小流量工况下混流泵涡识别及其演变规律

为了研究小流量工况下混流泵内部流动状态及涡结构的演化规律,采用大涡模拟的计算方法并结合先进的Omega涡识别方法,对某混流泵小流量工况下的涡结构进行识别,获得了叶轮内部典型涡结构的特征和演化规律,并与叶片表面的涡量生成和流动分离情况进行对比分析.研究结果表明:Omega方法克服了第二代涡识别方法需要人为调节阈值的缺陷,可以较好地识别小流量工况下混流泵内部的精细涡结构;在小流量工况下,混流泵内的叶片斜向涡带、叶尖涡和叶尖分离涡、通道涡以及尾缘脱离涡是叶轮流道内生成的典型涡结构,它们有各自独立的生成和发展过程,又相互作用,使叶轮内流场更加紊乱.本研究揭示了小流量工况下混流泵内部特有的涡结构特征与演变规律,可为包括混流泵在内的叶轮机械流场分析和性能优化提供一定的理论指导和技术支撑.

轴流泵小流量工况条件下叶顶泄漏空化特性

为了研究轴流泵小流量工况下叶顶泄漏涡的空化问题,该文以TJ04-ZL-02轴流泵水力模型为研究对象,基于修正的空化模型和SST k-ω湍流模型,分析了叶顶间隙泄漏涡的空化特性。数值计算结果表明,叶顶间隙内泄漏流在工作面拐角处产生分离涡空化,其与叶顶泄漏涡空化共同构成轴流泵的初生空化;在同一空化数下,不同叶片弦长系数的截面空化情况不同,随着弦长系数的增加,叶顶泄漏涡的空化区域和空泡体积分数逐渐增大。随着空化数减小,叶顶泄漏涡的卷吸区也出现空泡团,并与涡带连成一片形成空泡云。在小流量工况下,叶顶区工作面和背面压差较大,间隙轴向速度均出现矢量负值。高速摄影试验结果表明,在小流量工况下,随着空化数的降低,空化现象率先出现间隙内部,接着空化程度不断增加,泄漏涡导致的空泡急剧增加,形成的空泡云在叶片尾部区域发生爆破。当空化数为σ=0.187-0.232时,空泡布满了叶片背面,且叶顶区的空泡在轴向厚度增大,且在叶片后缘出现了明显的空泡脱落现象。

小流量工况下离心风机蜗壳内部的三维流动测量分析

利用五孔探针对小流量工况下离心通风机大宽度矩形截面蜗壳内部的三维流动进行了详细的测量 ,给出了蜗壳螺旋通道部分的 3～ 8个横截面内比较清晰的时均速度、静压和总压的分布图形 .结果表明 ,在小流量工况下 ,蜗壳内部的二次旋涡在蜗舌处就开始形成 ,在一个横截面内 ,由开始有 1个涡发展成 2个、甚至 3个涡 ;速度沿径向的分布与动量矩守恒规律有比较明显的差别 ,特别是蜗舌附近区域的速度和压力分布与通常的分析有很大不同 ;蜗壳内的损失可初步归纳为 4种 :二次流损失、内泄漏损失、冲击损失和磨擦损失 ;在小流量工况下 ,二次流损失和内泄漏损失相对最为严重 .

叶片数对离心泵小流量工况空化特性的影响

为研究小流量下离心泵的空化特性,采用ANSYS CFX 14.5,基于k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型,以3种叶片数叶轮的IS50-65-160型离心泵为研究对象,对其内部空化流动分别进行了数值模拟。为了提高数值计算准确性,进行了网格无关性分析,且从泵空化性能、叶轮所受扭矩及轴向力分析了叶片数对泵小流量下空化特性的影响规律。研究结果表明:当叶片数从4增加至8时,离心泵扬程增加,但其效率变化较复杂。小流量工况下,随着空化系数降低,各叶片数叶轮扭矩与泵扬程均不同步地发生陡降,且出现相似地匍匐下降规律;当扬程下降3%后,各叶轮所受轴向力的大小几乎恒定;单个叶片流道的空泡体积出现突增,明显较其他叶片流道大,各叶片流道空泡分布极不对称。研究发现,离心泵扬程及扭矩匍匐下降特性很可能与不对称叶片空化相关。

离心泵小流量工况下的内部流动特性

为研究离心泵在小流量工况运行下性能及其内部流动特性,以型号为IS160-50-65的离心泵为研究对象,采用商用化软件Ansys CFX 12.0对模型离心泵的叶轮进口、叶轮流道以及蜗壳流道组成的全流场进行定常数值计算.同时,为了提高数值计算的准确性,考虑采用3种不同的网格数对模型离心泵的扬程进行网格无关性分析.且从离心泵的外特性及其内部流场分析了不同小流量工况下离心泵性能的变化规律.研究结果表明:与试验结果相比,设计工况下,扬程预测偏差为1.47%,效率预测偏差为3.61%;且随着流量降低,计算扬程的偏差值呈一定的下降趋势,计算效率的偏差值逐渐增大.另外,在设计工况下,离心泵的内部流动比较均匀;而在小流量工况下,离心泵进口管道及叶轮流道均出现回流现象,而回流引起的旋涡流有时甚至会堵塞叶轮流道;在极小流量Q/Qd=0.2时,回流区域已延伸至全部的进水管路中.

斜流泵小流量工况压力脉动数值模拟与实验

基于标准的Smagorinsky亚格子尺度模型,对斜流泵全流场进行大涡模拟并结合压力脉动实验对小流量工况下的压力脉动和内部流场进行研究。实验结果表明,叶轮进口处的脉动幅值最高,随着流量的降低压力脉动幅值逐渐增加,不同工况下叶轮进口、叶轮出口、导叶进口的压力脉动主频为叶频,但导叶出口脉动主频随着流量的变化而变化。大涡模拟表明,0.8Qopt工况下叶轮进口流动状态较好,叶轮进口轴面速度变化较小,而在0.4Qopt工况下叶轮进口流动状态较复杂,轴面速度变化较大,0.4Qopt工况时叶轮进口冲角增加以及受到相邻叶片叶顶泄漏流的影响,在t*=0.041 6时叶片进口吸力面已发生流动分离,当叶轮从t*=0.041 6旋转到t*=0.124 9时,叶片吸力面流动分离加剧,轮缘处的轴面速度明显升高,同时分离涡的旋转强度也逐渐增强,导致该区域的静压下降,逆压梯度上升,促使回流的产生,当回流到达叶片进口时进口处的静压逐渐恢复,因此叶轮进口流动分离是引起叶轮进口压力脉动幅值增加的重要因素。

低比转数离心泵小流量工况下的压力脉动特性

为了研究低比转数离心泵在小流量下的压力脉动特性,以IS50-32-160型离心泵为研究对象,在对模型泵进行网格无关性分析的基础上,采用分离涡模拟对不同小流量工况下的内部非定常流动进行数值计算.计算结果表明:隔舌对叶轮内部流动的影响较大,靠近隔舌的3个流道内均存在不同程度的进、出口旋涡,进口旋涡从叶片吸力面处产生,方向与叶轮旋转方向相同,而出口旋涡在叶片压力面产生,方向与叶轮旋转方向相同;随着流量的减小,旋涡不断发展,尤其是隔舌所在流道,进、出口旋涡会堵塞整个流道,且蜗壳出口会出现流动分离,导致出流不均匀;对叶轮和蜗壳内各监测点进行快速傅里叶变换,发现叶轮内的主要脉动频率为轴频及其倍频,且脉动从吸力面到压力面、进口到出口均逐渐增大;蜗壳内主要脉动频率为叶频及其倍频,且越靠近隔舌脉动越大,在隔舌处达到极大值;各监测点的脉动强度随流量的减小而增强.

小流量工况下微小型泵内部流场数值模拟及LIF-PIV实验研究

本研究利用二维粒子图像测速技术(PIV),并结合激光诱导荧光(LIF)的示踪颗粒技术,成功地测量了小流量工况下微小型离心泵的内部流场,得到了泵内喉舌区和叶道间的瞬时流场,并且用标准κ-ε湍流模型对试验工况进行计算.LIF示踪颗粒的使用成功地消除了近壁和角区的激光反光干扰,近壁区测试数据得到改善。试验和计算结果证明,标准κ-ε湍流模型对小流量工况下的泵的性能预测非常准确但是对于捕捉流动细节信息来说,则显得不是很合适。LIF-PIV测量揭示了微小型离心泵在小流量工况下,喉舌处存在大量的回流区域而且不同的叶道的流动状态也不相同.

小流量工况下汽轮机末级的脱流特性研究

利用CFX软件对小流量下汽轮机低压缸末级叶片的脱流特性进行研究。结果表明:在额定背压、G1/G0=0.3工况下,动静叶间隙开始形成脱流涡。随着流量的减小,脱流涡沿叶高向叶根方向发展。当G1/G0=0.08时,脱流涡几乎占据整个叶高,涡核由72.7%相对叶高迁移到49.1%,严重恶化末级流场,威胁叶片安全。

平衡孔直径对离心泵小流量工况空化特性影响

为研究小流量工况低比转速离心泵的空化特性,以一台降速后的IS80-50-315型离心泵为试验对象,专门设计了更换平衡孔直径的装置,当平衡孔直径等于4、6、8和11mm时分别对0.4Q_d、0.5Q_d、0.6Q_d和0.8Q_d这4个工况进行测试并分析。结果表明,叶轮平衡孔直径增大,泵扬程减小,效率下降。小流量工况下,随空化数的减小,不同平衡孔直径叶轮所受扭矩与泵扬程均出现不同步的陡降,且扭矩有明显的匍匐变化,这主要是由蜗壳和叶轮之间的动静干涉引起的;同一空化数下加大平衡孔直径,扬程系数增加,叶轮轴向力减小,离心泵的抗空化性能增强;同一平衡孔直径下流量越小,离心泵越不易发生空化,但随着离心泵内空化的产生和发展,泵腔内液体压力的下降速率先增大后减小,叶轮轴向力具有先趋于平坦后急剧增加的规律。从抑制空化和减小轴向力的角度,提出平衡孔直径在6~8mm较为合适。

基于LDV的离心泵小流量工况内流场测量

为了研究离心泵中的脱流现象,利用二维激光多普勒测速仪对一低比转数带导叶扩压器离心泵叶轮在4种小流量工况下(0.75Qd,0.50Qd,0.40Qd和0.30Qd)的内部流动进行了精确测量.基于测量结果,得到了各种工况下测量点上的相平均速度场和湍流强度场.通过分析测量结果发现在工况0.75Qd下,叶轮内没有脱流发生.而在工况0.50Qd,0.40Qd和0.30Qd下,叶轮流道中呈现"两流道"脱流现象:相邻两个叶轮流道中的脱流大小和类型完全不同,但此时脱流呈现出120°的周期性,这可能与叶轮叶片数和扩压器导叶叶片数的比率(6∶9)有关.此外,对比分析了各种工况下各个速度分量和湍流强度的分布规律.结果显示:离心泵叶轮内的湍流强度随着流量的减小而增大.在离心泵叶轮出口附近,流量为0.75Qd时,最大湍流强度达到0.06(基于叶轮出口圆周速度u2);而对于工况0.50Qd,0.40Qd和0.30Qd,其最大湍流强度达到了0.12～0.14.

中比转速离心泵小流量工况下压力脉动特性

采用Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型,对不同流量工况下离心泵内部非定常流动进行了数值计算,计算得到的离心泵外特性与试验结果吻合较好。数值模拟结果表明,不同流量工况下叶轮内压力脉动具有明显的周期性变化,压力脉动强度随着流量的减小而增强,叶片压力面脉动强度更加剧烈,叶轮旋转频率始终占主导作用。由叶轮进口至出口,叶片压力面和吸力面压力脉动最大幅值均渐渐增大。相同监测点的压力脉动最大幅值在30%设计流量工况时最大,约为设计流量工况下3~4倍。随时间叶轮流道内存有旋涡的产生、发展、脱落的周期性变化过程,这是造成离心泵运行效率低、压力脉动副值增大、脉动波形紊乱的主因。

小流量工况下离心泵的性能预测研究

对在小流量工况下,利用数值计算的方法预测泵的性能时误差偏大的原因进行了分析,提出了在小流量工况下对扬程和效率的修正方法。通过对MD40-6.3多级泵一级的叶轮与导叶内部流场的数值计算,根据小流量工况下的修正公式预测了该多级清水离心泵一级的能量特性曲线,并与实验数据进行了比较。结果表明:在设计工况附近,预测值与实验值吻合较好,在小流量工况点,误差比修正前明显减小。

双吸泵小流量工况下的空化特性研究

为研究双吸泵在小流量工况下叶轮内部空化特性,同时进一步说明小流量工况相比于设计工况时的空化特性差异,结合均质两相流模型和SST k-ω湍流模型,对双吸泵小流量工况和设计工况下的全流道空化流场进行数值模拟,以分析不同流量工况下空化分布与发展情况,以及空化对各叶片载荷造成的影响。研究结果表明:适当减小双吸泵进口流量,有助于改善双吸泵的空化性能;在小流量工况下空化首先发生于叶片吸力面头部靠后盖板附近,而且此处的空泡体积分数最大,这一空化特征同设计工况有所差异;随着NPSH的降低,叶轮内空化不断加强,但是小流量工况下的空化强度始终不及设计工况;不同空化状态会导致叶片吸力面压力的变化,从而表现为叶片表面载荷分布的变化。

防止混流泵小流量工况叶轮前回流的试验研究

混流泵在小流量区((?)=Q/Q_0<0.85)时,叶轮前出现回流,回流的强度和范围随流量的减小而增大。本文提出在叶轮前插入中心开孔的孔板,并调节开孔直径至最优值,则可有效地改善混流泵在小流量区的性能,提高泵的效率。

混输泵小流量工况的空化特性

为改善混输泵在小流量工况下的水力性能,采用基于均相流假设的多相流模型和Rayleigh-Plesset方程,应用标准k-ε湍流模型,对混输泵小流量工况全流道空化流场进行数值模拟,分析几种典型空化工况下混输泵的输运性能以及在不同工况下叶轮内部空泡的分布规律,最后根据模拟结果预测混输泵的能量特性并与试验结果作对比分析,从而在一定程度上验证了数值模拟的可靠性.研究结果表明:在小流量工况下,叶片进口绕流和动静干涉对叶轮内的流动分离产生较大的影响,同时旋涡形成的低压区会加剧进口空化、降低泵的混输性能;从初生到深度空化发展过程中,空化首先发生在叶片进口和靠近中间位置,在叶片背面进口的空化程度较严重,越靠近轮毂空化程度越严重,甚至阻塞流动,加剧叶轮内相态分离.该研究结果为混输泵的进一步优化设计、性能改善及试验研究提供理论依据.

小流量工况下汽轮机末级的湿蒸汽凝结研究

在火电机组深度调峰过程中,汽轮机常工作在小流量工况,低压缸末级内湿蒸汽的凝结及分布规律也非常复杂。将两相流体模型和经修正的均质成核模型及液滴生长模型相结合,对小流量工况下末级湿蒸汽凝结规律进行研究。结果表明:湿蒸汽成核率的分布受压力场的影响较大,且与压力场的分布趋势相近。不同截面液滴数及粒径的分布受到涡的影响也较为突出,液滴主要分布于动叶压力面侧及动叶片尾缘下游,这与该处的流线涡位置相吻合,并且在液滴数越多的位置液滴粒径也越大。

提升离心泵小流量工况数值模拟精度的进口边界设置

为提高离心泵小流量工况下性能参数的预测精度,参考关死点工况数值模拟研究的现有文献,将一种开口边界作为吸水管进口条件应用于某离心泵的多个小流量工况,以试验测量结果为基准,与常规进口边界设置下的计算结果进行了性能参数及泵内流场的对比分析,研究了不同边界设置对于不同工况的适用性.结果表明:以吸水管进口处是否存在回流为判别标准,对于存在明显回流的工况,采用开口边界可以大幅提升扬程等性能参数的预测精度,而对于入流均匀无回流的工况,常规边界条件即可满足工程计算精度要求;采用开口边界可以在吸水管进口处释放回流而避免形成虚假漩涡,保证水力损失的合理预估,进而得到更为精确的离心泵特性曲线.因此,在计算离心泵的完整特性曲线时,可首先采用常规边界条件进行全工况的数值模拟,再根据进口回流情况调整进口边界设置,对少数小流量工况进行二次计算,确保特性曲线形状符合真实情况.

小流量工况下低压缸进排汽参数对流场和叶片温度的影响

建立了某电厂汽轮机低压缸五级叶片单通道模型,采用数值模拟的方法进行多工况计算与分析,得出了5种不同进出口参数工况下的流场和末级叶片温度场分布。分析了低压缸进口蒸汽质量流量、进口蒸汽比体积、进口蒸汽温度、排汽压力对于流场和末级叶片温度的影响。结果表明:在小流量工况下,出口区域靠近末级叶根的部位最早出现回流,且末级叶片的最高温度出现在静叶片叶顶出汽边附近,进汽流量越小,回流越严重,鼓风效应越明显,叶片表面温度越高;提高进口比体积对于改善叶片脱流基本没有效果,降低低压缸进口蒸汽温度和出口压力对降低末级叶片表面温度以及改善鼓风效应均有较好效果。