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。

矢量泵喷推进潜航器回转性能研究

泵喷推进器已经逐渐成为现代潜航器的首选,矢量推进器也在航空航天领域得到了广泛的应用。为了解决传统依赖船舵控制在低航速下控制效率低的问题以及提高潜航器回转性能,矢量推进器在潜航器上的应用已逐步成为国内外关注的热点。本文考虑大舵角(喷管偏角)下潜航器各参数非线性的影响,建立潜航器水平面操纵运动的非线性模型。通过仿真研究分析船-舵-推进器、船-矢量推进器和船-舵-矢量推进器三种不同的控制方法下潜航器在低航速、控制泵喷推进器转速、控制潜航器轴向航速三种不同条件下作水平面回转运动时的回转性能,结果表明矢量泵喷推进器可以有效改进潜航器的回转性能。

舟山LNG取水泵站泥沙减淤清淤试验研究

LNG接收站取水流道内水流形态复杂,泥沙淤积问题往往难以避免,特别是在含沙量较高水域,流道内泥沙淤积可能威胁接收站的正常运营。为实现LNG取水泵站不停机条件下清淤,开展取水泵站射流冲刷物理模型试验,模拟了射流冲沙装置开启后吸水间射流水流特征及冲刷效果,探究了射流冲刷设置的喷嘴与翼墙夹角、射流流量、冲刷时间等因素影响下流道内减淤清淤效果。试验结果表明,在理想状态下吸水间射流冲沙装置连续作用12h基本可达到较为理想的清淤效果;一次大风浪过后,装置连续作用0.5h基本可达到较为理想的清淤效果。清淤效果视射流流量、喷嘴与翼墙夹角以及冲刷时间不同而有差别。结合取水泵站泥沙淤积物理模型试验研究成果,取水泵站淤积区主要发生在前池、过滤池末端、吸水间和消防泵附近,建议在这些区域安装射流冲沙装置,实现不停机状态下的减淤清淤,提高取水安全保证率,从而提高运营效益。

轮缘驱动泵喷推进器的螺旋桨性能优化方法

为得到适用于新型轮缘驱动泵喷推进器的螺旋桨,在传统泵喷推进器螺旋桨的基础上进行性能优化方法研究十分必要。利用CFD数值模拟方法对推进器进行水动力仿真,分别对比3个不同的螺旋桨孔径比和3种桨叶厚度分布方案对推进器敞水性能的影响。对比结果发现小孔径比对推进器敞水性能更为有利,其中0.1孔径比推进器比0.3孔径比推进器的敞水效率最大提升了3.25%。厚度反置导致轮缘驱动螺旋桨高半径处压力分布不均匀,扭矩大幅提升,敞水效率大幅降低。轮缘驱动螺旋桨的厚度越小,扭矩越低,敞水效率越高,其中方案C桨的扭矩比方案A最大降低了21.74%,敞水效率最大提升了12.9%。

叶顶间隙对螺旋混流式喷水推进泵内流及推进特性的影响

喷水推进泵是舰船泵喷推进系统的核心部件,喷水推进泵在工作过程中,叶顶间隙处所产生的泄漏流会严重影响混流泵的工作性能。为了探讨叶轮叶顶间隙对喷水推进泵推进特性的影响,本文定义了叶顶间隙系数τ,设计了六种不同叶顶间隙系数模型并使用Ansys进行仿真分析,最终得到叶顶间隙对于喷水推进泵内流以及推进特性的影响规律。结果表明:随着叶顶间隙系数的增大,叶顶间隙处泄漏流逐渐增加,泄漏涡影响范围变大,轴向推力随着叶顶间隙系数的增大呈负指数下降,叶顶间隙处泄漏量随指数上升,喷水推进泵内流损失增加,推进效率持续减小,并且在大流量工况下叶顶间隙对喷水推进泵推进特性影响最大,在设计的六套模型中,叶顶间隙系数为0.08,叶顶间隙为0.16mm时效率最高。通过本文的研究可以发现,叶顶间隙对于喷水推进泵内流以及推进特性影响较大,在设计时应尽量减小叶顶间隙。

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.

混流式喷水推进泵空化流动及其诱导振动特性的试验研究

为了研究喷水推进泵内非定常空化流动及其诱导的振动特征,搭建了高速摄像与数字信号同步测量平台。对不同空化程度下的泵内空化流动、压力脉动信号、振动信号进行了采集和分析。引入经验模态分解及希尔伯特黄变换(Hilbert-Huang transform,HHT)对振动信号进行了处理和分析。试验表明:喷水推进泵叶顶区出现了叶顶间隙空化和叶顶泄露涡空化等空化现象;随着空化程度的加剧,叶顶区的空化结构先由丝状逐渐连接成薄片状,继而发展为云状;快速旋转的空化云会呈现出极不稳定状态,尾部发生脱落形成垂直空化涡(perpendicular cavitating vortices,PCVs);小尺度的垂直空化涡消散在流道中部;随着空化程度的进一步加剧,垂直空化涡尺度增大并向相邻叶片的压力面运动,造成喷水推进泵性能的下降。空化程度加剧对应的流动结构特征会导致压力脉动产生相应的变化,从而诱导振动的增加。经验模态分解和HHT结果显示片状空化及大尺度云空泡溃灭时会诱导高频区的宽频振动增大;空化云尾缘的低频脱落会产生垂直空化涡,诱导低频的压力脉动和振动的快速增加。希尔伯特边际谱上高频幅值,叶频和轴频幅值的变化特征可在一定程度上用来反映泵内的流动状态。

喷嘴导流片对喷水推进泵性能的影响

本文提出减少径向高度和导流片环绕导流锥分布这2种喷嘴导流片结构,通过DES-FEM耦合的方法研究了喷嘴导流片对喷水推进泵推力及噪声性能的影响。结果表明,随着喷嘴导流片径向高度减少,喷水推进泵推力增大0.61%,流量略微增大而扭矩略微降低,内流噪声主频仍为导叶叶频但幅值降低2.43%,总声压级略微升高;导流片环绕导流锥分布时,喷水推进泵推力提高1.03%,流量增大0.76%,扭矩提高,声压级主频处幅值降低2.05%,总声压级降低,内流噪声主频由导叶偏移至叶轮处,但两者声压级幅值差异较小;各方案频谱中均存在叶轮叶频谐频;内流噪声能量主要集中在中低频段。

不同密度下水力射流泵动态特性方程建立及应用

水力射流泵具有无运动部件,产量调节范围广,检泵不动管柱,作业时间短且作业成本低等优点,因次,该设备在海上油田前期排液注水井将有广泛的应用前景。然而,当前水力射流泵选型所用的特性方程是建立在动力液密度和产液密度相同的假设条件下推导的。该特性方程对流体密度相近的排液井选择出的射流泵型较合适,而对流体密度差异大的排液井,选出的泵型及工作参数与泵实际运行参数差异较大,影响了泵排液效果。为更准确描述流体密度差异对泵特性影响,进一步提高选泵水平。根据能量方程和动量方程,我们建立了不同密度下水力射流泵动态特性方程,并将该方程应用于选泵中,油井排液效果良好。

泥浆射流泵冲蚀磨损特性

为了研究泥浆射流泵的冲蚀磨损特性,基于欧拉-拉格朗日方法对泥浆射流泵内部的固液两相流动开展了数值模拟,重点对泥浆射流泵内部液固两相流的冲蚀磨损规律进行了研究。结果表明:泥浆射流泵喉管进口和喉管中后段是产生冲蚀磨损的主要部位,吸入室和扩散管未产生明显冲蚀磨损。颗粒质量流量从1 kg/s增大到1.8 kg/s时,泥浆射流泵最大冲蚀速率增大了93.7%;泥浆流速从2 m/s增大到5 m/s时,最大冲蚀速率增大了11.48倍;颗粒直径从200μm增大到450μm时,最大冲蚀速率先减小后增大。相较于颗粒质量流量和颗粒直径,泥浆流速对射流泵内表面的冲蚀磨损影响更大,但产生冲蚀磨损的主要部位不会随泥浆流速、颗粒质量流量和颗粒直径发生明显改变。研究成果可为射流泵的设计提供参考。

煤层钻孔孔口处除尘设计与试验研究

为解决碎软煤层干式钻进施工过程中粉尘污染严重的问题,采用多级湿式除尘技术,并基于气水射流泵喷雾除尘原理,研发了一种新型煤层钻孔孔口除尘装置。通过数值模拟对除尘装置的结构参数进行了优化,并在中煤平朔小回沟煤矿开展了现场试验。结果表明,煤层钻孔孔口除尘装置二级除尘单元的最优喉嘴距为180 mm。煤层钻孔孔口除尘装置一级除尘单元的喷嘴角度选择95°最为合适,可实现集尘罩内全空间覆盖。供气压力0.6 MPa、供水压力0.3 MPa为二级除尘单元的最佳工作参数,该气水压配比下钻孔下风侧15 m内除尘效率可达到87.5%。在煤层钻孔孔口除尘装置采用二级湿式除尘并连接瓦斯抽采系统时,钻孔下风侧15 m内除尘效率达到了90.1%,此除尘模式可有效改善钻孔施工作业环境。

中心射流泵降压性能参数敏感性分析

为分析射流泵结构参数对井下环空钻井液压降的影响,应用CFD仿真软件对中心射流泵的不同结构参数产生的降压效果进行仿真分析。结合实际工况模拟了射流泵的喉管长度、喉管直径、喷嘴直径、喷嘴角度四个关键结构参数以及钻井液密度和排量对压降影响的敏感性。同时,运用CFD-DPM方法对射流泵进行了冲蚀分析,给出冲蚀较大的区域。研究结果表明:喷嘴直径相比其他三种参数对环空压降影响较显著,喉管长度、喉管直径、喷嘴角度对环空压降影响较小;钻井液排量相对与钻井液密度对射流泵的降压效果影响更为显著;冲蚀较大区域主要出现在射流泵入口处、射流泵弯管拐角处、喷嘴缩径处。研究结果可为用于井下起抽吸降压作用的中心射流泵的结构尺寸设计提供参考。

基于射流补水的水泵水轮机S特性改善研究

针对水泵水轮机的“S”特性提出了在导叶顶盖位置无叶区处加装注水管的解决方案,并模拟了注水管安装在不同位置时的“S”特性曲线,分析了加装注水管后转轮区域内流线及转轮各叶道流量的分布规律。结果表明,于导叶顶盖加装注水管可以有效改善转轮内部流动,减轻转轮和导叶内部流动的相互影响,减小叶道涡的尺寸,同时有效缓解了转轮各叶道流量分布不均的现象。在注水管处于无叶区中段和活动导叶附近时,对“S”特性的改善效果明显。

基于Fluent的多级串联喷嘴液气射流泵的抽气性能研究

为提高液气射流泵的抽气性能,在其主喷嘴后设置了多级串联喷嘴,通过Fluent软件对常规液气射流泵和多级串联喷嘴液气射流泵内气液两相流体运动情况进行了数值模拟,对比分析了相同工况下两种类型液气射流泵的抽气性能、压力场分布、速度场分布和气相体积分数分布。结果表明:在工作流体进口压力(表压)为0.3 MPa、0.35 MPa和0.4 MPa下,多级串联喷嘴液气射流泵的抽气性能较常规液气射流泵分别提高了18.1%、13.4%和20%,多级串联喷嘴结构有利于气液两相流体的混合和动量交换。研究结果对液气射流泵的优化设计和抽气性能提高具有一定的参考意义。

巡航状态下泵喷推进潜艇流场与声场特性研究

为研究巡航状态下泵喷推进潜艇流场和声场的分布规律,本文基于分离涡模拟湍流模型进行全流域非定常数值计算,运用声学有限元方法预测流动诱导噪声。试验研究在循环水槽试验台进行,采用水听器和推力采集系统测试噪声和推力信息。结果表明:外流场对喷流流场的影响随航速的增加而减弱,泵喷内部存在流道堵塞现象;叶轮噪声为最主要的流体动力噪声源,其频谱特性与压力脉动的频谱特性相似;过流壁面噪声声压级在子午面呈偶极子分布,而喷流噪声在弧矢面分布有一定的均匀性,在子午面上沿喷流方向存在极大值。研究揭示了巡航状态下泵喷内部的复杂流动过程和各类流动诱导噪声分布规律,为高效低噪的泵喷推进器设计和性能优化提供了一定的理论基础和技术支持。

射流泵举升技术预测低渗油田产能的应用和评价

通过实际应用案例和效果分析,射流泵返排工艺针对低渗、深井、凝固点高,温度高的储层有很好的经济性、操作性及可靠性,同时对射流泵返排效果提高参考,对返排过程中实时预估生产压差、产能情况提供借鉴,对油藏对地层产能辅助判断提供依据。

不同启动条件下泵喷推进潜艇的瞬态特性研究

为研究泵喷推进潜艇启动过程中的瞬态特性,基于DES(detached-eddy simulation)湍流模型对“泵-艇”一体化模型进行全流域非定常数值模拟,采用线性方式进行启动,分析启动时间对泵喷内部及尾流场的影响机理。结果表明:启动过程中,随转速的增加,流量呈线性增长的态势,推力和轴功率呈指数增长;动静叶栅工作面和背面的压差逐渐增大;高涡量区从叶轮叶片前缘和轮毂表面逐渐扩大至整个流道,进口回流逐渐得到一定程度的遏制,漩涡逐渐出现在各个区域;喷流边界从速度梯度不明显且几乎成轴对称分布形态逐渐演变为显著的局部速度梯度且呈“蜿蜒”特性;尾部流场三维涡从启动初期简单的喷管剪切层涡和呈锥体结构的尾涡逐渐演变为由轴心涡、尾流末端涡以及叶片涡系等组成的复杂涡系系统;随启动时间增加,到达相同转速时动静叶栅内部压力整体呈下降态势;喷流尾迹到达的距离越来越长,“蜿蜒”特性更加明显;各涡系结构越来越清晰,尾涡形态产生更加复杂的非规则变化。

泵喷推进器梢涡空化计算方法

在泵喷推进器梢涡流动数值计算中,转子梢部涡系对转子梢部附近网格质量要求极高,为了准确计算转子梢涡空化,本文首先完成梢涡空化观测试验,并根据空化试验条件布置数值计算,分析常用多通道周期性结构网格在计算准确性上的不足,进而在其基础上,结合梢涡流动特点,提出一种在转子域中进行局部网格重构的方法。通过数值计算结果与空泡观测试验结果对比显示,本文所提出的计算方法既能够满足梢涡空化计算对局部网格质量的超高要求,又能以较少的网格量准确预测梢涡空化。

高速水下航行器低比转速轴流推进泵设计方法

对于水下航行器轴流泵喷水推进系统,现有升力法设计的高比转速轴流泵无法满足在浅水高速工况下正常工作的需求,为解决这一问题,提出一种针对低比转速轴流泵的设计方法。考虑所选NACA66_(a=0.8)翼型的叶栅特性,通过改变攻角和升力系数等参数的设计关系,建立适用于高航速工况的轴流泵模型,并运用SST k-ω湍流模型和多重参考系模型对设计泵的流场运动情况进行仿真。结果表明:设计工况下,设计泵的扬程和水力效率与设计值误差均控制在8%以内,同时测试了设计泵在不同水深下的抗空化性能,进一步探索设计泵工作的最小航深。

抽水蓄能电站主机房底板精确控界切割技术研究

抽水蓄能电站主机房底板爆破开挖时,对其平整度及保留岩体完好度要求很高,传统爆破方法会带来底板开挖边界控制精度差、装药量大、保留岩石损伤严重及环境危害大等问题。为克服上述缺点,提出沿主机房底板水平钻凿炮孔并侧向预切槽,沿切槽多点双向设置聚能装药进行岩石控界爆破的方法。首先采用数值模拟正交分析方法对工业炸药装填的聚能装药参数进行了优化,然后根据优化结果制作了聚能切割装置并在实地进行了试验。试验结果表明,当炮孔中双向聚能射流控界切割装置的平均线装药密度为150 g/m、孔距0.5 m时,爆破后就可以在炮孔间岩体产生精确的贯穿性裂纹。相较于传统爆破方法,该控界切割爆破方法在保证切割面精确的同时,大幅度地减少了装药量,降低了保留岩体的损伤程度和对周围环境的影响。