叶片数对无轴泵喷推进器性能的影响

为丰富无轴泵喷推进器噪声性能优化理论,研究了叶片数对无轴泵喷推进器性能的影响,重点探究了不同叶片数下无轴泵喷推进器内的压力脉动变化规律。基于计算流体力学中的有限体积法离散RANS方程,应用RNG k-ε湍流模型封闭计算模型,采用SIMPLEC进行压力-速度耦合,对不同叶片数下的无轴泵喷推进器内部流场进行了非定常数值模拟计算,并对计算结果进行了详细的对比分析。研究结果表明:随叶片数的增加,无轴泵喷推进器模型的扬程、效率和推力均逐渐增大,叶片表面压力分布更加均匀,叶轮轮缘和中部的压力脉动均明显降低,叶轮进出口主频处的压力脉动幅值从轮缘向中心逐渐减小。

导叶叶片数对喷水推进泵瞬态特性的影响

为揭示喷水推进泵不同导叶叶片数时的瞬态特性规律,基于DES混合模拟和FEM声学有限元方法,对喷水推进泵流场和声场进行数值模拟,并进行试验,验证了瞬态特性数值计算方法的准确性,研究了不同导叶叶片数(Z=5,6,7)对喷水推进泵推力、压力脉动、内流诱导噪声等性能的影响规律.结果表明:随着导叶叶片数增大,喷水推进泵推力先减小后增大,流量逐渐减小,转矩逐渐增大;导叶叶片数对叶轮出口压力脉动分布规律影响较小,对压力脉动主频处幅值有较大影响,轮毂处压力脉动幅值受导叶叶片数增大先减小后增大,轮缘和流道中心处幅值随着导叶叶片数增大逐渐减小;导叶叶片数变化会改变内流诱导噪声主频,增大导叶叶片数有利于降低喷水推进泵内流诱导噪声主频处幅值和总声压级.

旋转式水力空化发生器的空化特性

为综合考虑水力空化发生器的空化强度和输送能力,基于一台比转数为117.3的单级单吸式离心泵,设计出一种能够兼顾空化和扬程的旋转式水力空化发生器.基于CFX软件对旋转式水力空化发生器内部空化形态变化和空泡演变规律进行研究.结果表明,随着进口压力的降低和流量的增加,旋转式空化发生器的空泡团体积增大;在转轮挡板和隔舌附近均有空泡产生,转轮内部空泡首先在挡板侧面产生,然后在其背面靠近隔舌处开始脱落,隔舌处空泡在隔舌下游初生,并与转轮空泡同时脱落,两者具有不同的溃灭周期.该旋转式水力空化发生器提高了空化发生装置的集成化程度,具有空化效果好、且能有效增加液体静压的特性,对其空化特性的研究可以为水力空化发生装置的设计提供参考.

复杂工况下深海采矿混输泵有限元分析

采用流固耦合及有限元方法对布放和混输等复杂工况下3级深海采矿混输泵进行强度计算,分析了泵内流场分布、转子部件应力应变及临界转速,并进行了500 m级深海采矿混输系统海上试验.结果表明:设计流量下,混输泵的计算扬程为124.30 m,相对误差为0.27%;布放工况时,混输泵最大变形仅为0.36500 mm,最大应力为73.971 MPa;混输工况时,泵最大变形为0.31500 mm,最大应力为58.860 MPa;转子部件前3阶模态仅沿泵轴方向变形,并未发生扭曲,而后3阶模态呈“S”形扭曲变形;转子部件1阶固有频率对应临界转速为2476 r/min;海试布放过程中混输泵安全可靠,混输工况下泵稳定运行时长超过57 h,实现了2次24 h连续无故障运行,且矿石颗粒体积浓度达到11.7%.

基于CFD有压管道水锤特性

为了进一步揭示管路系统在不同流动条件下的水力过渡过程,降低水锤危害,以简化的直管路系统为研究对象,采用数值模拟方法对其关阀水锤进行了研究.基于SST k-ω湍流模型对直管路系统具有连续水柱的水锤现象进行了三维CFD计算分析,同时采用VOF多相流模型耦合Schnerr-Sauer空化模型对直管路系统伴有水柱分离的水锤现象进行了研究,得到了直管路系统在不同稳态初始流速和关阀方式下的瞬变流特性.研究结果表明:稳态初始流速较小时,不会产生水柱分离现象,稳态初始流速较大时,容易产生水柱分离现象;水锤波的传播大致可以分为4个阶段,水锤压力会在耗散作用下逐渐衰减,水柱弥合时会造成更大的水锤压力;稳态初始流速和关阀方式对水锤压力具有重大影响,水锤压力随着稳态初始流速的增大而增大,最大水锤压力与稳态初始流速近似呈线性关系,阀门“瞬间关闭”时水锤压力最大,“先慢后快”关闭时水锤压力最小.该研究对有压管道的水锤防护具有一定的指导作用.

轮毂比对无轴泵喷推进器性能的影响

为了探究轮毂比对无轴泵喷推进器内流特性的影响,本文基于RNG k-ε湍流模型和多重坐标系对无轴泵喷不同轮毂比(0.20、0.23、0.25)下的内部流动进行了非定常数值计算与分析。结果表明:随着轮毂比的增大,模型泵喷扬程、效率和推力均有所降低;叶片表面压力从叶梢到轮缘的压力梯度变小;叶轮中部速度略微减小,叶轮中心速度逐渐增大;叶轮出口漩涡强度先增强后减弱,漩涡面积朝着出口延长段出口逐渐扩大;叶轮中部压力脉动略微增大,叶轮轮缘和中心处压力脉动变化较小。无轴泵喷进口和出口中心处的主频略低于轴频,其余各点主频为轴频。轮毂比增加至0.25时,叶轮出口及出口延长段中心压力脉动主频处幅值大幅增加。研究结果能够为无轴泵喷推进器结构的优化设计提供一定参考。

叶根圆弧对航空燃油离心泵空化性能的影响

针对某航空燃油离心泵在运行过程中由于空化导致叶片根部发生空蚀破坏的问题,设计了一种叶根圆弧结构形式,研究了其在不同空化数下的空泡分布特性和空泡的非定常变化规律,并分析了燃油泵叶轮流道和隔舌位置的压力脉动特性。研究表明:在0.8Q_(d),1.0Q_(d),1.2Q_(d)流量工况下,燃油泵临界空化数分别比原方案减小了4.4%,6.0%,1.8%;在相同空化数下,改进方案叶片表面压力载荷有所下降,其中在1.2Q_(d)流量工况下,低压区占比最多下降7%;改进方案叶片根部空泡体积也有所减小,在1.2Q_(d)流量工况下,空泡减少量最多可达51%;燃油泵内部多数监测点的压力脉动幅值下降较大,最高可达38.35%。研究结果显示了叶根圆弧结构可以显著提升燃油泵的空化性能,为高性能燃油泵的优化设计提供了一定的借鉴。

多工况下多级离心泵水动力噪声数值研究

采用Lighthill声类比理论研究了多工况下五级导叶式离心泵由偶极子声源激励产生的水动力噪声。数值计算了五级离心泵内部瞬态流场,提取其全级数壁面偶极子声源,并采用直接边界元法计算泵内流体诱导噪声。对泵进行基于模态响应的振动计算,并进行振动测试,经试验验证,多级离心泵内流动诱导振动噪声数值预测方法具有一定可行性。结果表明:随流量的增大,泵的进出口水动力噪声先升高后降低再升高,设计工况噪声水平最小;声压频率分布中BPF2及其特征频率上的噪声能量随流量的增大而增强,高频段的噪声能量明显增加;首级叶轮、后四级叶轮及正导叶的叶片数对泵内流噪声影响较大,而反导叶叶片数影响相对较小。研究结果可为低噪多级离心泵设计提供参考。

超低比转数离心泵的内部流动及非定常特性

为全面地研究超低比转数离心泵的内部流动和非定常特性,以一台比转数ns=25的超低比转数离心泵为研究对象,对其进行三维非定常数值计算,并与试验结果进行对比,进而对内部流场、叶轮上的径向力和蜗壳各断面的压力脉动进行分析.研究结果表明:在不同流量工况下,叶轮流道内存在数量不等、大小不一的旋涡;靠近隔舌的2个相邻流道内,在叶轮出口边工作面的位置存在高流速区域,随着流量的增大,此处高流速区域逐渐消失;在大流量工况下,低速区面积逐渐减小,旋涡区的范围和数量逐渐减少,叶轮内相对速度分布逐渐变均匀;叶轮上的径向力大小和方向时刻变化,呈现六角星型分布,径向力脉动的主要激励频率均为叶频及其整数倍频;蜗壳各断面内压力脉动峰值随着断面变化逐渐增大,蜗壳各断面内压力脉动的主要激励频率均为叶频及其整数倍频,说明叶轮出口与蜗壳的耦合作用是蜗壳内压力脉动的主要影响因素.研究结果可为超低比转数离心泵的水力优化设计和合理运行区间的选择提供一定参考.

基于RANS/LES混合模型的90°方形弯管内流分析

为了了解90°方形弯管内流速度、压力分布、流动结构等流场参数带来的影响,分别对2种RANS/LES混合模型DDES和SAS在离心力作用下的弯管流场做数值模拟,并将流动横截面速度分布和外弧面流向压力系数分布与试验结果进行对比分析.为此,进一步比较了2种模型的瞬时流动结构和湍动能分布.结果表明:DDES和SAS的速度分布曲线及外弧面压力系数变化趋势相近,但是DDES在近壁区速度曲线和外弧面壁面压力系数分布上更接近试验结果;根据壁面小涡的尺度分布,DDES模拟结果在贴壁和近壁处有多种尺度的小涡,而SAS结果仅在贴壁面处存在若干无规则小涡;DDES能模拟出理论上四涡交界处的低湍动能区,而SAS未能得到此现象.

长短叶片对射流式自吸离心泵性能的影响

为了提高射流式自吸离心泵性能,以1台比转数为34的射流式自吸离心泵为研究对象,从试验与数值计算2个方面对比分析6叶片(6个长叶片)与8叶片(4个长叶片和4个短叶片)在2种条件下模型泵的外特性及噪声特性的变化规律。基于试验泵测试系统以及数据采集系统建立实验平台,实现射流式自吸泵性能参数以及内声场噪声的同步采集。研究结果表明:额定工况下优化模型的扬程较原模型提高12.6%,效率提高0.8%;射流泵内部水动力噪声降低1.6%,外场流动噪声降低2%左右。

转子—定子型离心式水力空化发生器非定常空化形成机制

为了研究一种高效水力空化发生器的运行原理,采用试验测试与数值模拟结合的方法研究了一台转子—定子型离心式水力空化发生器内的非定常空化机制。数值计算与试验吻合较好,结果表明空化发生器内存在三种空化机制:钝头体绕流空化、尾涡空化和楔形槽空化,分别位于转子叶齿前缘、叶齿后侧和定子叶齿前缘,其中定子叶齿前缘空化具有明显的周期性。空泡整体分布不完全对称,定子叶齿前缘空化主要发生在蜗壳5-8断面间;转子叶齿前缘空化发生在8-1断面间,而后侧尾涡空化变化幅度较小。空泡体积含量呈周期性变化,与一对转子—定子叶齿的交错周期相吻合。研究成果可为离心式水力空化发生器的优化设计提供参考。

基于日照概率分布的光伏水泵系统供水可靠性研究

为评价光伏水泵系统的供水可靠性,首先根据定义日辐射峰值强度和统计方法建立太阳辐射强度概率分布模型。然后,基于建立的日照分布模型,通过试验揭示了日出水量与日照峰值的关系,从而可准确地获得光伏水泵系统出水量的输出特性。最后,引入失负荷概率(LOLP),研究日需水量QD、储水箱体积V和日照概率分布密度参数对LOLP的影响,对光伏水泵系统的供水可靠性进行评价。结果表明,可以通过基于日辐射峰值强度建立的日照分布概率模型准确预测光伏水泵系统长期出水量;当储水箱体积V大于日需水量QD的2倍时,储水箱体积V对LOLP已无影响。当中间变量G-max分布的标准差在150 W/m2以内时,可根据日照峰值的平均值来设计光伏水泵系统。

叶片数对倒伞曝气机曝气性能影响试验研究

为了研究各不同状态下叶片数对倒伞曝气机曝气性能的影响,制作了叶片数分别为6枚和8枚的2个倒伞曝气机叶轮,进行了溶解氧试验来研究倒伞曝气机的曝气性能.通过改变曝气池液位高度及倒伞曝气机浸没深度,研究了不同叶片数下,标准氧总转移系数、标准充氧能力和标准动力效率的变化规律.结果表明:在同一转速下,8叶片倒伞曝气机的标准氧总转移系数和标准充氧能力明显高于6叶片的.倒伞曝气机的叶片增加,叶轮的抛洒强度增加,液体与空气的接触面积增大,氧传质效率得到有效提高.同时,靠近自由液面的液体波动加大,使液体与气泡间的相互作用更加剧烈,增大了湍动传质的能力.但是增加叶片数会使得消耗的功率增加,故相同转速下不同叶片数的倒伞曝气机的标准动力效率差别较小.研究为倒伞曝气机的经济运行提供参考.

光照强度对光伏抽水灌溉系统性能的影响

为掌握光照变化对无蓄电池光伏灌溉系统运行特性的影响,搭建光伏灌溉系统开式试验台,试验测量了不同光照强度下的系统性能.试验结果表明:较低光照强度下喷头工作压力、射程随光照强度增大而增大,较高光照强度下随光照强度上下波动,射程变化趋势与工作压力变化趋势一致,但旋转周期变化趋势与工作压力呈相反规律;喷头工作压力变化趋势与光伏水泵出口压力、光伏组件输出功率变化趋势一致;光照强度1000 W/m^(2)附近系统运行参数达到阈值,喷头射程与工作压力最大值分别为9.8 m和0.44 MPa,水泵流量与出口压力最大值分别为1.68 m^(3)/h和0.45 MPa;未达到阈值前,影响水泵与喷头运行的主要因素是光照强度,运行参数变化幅度较大,达到阈值后影响因素主要为光照强度和温度,运行参数变化幅度较小;较低光照强度下,组合平均喷灌强度随着光照强度增大而增大;较高光照强度下,组合平均喷灌强度随着光照强度上下变化,与光伏组件输出功率的变化趋势一致;随着光照强度增大,喷头喷灌均匀系数和分布均匀系数逐渐趋近最高值,喷灌均匀系数最高达到88%.

双叶片泵固液两相流单颗粒运动可视化试验

为了揭示泵内粗颗粒的运动规律,本文应用高速摄影系统拍摄了泵内粗颗粒固液两相流,对双叶片泵内不同密度和不同直径的单颗粒进行跟踪,利用PS图像处理软件和Matlab软件对图像进行筛选和处理,得到颗粒运动轨迹。同时,还研究了不同密度和不同直径对单颗粒的速度和过泵时间的影响。研究发现:绝对运动轨迹和相对运动轨迹的包角随着颗粒直径的增大先减小后增大;随着颗粒密度的增加,相对运动包角明显增大,绝对运动包角先增大后减小;颗粒绝对速度随时间的增加而增大,然后保持高速运动。不同粒径下的颗粒相对速度变化趋势均为先增大,然后保持较高的速度运动,但不同密度下的颗粒相对速度随时间变化的趋势较为复杂。随着粒径的增加,颗粒通过泵的时间先减小后增加;随着颗粒密度的增加,颗粒泵送时间而增大,但最终趋于稳定。

基于OpenFOAM的导叶式离心泵数值模拟研究

针对目前有关OpenFOAM对带导叶这种特殊结构的离心泵的计算研究较少且没有形成系统性研究的现状,为了验证OpenFOAM开源软件在导叶式离心泵数值计算方面的可靠性,分别对0.6Q_(d)~1.4Q_(d)流量工况下的导叶式离心泵进行外特性试验以及稳态和瞬态的数值计算。结果表明:OpenFOAM计算得到的外特性结果贴近试验数据,最大误差在4.1%以内;叶轮内存在低压区,导叶出口处压力最大但随着流量增大而减小;小流量工况0.6Q_(d)下导叶流道内漩涡严重,随着流量增大,流场流动趋于平缓;叶轮的轴向力、径向力和压力脉动均受叶轮和导叶的干涉影响,设计工况下叶轮受力最稳定,叶片压力脉动呈周期性变化,叶片工作面的压力波动程度大于背面,反导叶处的压力脉动曲线有28个峰值。因此,OpenFOAM可以作为有效预测导叶式离心泵性能的CFD软件,研究结果对后期研究OpenFOAM软件的普适性有一定的指导意义。

隔舌安放角对旋流泵内非稳态流动特性的影响

为明确隔舌安放角对旋流泵性能及非定常流动特性的影响,该研究设计了不同隔舌安放角的蜗壳模型,基于Navier-Stokes方程和RNGk-?湍流模型对旋流泵进行了全流场数值模拟,并通过能量性能和压力脉动试验对数值模拟方法进行了验证。能量性能预测结果表明,存在最优隔舌安放角使泵扬程和效率均达到极大值。流场分析结果表明,隔舌安放角对蜗壳隔舌及扩散段的流态具有较大的影响:较小的隔舌安放角会减小蜗壳喉部的过流面积,使无叶腔内流体的旋转运动受阻,致使循环流与隔舌的动静干涉作用增强;过大的隔舌安放角会造成扩散段产生大尺度的漩涡和回流。压力脉动分析表明,隔舌处压力脉动分布特征受安放角和测点位置共同影响:随隔舌安放角的增大,隔舌处的压力脉动先降低后增大,安放角由30°增大至45°时,2倍轴频(f_(n))的脉动最大降幅约47%,安放角继续增大至50°时,(0.25~0.5)f_(n)的低频脉动最大增幅约86%;随着测点与叶轮轴向距离增大,隔舌处的压力脉动逐渐减小,叶轮一侧的脉动幅值约为泵体进口一侧的2倍。涡量场分析表明:蜗壳隔舌处频率为2f_(n)的压力脉动由入口螺旋状入流发展扩散产生;隔舌处涡核分布的不对称性是导致蜗壳隔舌处压力分布不对称的原因。适当增大隔舌安放角能有效改善旋流泵隔舌处内流的稳定性,并一定程度提升旋流泵扬程和效率。综合各项性能表明该模型泵隔舌安放角45°时性能最优。研究结果可为旋流泵优化设计提供理论参考。

液力减速器振动特性的试验研究

为研究充液率、转速及叶片倾角对液力减速器外特性的影响,通过INV3020数据采集系统建立了振动试验系统,实现了振动信号的采集.以75°及90°泵轮液力减速器为模型,调节充液率维持在50%,60%,70%,80%,90%,100%情况下,调节变频器使泵轮转速恒定在800~1 200 r/min 5种工况进行试验研究.研究结果表明:充液率及转速的增加能够加剧液力减速器的振动特性,叶片倾角的减小使空化提前发生,发生空化时会出现振动激增现象;液力减速器从泵轮流出的液流对涡轮的作用力主要为轴向冲击力,故轴向测点振动最剧烈,其他方向测点振动幅值小于轴向测点.

气液两相流工况下泵内气相特征数值计算

为研究叶片泵内气相的分布、运动规律,应用计算流体动力学方法对气液两相流工况下叶片泵内流场进行数值模拟,并通过试验进行验证.基于MUSIG模型对泵内气液两相流动进行了数值计算,同时采用Prince-Blanch模型和Luo-Svendson模型描述气泡聚并和破碎过程,揭示了压力分布、不同尺寸气泡分布和气泡平均直径分布.研究结果表明:随着进口气体体积分数的增大,靠近叶片吸力面流道内低压区面积逐渐增大,叶片吸力面气相聚集区和尾迹区内气体体积分数增大,高气相体积分数区域面积扩大,泵内各处气泡平均直径都增大;当进口气体体积分数达到3%时,叶片吸力面较大面积区域内气体体积分数超过80%,蜗壳近壁区气体体积分数低于1%;叶片吸力面气相聚集区内主要是大直径气泡,叶片吸力面气相尾迹区、蜗壳近壁区和蜗壳出口段内主要为小直径气泡;叶片吸力面流道存在气泡平均直径较大的区域.