值大于叶片正面,而在不同工况下叶轮出口区域叶片正、背面的压力脉动特性差别不大;随着运行流量的减少,因球形压水室的几何形状影响会产生涡流和回流,导致叶轮内的中高频脉动幅值增大,若流量过小,整个流道中的脉动幅值都将明显加大;球形压水室对设计工况及大流量工况的压力脉动影响很小,但对小流量工况下的压力脉动影响较大,而且导致频率特性更为复杂。

不同入流气泡直径下圆盘泵气液两相流模拟

为研究气液两相流圆盘泵内部流型转换及气泡直径的变化规律,该文采用可视化研究并结合数值模拟进行分析。结果表明:当进口含气率从1.12%增至27.67%时,吸水室内流型由均匀泡状流向聚集泡状流、弹状流和分层流依次过渡。低含气率下的气泡直径较小,吸水室内气液混合均匀且流动顺畅;随着含气率的升高,气泡直径逐渐增大,且吸水室内气液两相间分离程度增大。由于圆盘泵叶轮结构的特殊性,前后盖板有叶区内叶片起到阻隔作用,在有叶区叶片边缘处,气相聚集最为剧烈,而中间无叶区流道较为宽阔,具有较高的通透性。在转速1500 r/min,入口体积含气率7.11%工况下,前盖板有叶区叶片前边缘的局部含气率极值增至初始含气率的3倍,后盖板有叶区叶片边缘的局部含气率极值增至初始含气率的2倍,无叶区中间截面含气率极值跌至初始含气率的2/3。该研究可为分析圆盘泵叶轮内气相分布及运移规律提供参考。

基于响应面法的圆盘泵叶轮优化研究

为了提高圆盘泵的水力性能,以径向直叶片圆盘泵为研究对象,结合计算流体动力学方法(CFD)与响应面分析法,研究叶轮结构参数对泵扬程和效率的影响。以叶片高度、叶片数量和盘间距为优化设计变量,泵的扬程和效率为响应变量,基于Box-Behnken样本点设计法进行三因素三水平设计,建立17组样本点。通过ANSYS CFX数值计算软件对各个样本点的设计模型进行数值模拟,并基于二阶响应面回归方程拟合了叶轮结构参数与扬程和效率之间的关系表达式。研究结果表明:叶片高度、叶片数量和盘间距均对泵的水力性能有明显的影响。多因素交互作用中叶片高度和盘间距的组合影响最为显著。通过响应面方程找到了最优参数组合,优化后的圆盘泵扬程在各流量工况下平均提升了22 m,最高效率提升了15%。