基于正交试验的双流道泵叶轮优化设计与试验

为了提高双流道泵的水力性能,实现叶轮与蜗壳的最优匹配,以双流道泵为研究对象,选择控制叶轮流道中线的前盖板圆弧R1、后盖板圆弧R2、平面流道中线包角ψ和系数m为设计因素,每个因素取3个水平,应用正交试验法设计9组试验方案。利用CFD软件对设计的9副叶轮进行数值优化,以扬程、效率作为方案评价的指标,通过极差分析得到最优方案;通过对比分析原始模型与优化模型的内部流动情况,验证优化方案的有效性。结果表明:额定工况下,优化后泵的扬程较原始模型提高0.59 m、效率提高了5.4%;大流量工况点,优化后扬程和效率提升更加明显;包角ψ和后盖板圆弧R_(2)对泵的性能影响较为明显;通过对比分析额定工况下优化前后水泵中间截面流线发现,优化后的叶轮与蜗壳匹配更合理,蜗壳中的水力损失明显减少。

叶轮流道结构对双流道泵性能的影响研究

为了探究叶轮流道结构对双流道泵性能的影响,选取变异的阿基米德螺旋线公式参数m作为研究参数,运用RNG k-ε湍流模型对不同流道结构进行了不可压缩湍流流场的数值模拟,对比其水力性能,并进行了内流场特性分析和基于熵产的能量损失分析。结果表明:随着m的增大,双流道泵在设计工况扬程不断增大,效率先增大后减小,说明m存在一个最佳值使得水力性能最优;参数m对叶轮流道的长度、弯曲程度以及出口角度存在影响,从而影响压力和速度场分布;m=1.8时双流道泵内总熵产最小,较m=1.2时叶轮和蜗壳熵产值分别下降了20.6%和40.6%;m=1.2时,叶轮出口及隔舌附近存在涡团,扩散管涡核尺寸较大,流态较差,随着m的增大,叶轮和蜗壳内的涡核数量减少,流态趋于稳定,说明叶轮流道结构对蜗壳内的流体流态也有重要影响。

基于Mixture多相流模型计算双流道泵全流道内固液两相湍流

采用Mixture多相流模型、扩展的标准k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,应用计算流体力学软件Fluent对双流道泵全流道内的固液两相湍流进行了数值模拟,并将计算结果与清水单相流数值模拟及泵外特性性能试验进行了对比,揭示了不同粒径及颗粒体积浓度条件下双流道泵全流道内的固液两相流动规律。研究结果表明:在叶轮流道内,固相体积浓度分布极不均匀,颗粒主要集中于叶轮出口处的工作面和后盖板上,但是随着颗粒浓度和粒径的减小,会出现颗粒向背面迁移的趋势;在蜗壳流道内,颗粒主要集中于靠近蜗壳出口侧的流道区域,颗粒运动轨迹紊乱,少部分颗粒脱离叶轮后能直接从蜗壳出口流出,大部分颗粒撞击蜗壳壁面,留在蜗壳内转动数圈才能流出;颗粒浓度变化对固相的离析作用影响相对较小;粒径变化对固相的离析作用影响较大,粒径越大,颗粒撞击点愈加集中于叶轮工作面,固相的离析作用越明显;相同体积流量下,泵进出口总压差随颗粒浓度和粒径的增加而减小。

双流道泵输送固液介质的水力性能及磨损试验研究

为分析固液混合物对双流道输送泵性能的影响,采用平均粒径为10mm和36mm的固体颗粒对双流道泵在不同浓度和流量下开展输送固液两相介质的水力性能试验,并对泵的磨损进行分析。水力试验结果表明,在一定的流量下,随着输送混合物中固体颗粒浓度的增加,入口表压、出口表压、扬程及效率呈递减趋势。与输送清水时比较,当输送固液两相介质时,随着流量的增大,轴功率上升较快,扬程的下降量在不同流量下几乎相同;效率曲线在不同流量下比输送清水时效率要低,差值随着流量的增大而增大。在同流量同浓度比工况下,泵的进出口压力、扬程和汽蚀性能在输送较大直径固体颗粒时,明显下降。通过对双流道泵磨损的分析表明,叶轮磨损部位主要在前盖板外缘、流道内偏前盖板的流道表面、压力面进口边,压力面的磨损区域呈三角形;泵体的磨损部位主要在周壁、隔舌及泵体口环处。本研究可为固液两相双流道离心泵的理论研究与设计应用提供试验依据。

双流道泵内非定常流动数值模拟及粒子图像测速测量

为探讨双流道泵内部的非定常流动机理,采用Fluent软件,基于滑移网格技术、RNGkκ-ε湍流模型计算了一双流道泵在不同工况下的内部流动,并将计算结果与粒子图像测速仪(Particle image velocimeter,PIV)实测结果进行比较。结果表明:计算所得双流道泵内部流场符合叶轮机械内部流动的一般规律,且与PIV实测结果总体变化趋势一致;由于双流道泵结构特殊,其进口处的流动状态与普通叶轮相差较大,出口处的流动状态与普通叶轮类似;叶轮进口处,流体基本沿流道吸力面流动,流道工作面上的相对速度很小,存在严重的脱流和旋涡;叶轮出口处,压力面和吸力面的速度趋于相等,射流—尾迹现象并不明显;由于叶轮—蜗壳动静干涉,两个叶轮流道内的静压分布有所不同;同一流道内,静压随着半径的增加而逐步增大,压力面侧静压大于吸力面侧;蜗壳流道内静压随半径增大,最大静压值在隔舌处。此项研究不仅加深了人们对双流道泵内非定常流动图画的理解,从而进一步完善双流道泵设计方法,同时也可为其他类型泵的内流研究提供借鉴。

基于滑移网格研究双流道泵内非定常流动特性

为研究双流道泵内由叶轮/蜗壳相互作用引起的非定常流动特性,基于滑移网格和RNG湍流模型计算双流道泵内的非定常流动。计算结果表明:在一个周期内,随叶轮流道相对于隔舌位置不同,其内相对速度、静压及总压分布呈周期性变化;当叶轮流道靠近蜗壳出口侧时,相对速度、静压及总压分布规律性较强;喉部为蜗壳内循环流体与叶轮排出流体的混合区域,流动最为复杂;蜗壳内各监测点的静压呈周期性变化,远离蜗壳出口的监测点的静压脉动明显大于靠近蜗壳出口的监测点的静压脉动,且越靠近喉部的监测点的静压变化越大,非定常流动特性越强烈;与定常计算相比,非定常计算所得有效扬程更符合实际情况,大于实测扬程且相对偏差仅为10%。

双流道泵叶轮内湍流的数值模拟

对双流道泵叶轮内 3维不可压湍流流动进行了数值模拟。计算采用了雷诺时均 N - S方程和修正了的 k-ε湍流模型 ,计算在体贴坐标系和交错网格中进行并采用了 SIMPL E- C算法。计算结果首次揭示了双流道泵叶轮内湍流流动的速度分布、压力分布和湍动能分布规律。

双流道泵内压力脉动的CFD计算及测试

基于计算流体动力学软件Fluent,应用滑移网格技术,对一比转速为99的双流道泵在设计工况下的内部流场进行非定常计算,得到不同时刻叶轮和蜗壳内监测点的压力脉动规律.计算结果表明叶轮流道内不同位置处点的压力波动在一个周期内呈现周期性变化规律,同时从进口到出口逐渐升高,压力出现波峰和波谷的时间间隔大致相同.蜗壳流道内,离隔舌位置越近,压力波动越大,蜗壳出口的压力波动呈周期性变化规律,关于基圆中心对称的两个点的压力波动规律非常相似.利用虚拟仪器技术和水下压力传感器测量了蜗壳出口处的压力脉动,对比结果表明数值计算结果与试验压力结果基本一致,满足压力脉动预测的要求.

双流道泵性能预测的研究

通过对双流道泵叶轮和蜗壳里的水力损失、容积损失、机械损失的分析 ,提出了双流道泵扬程曲线、效率曲线的性能预测方法。分别给出了双流道泵叶轮和蜗壳内各种摩擦损失、扩散损失 ,及主要局部损失的计算方法。性能预测实例表明预测结果具有较高的精度。

叶轮流道结构对双流道泵性能的影响

从叶轮流道结构变化的角度研究双流道泵的内部流场及其流动特性.采用标准k-ε湍流模型和全隐式多网格耦合算法,对双流道泵叶轮的3种流道结构,即上圆弧式(方案a)、直线式(方案b)、下圆弧式(方案c)进行全流道三维不可压缩湍流流场的数值模拟,并比较其在相同工况下的水力性能,探寻最优的双流道泵叶轮流道结构.结果表明:不同叶轮流道结构的双流道泵,在设计工况下的内部压力和速度场分布呈现出规律性和差异性;方案a和方案c的有效流道体积均增大,方案a无阻塞性能最好;方案a的水力效率最低,但在流道出口处具有更加明显的压力降;方案c具有最高的水力效率,扬程最低;综合分析,方案b具有最高扬程14.46 m和较高水力效率78.24%,较另外2种方案,方案b的综合性能指标最优,认定其为最优双流道泵叶轮流道结构.

双流道泵内固液两相流动的数值模拟

采用Mixture多相流模型,对一比转速为80的双流道泵内固液两相流动进行了叶轮蜗壳耦合数值计算,比较了不同颗粒直径、不同颗粒体积浓度和不同工况等3种因素,对该双流道泵内静压分布、绝对速度分布、固相体积浓度分布以及泵能量外特性等的影响.结果表明:颗粒直径的变化对泵的固相体积浓度分布的影响最为明显,对静压分布、速度分布及泵的外特性等的影响较小;颗粒体积浓度的变化对泵内静压、固相体积浓度分布和外特性等都有比较大的影响,对速度分布没有明显影响;工况的变化对泵内静压和速度分布的影响最大,对固相体积浓度分布影响较小.本研究还表明,该固液两相流双流道泵的性能曲线趋势,与一般清水离心泵的基本相同;在输送颗粒直径为0.075 mm左右、体积浓度为30%的固液混合物时,该泵运行性能最优.

双流道泵水力设计的研究

在大量试验研究和设计实践的基础上,对双流道泵叶轮和蜗壳的一些主要几何参数进行了统计分析,发展和完善了双流道泵水力设计方法。给出了双流道泵叶轮轴面图前、后盖板圆弧半径R1、R2与比转数ns及叶轮进、出口直径Dj、D2的关系,提出了叶轮平面图流道中线方程。总结了双流道泵蜗壳基园直径D3、进口宽度b3、隔舌角φ0和面积比系数y的计算公式。研究成果已经被大量应用到双流道泵产品开发中。

双流道泵输送固液两相混合物的水力试验研究

为了分析固液混合物对高速双流道输送泵性能的影响,在转速为2900 r/min工况下,开展了输送4种粒径固体物质与不同浓度的固液两相水力性能试验研究,其最大固体颗粒直径达到48 mm,得到了其在不同工况下固液混合输送的性能规律.实验结果表明,输送固液两相介质时泵进出口压力、扬程、效率比清水试验工况下低,更易发生汽蚀;在相同流量和浓度的工况下,随着输送的固体颗粒粒径增大,效率略有升高,扬程受粒径变化影响较小;在相同流量和粒径颗粒的工况下,随着输送混合物中固体颗粒浓度的增加,扬程及效率呈递减趋势.高速双流道泵的结构可以用来输送海底金属矿物质.

双流道泵蜗壳多目标多学科设计优化

为实现同时提高双流道泵水力性能和结构性能的研究目标,采用均匀试验设计、高精度流固耦合计算、人工神经网络建模以及多目标遗传寻优相结合的方法,选取蜗壳的进口直径、进口宽度、隔舌安放角和扩散段长度为优化变量,利用均匀试验设计方法设计了50组试验,通过流固耦合计算方法得到双流道泵设计工况点的效率以及蜗壳段的最大应力,并以此为优化目标,通过BP人工神经网络训练建立近似函数,设计了离心泵专用的多目标多学科遗传寻优策略对目标函数进行寻优,得到了蜗壳几何参数组合的Pareto前沿。结果表明:相对于原始方案,优化方案的扩压效果明显改善,并且减少了隔舌处及扩散段的回流现象;优化方案的效率得到提升;优化方案的最大应力和最大应力点的平均振动速度显著降低。

双流道泵优化水力设计

研究了双流道泵的优化设计方法 ,采用单目标方法和损失极值法建立了目标函数 ,同时考虑了叶轮和蜗壳的主要参数对泵效率的影响 ,并依此提出了优化设计的设计变量 ,分析给出了其边界约束条件和性能约束条件。

双流道泵叶轮切割定律方程的建立与试验

为了找出适用于双流道泵叶轮的切割定律,选用比转数为77和122的两种双流道泵,分别对其叶轮进行了5次切割,并进行了泵外特性试验。通过分析双流道泵在最优工况及关死点工况下性能参数与叶轮直径的变化规律,确定了相应的切割指数取值范围,最终建立了双流道泵叶轮的切割定律指数方程。研究结果表明,双流道泵的流量、扬程、轴功率和效率随叶轮直径的减小而降低,但随叶轮切割百分比的增加,最优工况性能参数的变化规律及下降幅度并不相同,关死点扬程和轴功率随叶轮直径的减小下降明显;双流道泵关死工况点的切割指数可以近似认为与比转数的变化无关;最优工况和一般工况点的流量切割指数随比转数的变化较明显。建立的双流道泵叶轮切割定律预测值与试验值吻合性好。

基于流固耦合的隔舌位置对双流道泵综合性能的影响

为了研究隔舌位置对双流道泵水力性能与结构性能的影响,针对3种不同隔舌安放角的双流道泵进行双向流固耦合计算,结果表明:水力性能方面,隔舌位置对扬程的影响较小,而对效率的影响较大,3种方案的最大扬程差仅为0.09 m,而最大效率差达1.1%;隔舌位置主要影响隔舌圆角及往第1断面方向附近与叶轮间隙处的压力脉动程度,隔舌安放角越大,压力脉动越强;叶轮旋转1周,蜗壳所受径向力呈现周期性变化规律,叶片扫过隔舌圆角时,蜗壳所受径向力最小,转过90°时径向力达到最大值.增大隔舌安放角可显著减小蜗壳所受径向力.结构性能方面,叶轮应力集中出现在出口吸力面,蜗壳应力集中出现在隔舌圆角附近靠后盖板处,增大隔舌安放角会增加蜗壳的最大应力值,但振幅减小;双流道泵发生10-5m量级的位移,最大位移出现在蜗壳出口处,主要受叶片通过频率的影响,呈周期变化趋势,且随着隔舌安放角的增大,蜗壳最大变形量增大,振幅减小;隔舌位置对泵的振动速度影响比较明显,增大隔舌安放角,有助于减小振动.

全工况下双流道泵内流三维PIV测量

为了揭示双流道泵从零流量点到大流量点内部流动的变化规律,采用粒子图像测速仪对1个比转数为110.7的双流道泵在8个工况下的内部流动进行了测量.采用基于光纤制作的外触发同步系统和三维等效标定方法等关键技术来保证3D PIV的测试精度.根据速度三角形,采用Visual C++2005编写了PIV速度分解程序,将测量的叶轮内的绝对速度分解成圆周速度相对速度.研究结果表明:叶轮流道内的流动并未随着流量的减小出现大范围的旋涡,仅当流量小于0.4Qd以后在叶轮出口靠近吸力面侧出现1个旋涡,并且随着流量的减小该旋涡越来越明显;另外,随着流量的减小,蜗壳扩散段上的绝对速度值逐渐减小,且当流量小于0.2Qd时扩散段开始出现旋涡;在叶轮出口靠近隔舌处的区域上绝对速度值随着流量的减小先增大后减小,在0.2Qd工况下速度值达到最大;关死工况下叶轮和蜗壳内都存在着明显的旋涡和回流,泵内流态最差.

双流道泵叶轮边界涡量流分析与水力优化

为优化双流道泵叶轮,对原始泵的内流场进行数值模拟,引入边界涡量动力学理论进行流动诊断,分析了叶轮表面的边界涡量流(BVF)、摩擦力线以及涡量线的分布规律,找到了叶轮内产生不良流动的位置及其动力学根源。根据流动诊断结果,有针对性地调整影响双流道泵叶轮内流状态的结构参数,得到优化后的双流道泵叶轮。联合CFD计算和边界涡量动力学流动诊断方法,对比分析了优化前后的双流道泵叶轮,结果表明:优化后叶轮表面的BVF、摩擦力线以及涡线分布得到明显改善,BVF峰值和均值均显著降低,均匀性指数更接近于1,流动分离被抑制,叶轮受力状况得到改善,扬程和效率等水力性能明显提高。研究结果证明了基于边界涡量动力学理论的流动诊断和优化方法在流道式叶轮机械中应用的可行性。

双流道泵内非定常固液两相流的数值分析

采用Mixture多相流模型、标准的k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,应用FLUENT软件对双流道泵内固液两相湍流进行了非定常数值模拟。研究结果表明:不同时刻,泵流道内的压力分布明显不同,呈现周期性变化规律;在叶轮流道内,固相体积浓度分布极不均匀,颗粒主要集中于叶轮出口处的工作面和后盖板上,而在蜗壳流道内,固相颗粒多集中于离叶轮半径较大的蜗壳壁面上。