基于涡分析的旋涡泵内流动能量转换特性研究

为研究旋涡泵内复杂的旋涡特征,量化泵内旋涡体积和强度,分析旋涡结构对能量转换和能量损失的影响规律,采用非定常数值模拟和外特性实验相结合的方法对单级旋涡泵进行分析,综合使用Ω方法和Liutex方法对泵内旋涡进行识别和强度表征,提出平均旋涡强度进行量化研究,并结合动能方程的涡动力学分解式以及涡量分解理论进行分析。结果表明:泵内的旋涡充分发展区域存在螺旋形的管状旋涡结构,该旋涡从叶轮流道流出进入侧流道,并且随着流量的增大,涡管数量减少且旋涡强度降低;流量的增大使得叶轮内的旋涡体积和强度减小,而其在侧流道内相对变化较小,相同工况时叶轮内的平均旋涡强度远大于侧流道内;压力梯度对流体动能转换的贡献最大,旋涡结构引起的动量输运和耗散损失占比较小,但刚性涡量即旋涡结构的强度与动量输运呈正相关,变形涡量则与拟涡能损失相关性较强。

旋涡泵定常流动特征及外特性分析

旋涡泵具有高扬程、扬程曲线陡降等典型的外特性以及易于加工的结构特征,因而被广泛用于化工、医药等行业。为了探究旋涡泵内部复杂流动特性以及对其外特性分析,采用标准k-ε两方程模型对旋涡泵全流道全流量工况进行了数值模拟分析。结果表明:该旋涡泵最高效率约为35%,且外特性曲线中扬程具有陡降特征;内流场分析发现,压力分布均匀并呈现一定的压力梯度,叶轮流道内有明显的环流运动,存在明显的纵向、径向旋涡;大流量工况下,当环流区域长度约为叶轮周向2/3长度时,为旋涡泵工作的最优工况。

旋涡泵进口含气量和叶片数对泵内流场和性能的影响分析

为分析旋涡泵气液混输时进口含气量和叶片数对泵内流场和外特性的影响机理,通过数值计算,对不同进口含气量(5%、10%、15%)和不同叶片数(20、22、24、28)时旋涡泵内流场和外特性进行对比分析.结果表明:旋涡泵的扬程和效率随着进口含气量的增大而减小,扬程从48.98 m减小到36.19 m,效率从34.8%减小到32.4%;在各纵向截面上侧流道内压力大于叶轮流道内压力,从叶轮进口到出口沿圆周方向,各纵向截面内叶轮与壳体的最大压差逐渐增大;纵向截面上气液分离现象越来越严重,叶轮内气体体积分数逐渐增大,而侧流道内气体体积分数逐渐减小,叶轮轮毂处气相聚集越来越严重;随着叶片数的增加,旋涡泵的扬程和效率均呈先增后减的趋势;随着进口含气量的增大,旋涡泵的性能随叶片数变化的敏感度先增后减.

考虑惯性载荷的多材料结构拓扑优化

基于导重法构建了惯性载荷作用下的多材料结构拓扑优化数学模型,在体积约束下使得其结构柔度最小.将多材料拓扑优化问题分解为一系列单材料拓扑优化问题,采用材料属性有理近似模型(Rational Approximation of Material Properties,RAMP)来表达密度与弹性模量间假定的非线性函数关系,利用导重法建立惯性载荷下设计变量的迭代表达式并通过数值算例验证导重法在考虑惯性载荷作用下多材料结构拓扑优化的有效性.算例结果表明:RAMP插值方法相比其他常用插值模型得到的拓扑构型更清晰,灰度单元更少,在算例1的对比中结构柔度最高降低了35.2%.受惯性载荷影响越大的设计区域其分布的材料弹性模量越大,且高模量密度比能够显著提升结构刚度.

基于CFD正交试验的旋流泵优化设计与试验

为了优化旋流泵的水力性能,找出影响旋流泵性能的主要结构参数,采用正交试验方法,选取叶轮外径D2、叶片数Z、叶片宽度b2、叶片出口安放角β2、叶片进口安放角β1为主要因素,选取L16(45)正交表得到16组方案,由数值计算结果级差分析初步获得各因素的较优取值范围,再次进行少因素的正交试验,通过级差综合分析法,探索主要因素对旋流泵的影响规律,找到了影响旋流泵性能的主要因素和次要因素,最终得出较优方案组合。原型机和较优设计方案内流场和试验结果对比分析表明:旋流泵进口处产生两个不同程度的回流损失;优化方案内流场回流损失较少,优于原型泵;较优方案比原型机的效率高出4.2个百分点,扬程高出10 m左右;效率和扬程有一定的提高,满足设计要求,验证了正交试验的可行性。

自吸旋涡泵变转速性能与内部流场试验

研制25WZ1-12型自吸旋涡泵试验样机,通过型式及变转速外特性试验,得出旋涡泵qv-H、qv-η性能曲线变化规律,验证qv-H、qv-P曲线换算满足相似理论比例定律,qv-NPSH曲线换算不满足汽蚀相似定律;用5孔管束探针对流道流场进行测量,得到流场静压ps、当量径向速度vre和当量圆周速度vue随泵转速变化分布状况;通过对试验数据的分析,解释了外特性参数与内部流动参数之间的联系和变化规律,指出旋涡泵的汽蚀类型及发生部位,为旋涡泵优化设计和建立内部流动模型提供参考依据。

多喷嘴射流泵数值模拟及试验研究

设计了一种能够缩短喉管长度的多喷嘴射流泵。并采用k-ε湍流模型和壁面函数法对不同结构参数下的多喷嘴射流泵进行了数值模拟和试验研究。结果表明,喷嘴数和喉嘴距对射流泵工作性能影响较大;在吸入室及喉管入口处湍动能较大。得出了射流泵的最佳性能喷嘴数,确定了工作流体和被吸流体喉管混合均匀长度,验证了多喷嘴射流泵可缩短喉管长度,提高了射流泵工程应用价值。

反应堆主泵压水室出口收缩角对水力性能的影响

针对国内某百万千瓦核反应堆主泵的水力性能要求,完成主泵叶轮和导叶的设计;为研究出口收缩角对水力性能的影响,设计了13种压水室出口收缩角,采用三维软件Pro/E完成了三维造型;利用计算流体力学（CFD）软件Fluent进行定常与非定常三维数值模拟,得到内部流场特性及计算点的压力脉动情况,并对其进行分析。结果表明：收缩角对压水室与出口交接处的前后区域影响显著,收缩角在12°~16°范围内,主泵效率均在70%以上,=15°时效率达最大值74.2%;在=15°且其他结构参数不变的情况下,随着流量的降低,主泵叶轮进口前和导叶出口处回流区域逐渐扩大;随着流量的增加,叶轮进口前回流区域逐渐向叶轮进口偏移;回流是引起压水室与出口交接处压力脉动的主要原因;偏离工况越大,压水室出口处的压力脉动波动越严重。

旋流泵结构参数对泵性能的影响

在旋流泵流场计算及流场测试基础上 ,就旋流泵的结构参数对泵性能的影响进行了一系列试验研究 ,总结了以蜗壳无叶腔体积 V0 与叶轮体积 VI 之比 ZV 来设计旋流泵的方法 ,并由大量试验数据统计得到 ,当ZV=V0 /VI=3～ 5时可获得较好的水力性能。设计的几种旋流泵的效率比国内外同类产品提高了 3%～ 5 %

离心泵叶轮流固耦合分析

基于流固耦合原理对离心泵叶轮进行结构分析,采用多物理场协同仿真平台ANSYS Workbench,基于单向流固耦合技术对离心泵叶轮结构进行了仿真计算,获得了离心泵叶轮在不同工况下的等效应力及变形情况,分析了叶轮最大等效应力和最大总变形随流量的变化情况。结果表明,各工况下叶轮应力分布不均且存在局部应力集中;叶轮变形的总位移随半径的增大不断变大,并在叶轮边缘达到最大值。叶轮最大等效应力随流量的增加不断减小,在0.4倍设计流量工况下最大为10.581MPa;叶轮最大总变形随流量的增加先减小后增大,在设计流量工况下最小为0.0028669mm。计算结果对离心泵叶轮的结构优化设计提供了数值依据。

M型截面流道对旋涡泵性能的影响分析

为了减少旋涡泵流道内部冲击损失，提升旋涡泵的性能，研究了基于面积不变理论改变旋涡泵流道截面形状的方法。采取流道形状贴合流动状态的策略，改变流道截面形状为M型，利用CFD技术对参考泵和M型截面流道的内部流动进行多工况三维数值模拟分析，对比两者之间的扬程、效率曲线，并分析流道截面的流线图。结果表明，相比矩形流道，M型截面流道在扬程和效率上均有所提升，流道内叶片出口处的乱流有所改善，M型截面流道中液流更加平滑，但是过流面积增加，摩擦损失也随之增大。

叶片形状对旋涡泵性能的影响

在分析旋涡泵叶轮设计方法的基础上应用改进的经验系数法设计了4种不同形状的叶轮。采用基于雷诺时均方程和RNGk-ε湍流模型对不同结构的旋涡泵内部流场进行了数值模拟,结果表明转角叶片性能最好,后倾叶片性能最差,并同时验证了横向旋涡泵和纵向旋涡的存在。结合模拟结果对4种叶片进行特性试验,试验结果与模拟结果基本吻合,由于实验中存在摩擦及泄漏损失,使实验所得的扬程较小。通过对不同形状的叶片的研究,指出了采用转角叶片叶轮的旋涡泵效率比较高的观点,为旋涡泵的设计提供了理论依据和参考价值。

300MW级核电站主泵压力脉动研究

以国内某300 MW级核电站主泵为对象,利用Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型对其内部流场进行了非定常数值模拟,并根据模拟结果对主泵叶轮进、出口和导叶出口处的压力脉动进行研究分析。结果表明:整个泵段的脉动频率主要受叶轮转动频率影响,对于叶轮段为球型的主泵,最大脉动幅值由叶轮入口前向导叶体不断减小,且沿叶高方向依次增大;在叶轮轮缘附近,由于受到球型泵壳的影响,脉动幅值出现减小。

半开式旋涡泵空化分析及试验

半开式旋涡泵采用新型的半开式叶轮,为研究其空化特性,采用基于雷诺时均方程和RNGk-ε湍流模型的单相模型对其内部流场进行数值模拟,得到了叶片表面速度和压力的分布规律,半开式旋涡泵的叶片根部是发生空化的危险区域.在对空化监测方法进行总结分析的基础上,针对半开式旋涡泵的具体特点,选择能量和噪声结合的方法进行了试验研究,结果表明,半开式旋涡泵工作性能稳定,半开式叶轮改善了旋涡泵的空化性能.在同等条件下半开式旋涡泵比闭式旋涡泵的性能有较大改善,对深入研究半开式旋涡泵的理论计算和设计提供了依据.

旋涡泵的研究现状与展望

介绍了旋涡泵的基本原理、结构分类,针对其特点,与其他类型泵进行了对比.对旋涡泵的应用、研究历史与现状进行了简要评述,并结合国内外学者对旋涡泵的工作过程、内部流动、设计方法以及试验研究中取得的成果,讨论了旋涡泵研究发展中有待解决的问题.展望了旋涡泵研究设计发展的趋势,认为采用先进的测试技术对其内部流场进行测试和分析具有重要理论意义.指出了旋涡泵半开型叶轮和复合叶轮的结构在工程应用中的独特作用和广阔的应用前景.

旋流泵叶轮内部流动的研究

建立了试验装置,测试了旋流泵叶轮流道内轴垂直断面上的速度分布和叶片表面压力分布,并建立了计算旋流泵叶轮内流动的流动模型,提出了旋流泵叶轮内流场的全三维边界元解法。将计算结果与试验结果对比得出,计算速度场与测试结果的趋势是一致的,叶片表面压力的计算值与测量值吻合良好。

旋涡泵的研究现状与发展方向

简要介绍了旋涡泵的结构、特点和应用。从工作原理,结构参数对泵性能的影响,设计理论,内部流动和实验研究五个方面论述了国内外旋涡泵的研究现状,并指出今后研究的发展方向和趋势。文章认为,利用先进技术对泵内部流动进行测试,建立新的流动理论模型,完善设计方法是今后研究的重点。

旋流泵变转速性能及无叶腔流场实验研究

为研究旋流泵变转速相似定律换算、内部流场变化和外特性与内部流动的关联,研制32WB8-12型旋流泵试验样机.通过型式及变转速外特性试验,得出泵扬程、功率、效率和临界汽蚀余量曲线变化规律;用5孔球形探针对无叶腔流场进行测量,得到变转速流场5个测点静压、绝对速度、圆周速度、径向速度和轴向速度变化规律,证明轴向旋涡运动为主流,存在回流运动;通过对实验数据进行分析,解释了外特性参数与内部流动参数之间的联系和变化规律,阐明旋流泵抽吸及扬程形成原理;验证流量、扬程和轴功率满足相似理论比例定律,汽蚀余量不满足汽蚀相似定律,且其曲线呈与离心泵等相反的趋势.

时序效应对多级侧流道泵压力脉动的影响

为了厘清多级叶轮与侧流道之间的干涉作用以及泵级间的流动形式,从而提高侧流道泵的水力性能和运行可靠性,选取一台带有前置离心叶轮并串联两级径向叶轮的多级侧流道泵作为研究对象,利用ANSYS CFX软件对其进行数值模拟计算.通过傅里叶变换和小波分解方法,研究不同时序位置对叶轮内部和出口处压力脉动的影响,发现侧流道泵最佳时序位置角度与叶轮级数成反比,而与叶片夹角成正比.经过时序位置的优化调整,可以降低侧流道泵的振动并提高出口压力的稳定性,从而提高侧流道泵的整体性能.研究结果可为多级侧流道泵的设计提供有效的参考意见.

单级与多级侧流道泵内部流动特性

为了研究前置离心叶轮对侧流道泵性能以及内部流动特性的影响,基于SST-SAS湍流模型,对不同工况下单级以及多级侧流道泵内部流动进行三维非定常数值模拟,研究了单级与多级侧流道泵扬程、侧流道泵叶轮进出口压力、侧流道间的质量交换以及旋涡结构分布特性.结果表明:添加前置离心叶轮后的多级侧流道泵扬程整体有所提升,侧流道叶轮的进口压力提升了20%,叶轮与侧流道之间的质量流量也提升了约20%,多级侧流道泵叶轮内涡团分布与单级泵分布规律基本相同,添加前置离心叶轮对侧流道泵内部流动影响较小.研究结果为后续多级侧流道泵的空化研究以及结构优化提供了参考.