过渡流道对串联高速离心泵空化特性的影响

为分析不同结构的过渡流道对串联高速离心泵空化特性的影响,以某型串联高速离心泵的第2级为研究对象,基于ANSYS Fluent中Zwart-Gerber-Belamri空化模型,采用RNG k-ε双方程湍流模型对同一工况下环形和螺旋形过渡流道在不同空化数下的增压值、叶片空化面积、流道内空泡体积进行了对比分析.结果表明:采用螺旋形过渡流道的次级离心泵在流量区间32000~64000 L/h增压值提升约8.5%,大流量工况(qV>52000 L/h)下效率提升3%~6%.次级叶轮发生完全空化时,相比环形过渡流道,螺旋形过渡流道次级叶轮叶片背面空化面积和流道内空泡体积均有所下降.由此可见,螺旋形过渡流道抑制了叶轮叶片空化气泡的产生,提升了次级叶轮的抗空化性能.

不同转速时液力透平水力性能的试验和数值模拟研究

为揭示不同转速下液力透平的水力性能,以一台比转速为48的离心泵反转作透平(PAT)为例,通过试验研究了液力透平在不同负载下转速随流量、水头变化规律,采用RNGκ-ε湍流模型在不同转速下进行数值计算,分析了各工况下液力透平的水力性能和内流特性。结果表明,随着转速的逐渐增大,透平高效区变宽,高效点明显向大流量偏移。来流参数(流量、压力)对转速有一定的影响,转速随流量呈线性变化,随水头呈幂函数变化。流量越小,叶轮内压力和速度流线分布均匀性越差,透平效率越低。高转速下,叶轮内流动相对稳定,该现象与透平外特性结果相吻合。该研究对低比转速泵反转液力透平高效、稳定运行具有重要参考意义。

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。

屏蔽式离心泵浮动叶轮轴向力平衡方法

为了实现屏蔽泵离心叶轮轴向力平衡,设计浮动叶轮轴向力自平衡结构,借助全流道三维数值模拟手段,研究浮动叶轮的轴向力平衡作用机理和影响因素.在对数值模拟方法进行试验验证的基础上,开展针对不同工况下叶轮不同轴向位置轴向力的数值计算.数值模拟结果表明,在同一流量工况下,在叶轮浮动范围内,当叶轮向泵入口方向移动时,泵前腔泄漏量减小,扬程和效率增大,且越靠近入口,对泵的性能影响越显著.轴向力呈现先减后增的趋势,在远离入口时方向指向泵入口,在靠近入口时,叶轮轴向力迅速增大,实现反向,指向泵出口,帮助叶轮停止向入口移动,这种轴向力变化趋势可以使叶轮在工作时始终处于浮动状态,实现轴向力自平衡.

双吸泵静腔室数值优化与试验分析

【目标】探究影响双吸离心泵效率的主要因素及关键参数,优化设计吸水室以提高水力性能。【方法】基于水力损失最小原则,对吸水室与蜗壳内部流道形状进行设计,研究过流断面面积演变规律。采用CFD数值计算方法对优化前后的泵内流特征及性能特性进行对比分析,并利用实体模型试验验证优化方案的实际性能。【结果】改良设计的工况点效率比原型设计提升3.36%;在0.7QBEP(设计工况)至1.2QBEP范围内,整泵效率相较改进前模型均有所提高。其中,蜗壳水力损失降低明显,除1.3 QBEP损失下降6.18%以外,其余工况下蜗壳水力损失降低幅度均超过20%。对于吸水室,大于0.98 QBEP流量工况时,改进后模型吸水室损失低于改进前模型。【结论】吸水室、蜗壳内部流道的优化设计,明显改善了吸水室内部的不稳定流动,消除了叶轮出口附近的流动旋涡,显著降低水力损失,有效提升双吸泵的水力效率。

基于熵产理论的管道泵流动损失特性分析

为了揭示管道泵运行过程中的流动损失特性,基于熵产理论,采用数值计算方法对管道泵吸水室和叶轮内的总熵产以及局部熵产率进行了研究,并结合压力脉动及涡核分布对其产生流动损失的原因进行了分析。研究结果表明,叶轮总熵产和吸水室总熵产保持高度一致性,吸水室内部流动影响了叶轮内部流动。随着流量的增大,叶轮和吸水室总熵产先减小,随后增大,这与其内部监测点的压力脉动主频幅值变化规律基本一致。叶轮总熵产显著大于吸水室总熵产,偏工况下更为明显,前者至少是后者的4倍。湍流耗散熵产占据吸水室和叶轮总熵产的90%以上,构成了流动损失的主要部分。吸水室高熵产率区主要分布在第二弯道及出口处,小流量工况下的熵产率是其余工况下的数百倍,该位置的大尺度带核涡以及附壁涡是导致熵产率增加的主要原因。叶轮高熵产率区主要集中在叶轮进口和出口,在大部分区域,小流量下的熵产率是其余工况的6倍以上,小流量工况下叶轮进口预旋和出口失速涡以及大流量工况下叶轮中上游的分离涡是导致熵产率较高的主要原因。该研究可为管道泵局部流动损失识别以及开展针对性优化提供参考。

空化诱导的离心泵叶轮区流动特性与压力脉动分析

空化是一种复杂的多相流现象,空化发展中液体和蒸汽之间瞬态相变的产生,导致多尺度旋涡运动。瞬态空化动力学与空化涡结构的演化密切相关。采用对比结合Q准则、Omega判别法两种涡识别方法,探究设计流量Qd为0.321 m3/s下不同空化程度时离心泵叶轮区的空泡、涡旋特性及其对压力脉动的影响。基于Schnerr-Sauer空化模型对立式单级单吸蜗壳式离心泵在空化初始阶段、空化发展阶段、空化状态转变阶段、空化恶化阶段4个不同空化程度时的全流道流场进行数值模拟分析。结果表明,空化情况下叶轮区域流动复杂,空泡形态与旋涡的生成变化相互影响,二者共同影响叶轮域内压力脉动的变化。Omega方法能够精准捕捉到叶轮进口的回流涡、叶轮流道内通道涡和叶轮尾缘处的尾迹涡;空化初期,受通道内大面积通道涡及蜗壳隔舌动静干涉的影响,出现各叶片上空泡大小不同的情况;空化严重时受空泡脱落影响出现气液混合的高速涡团,导致低频压力脉动信号增加,空泡移动至高压区溃灭释放的能量导致出口压力脉动显著升高。

叶轮开孔参数对气液两相高速离心泵的影响

为保持高速离心泵在气液两相条件下的性能稳定性,采用CFD数值模拟方法探究不同孔径和位置叶轮开孔对高速离心泵的性能影响。结果表明:开孔泵的性能趋于稳定,随着入口含气率的增大,开孔泵的扬程逐渐降低。而原始无孔泵扬程随着入口含气率的增大而显著下降。因此,在入口含气率较大的情况下,开孔可以提高高速离心泵的性能;当入口含气率不足时,有孔泵的性能不如原始无孔泵,扬程随着孔径的增大而减小。当孔径为3.5 mm时,扬程衰减超过18%,因此孔径不应>3 mm;随着开孔孔径的增大,叶轮中的气体体积减小,而孔径越大,泵内的水力损失越大。因此在选择孔径时,必须在叶轮中的气体体积和泵的水力损失之间进行权衡;开孔的径向位置值越小,孔越靠近叶轮中心,水力损失越大;开孔的径向位置值越大,叶轮中气体体积就越大,在选择开孔的径向位置时,仍然需要权衡。对于所研究的高速离心泵,仿真结果表明,径向位置为14 mm和孔径为2 mm的选择是可取的,可以很好地平衡叶轮中气体体积和水力损失。

液力透平仿生V型槽叶片的减阻机理研究

为了研究叶片仿生表面对液力透平性能的影响,基于鲨鱼皮肤表面结构的减阻特性,设计3种不同尺寸的V型槽,将其布置在透平工作面进口前段1/3处。利用RNG k-ε湍流模型对液力透平进行数值模拟及试验验证,研究不同流量下液力透平的外特性、叶片壁面剪应力及透平内流特性。结果表明:与光滑表面叶片相比,3种V型槽叶片液力透平的水力效率均有提高。V型槽能够降低叶片近壁面流体的速度梯度,使流体与壁面之间的摩擦阻力减小,叶轮内湍动能减小,降低了能量耗散。1.125QBEP工况时,s=1.5 mm的V型槽液力透平水力效率增幅最大,为1.8%,V型槽叶片壁面剪应力降幅最大达43.97%。

基于熵产理论的隔舌几何特征对低比转速PAT能量损失的影响

为了探究蜗壳隔舌对泵作透平的水力性能影响,提高泵反转透平的性能。以一比转速为69的单级单吸离心泵反转作透平为研究对象。对隔舌安放角和隔舌半径等几何特征设计了包含原模型在内的9种方案,采用SST k-ω模型,对各方案进行全流道数值模拟,并引入熵产诊断分析方法,分析各方案下透平的压头、效率以及内部流场的变化规律。研究结果表明:在透平叶轮及其他部件不变的情况下,当蜗壳隔舌安放角在一定范围内增大时,在较大流量范围内,液力透平的压头明显会减小;在该透平中,当隔舌半径为1.5 mm时,叶轮与蜗壳内部的熵产损失减小,使透平效率增加。

离心泵叶片斜开槽抑制空化的研究

为了抑制低比转数离心泵的空化,提出改变叶片开槽轴向角度的方法,并设计了3种叶片斜开槽方案。通过数值模拟的方法,对比离心泵试验结果,分析叶片斜开槽对离心泵空化抑制的效果。模拟结果表明:轴向角度为5°的叶片斜开槽对低比转速离心泵的空化抑制效果最明显,断裂扬程提高了0.281 m;叶片斜开槽抑制了离心泵叶轮流场内空泡的发展,在空化严重阶段空泡体积最多减小了67.25%;叶片斜开槽优化了叶轮流场结构,缩小了叶轮进口低压区,降低了叶轮流道内的湍动能。

分流叶片对液力透平压力脉动的影响

为揭示分流叶片对低比转速液力透平性能的影响,以一台低比转速离心泵(n_(s)=33)反转作液力透平为例,设计出4种不同分流叶片数的叶轮(复合叶轮),通过CFX软件对原始叶轮和4种复合叶轮进行数值模拟并对比分析。结果表明,4种新模型在最优工况下效率和水头均有所提高,其中当分流叶片数Z=6+6时液力透平的性能最佳,在最优工况下效率、水头分别提高了2.23%、6.83%;叶轮内压力分布更加均匀;叶轮进口漩涡区域减弱;内部各个监测点压力系数、脉动幅值均小于原始模型,说明分流叶片可以降低液力透平内部的压力脉动、提升透平机组运行的稳定性。研究结果可为低比转速液力透平性能提升提供参考。

离心泵叶轮硬涂层减振效果研究

为了在不改变泵水力部件结构方案和基本水力性能的前提下抑制泵的振动,分析了NiCrAlY硬涂层材料对离心泵叶轮振动特性的影响。针对无涂层叶轮、上盖板涂层、下盖板涂层、叶片涂层的4种叶轮模型,采用有限元分析方法计算得到叶轮的固有特性,并进行叶轮的谐响应分析和瞬态响应分析。最后通过涂覆硬涂层前、后的叶轮模态测试以及响应测试,对叶轮涂覆硬涂层的减振效果进行试验验证。研究发现,相对于上盖板和下盖板涂层,叶片表面涂覆硬涂层对叶轮固有特性及振动响应有更大影响,叶片涂覆硬涂层后,叶轮模态阻尼比增加4.76%,减振效果达到22%以上。研究结果可为离心泵的减振降噪提供参考。

潜油电泵叶轮参数优化及流场特性分析

潜油电泵在油田生产中发挥着至关重要的作用,其叶轮结构决定了电泵工作效率和可靠性。以流量为250 m^(3)/d的潜油电泵为研究对象,采用数值模拟计算方法,研究了叶轮内部流场分布规律。利用正交实验法,得到了叶轮结构参数优化方案。结果表明:叶片包角较小会减短流体做功路径,较大会增加流道内的摩擦损失。优化后的潜油电泵单级扬程提高了8.2%,水力效率提高了1.12%,叶轮内部流场二次流减少,减小了流动损失。该研究内容为潜油电泵叶轮结构改型优化提供了理论指导。

导叶安装角度对离心泵叶轮结构特性的影响

为提高带导叶蜗壳式离心泵的运行稳定性,研究了不同导叶安装角度对离心泵性能及叶轮结构力学响应的影响.以某带导叶蜗壳泵为研究对象,首先对其进行流场数值模拟,再通过静态和瞬态结构分析模块将水压力载荷导入叶轮结构,以实现单向流固耦合分析,研究不同导叶安装角度下叶轮变形与等效应力变化规律,最后通过模态分析研究叶轮结构的振动特性.结果表明:随着导叶安装角度减小,泵的高效区向小流量工况偏移,并且最高效率逐渐增大,最大提高2.1%;单向流固耦合分析得到的稳态结果与瞬态结果规律一致,其中叶轮最大变形量和最大等效应力值都随流量的增大而减小,在设计工况附近,都随导叶安装角度的减小而减小,最大差值为3.3%,且最大等效应力值变化的幅值较小;预应力对叶轮干模态固有频率的影响可忽略不计,与干模态对比,湿模态下的固有频率有较显著下降.

长距离输水泵站中空气罐参数敏感度分析及正交优化设计

为了探讨长距离输水泵站中空气罐的优化设计方法,以西北某长距离输水工程为例,以泵站水击最大正压水头和最小负压水头作为优化目标,以初始气体压力、高度直径比、连接管直径、进口阻力系数和出口阻力系数为优化变量,基于正交优化设计方法和KYPipe软件,采用极差分析法获得空气罐各参数对于水击最大正压水头和最小负压水头的影响,同时对得到的结果进行排序,比较并找到最优参数组合.结果表明:初始气体压力、连接管直径和出口阻力系数等因素对于水击最大正压水头和最小负压水头的影响程度较大,其中初始气体压力是最敏感的参数,对于最大正压水头和最小负压水头的影响程度最大;经过比较发现最优方案的参数组合为初始气体压力水头50 m、高度直径比4、连接管直径250 mm、进口阻力系数10、出口阻力系数5;相比原始方案,优化方案使泵站的水击最大正压水头降低4.98%、最小负压水头升高64.00%.

叶片隆起对离心泵空化性能的影响

提出一种在叶片工作面布置隆起结构来提高离心泵抗空化性能的方法,基于RNG k-ε湍流模型和Kubota空化模型对离心泵非定常工况下的空化流动进行数值模拟,并对初始叶型和隆起叶型下的空化发展进行对比分析.结果表明:在未发生空化阶段,隆起叶型的泵扬程较初始光滑叶型有小幅度下降;在空化数减小至0.43时,隆起叶型的扬程大于原始叶型,其中隆起直径为2 mm的扬程最高;隆起结构延缓了空化的发生,表现出对空化现象的良好抑制效果;在空化发展阶段,叶片工作面的隆起结构增大了叶片工作面面积和表面粗糙度,改变了叶轮内部流道结构,在近壁面处形成了相对高压和高湍动能区域,增大了压力梯度,减小了叶轮进口低压区面积,有效抑制空化的发生和发展,减小空泡体积;在不同的空化发展阶段,隆起结构在工作面的不同位置未对空化发展产生明显影响.

离心泵进口来流速度扰动不确定性对水力性能及流场的影响

离心泵运行过程中其进口来流速度随时间的波动对泵的水力性能具有不可忽略的影响,该研究采用非嵌入式多项式混沌(non-intrusive polynomial chaos, NIPC)方法对进口来流速度扰动的不确定性进行量化分析,探究其对离心泵水力性能的影响。结果表明:随机来流速度对泵的水力性能具有较大影响,且不确定度越大,其影响越大;进口来流速度扰动会引起泵叶片压力面尾缘与吸力面上压力分布及叶轮流道内流场的变化,从而造成泵的扬程及效率的波动且波动范围较大;同时,来流不确定性的影响在叶轮内流场中的传播是非对称且非均匀的。不同工况下来流速度随时间的扰动对泵性能的影响有所差异,大部分工况下来流速度扰动会造成泵性能的下降,其中不确定度为5%时,扬程最大可下降0.4 m,效率下降3%。对不同工况下泵的进口流速不确定性进行量化分析,能够对离心泵在整个运行工况下的稳健性进行综合评定,为泵稳健性设计提供一定的基础。

阀板尾迹对离心泵性能的影响

离心泵进水管路通常布置阀门供检修时切断水流,这会导致离心泵入流畸变。该研究旨在分析泵前检修阀所诱发的非定常尾迹特征及其对大流量工况离心泵运行特性的影响机理。试验对比了均匀来流和畸变来流条件下离心泵的外特性,数值模拟研究了阀板尾迹涡的流动特征及其对离心泵非稳态内流场的影响,分析了阀板尾迹涡诱发的叶轮径向力。结果表明:两种来流条件下数值模拟与试验得到的离心泵外特性误差在5%以内;对离心泵性能产生主要影响的尾迹涡主要来自阀门阀板一侧的边界层分离与卷吸,入流畸变导致大流量工况下离心泵效率相较于均匀入流下降9.15%,扬程降低1.2 m;阀板尾迹在离心泵入口产生1.9倍转频的脉动频率;尾迹涡的周期性入流导致两个叶片前缘的最大相对液流角由30°分别增大至43°和39°,这两个叶片的压力面脱流加剧,产生逐渐向下游耗散的失速团,叶片承受2倍转频的非稳态激振力;尾迹涡的周期性吸入导致叶轮上的时均径向力增大至均匀入流的4.5倍左右,最大径向力达到均匀入流的7倍左右,径向力矢量发生偏移,离心泵断轴风险加剧。研究结果可为工业现场中离心泵运行稳定性的改善提供理论依据。

叶片数对离心泵内部能量流动损失的影响

针对不合适的离心泵叶片数会降低其输送流体效率,导致离心泵性能难以提升的问题,研究了叶片数对于离心泵内流动能量损失的影响。首先,采用UG建立了叶片数为4、5、6的离心泵流体域模型,并对各叶片数的离心泵流体域进行了六面体结构化网格划分;然后,采用ANSYS Fluent进行了数值模拟,研究了各叶片数的离心泵在0.6~1.4倍额定流量下的扬程、效率以及轴功率;采用熵产理论研究了不同叶片数在各流量下直接熵产(EGDD)、湍流熵产(EGTD)和壁面熵产(EGWS)的值与占比;最后,研究了进口域、出口域、叶轮域以及蜗壳域的熵产值(EGV)情况,还研究了熵产率(EGR)的空间位置分布。研究结果表明:叶片数越多,泵的扬程、效率与轴功率越大;额定流量下熵产值最低;叶轮域熵产值占最大比例,蜗壳域次之;黏性尾流区域熵产率较大,叶片压力面尾缘处的壁面熵产率最高。