燃料电池凸轮式氢气循环泵内流场仿真与气动特性研究

为降低燃料电池氢气循环泵运行产生的振动及噪声,基于凸轮式氢气循环泵基本理论,建立某循环泵内流场CFD仿真模型,通过仿真分析得出:随着转速增加循环泵的实际排气流量逐渐增大;理论排气流量与数值模拟结果误差低于4.4%,可以较准确地反应氢气循环泵内部气体脉动的规律;当转速在8000 r/min时内泄漏量最小,容积效率最大,氢气循环泵的转速影响内泄漏量从而影响容积效率;压力脉动频率与转速负相关,压力脉动强度与转速正相关。因此,需选择合适的额定转速,避免因转速过高造成工作效率降低。

滚柱式叶片泵凹槽腔内流场分析

通过使用流体仿真软件ANSYS/Fluent,采用动网格的方式,在滚柱自转速度为13589 r/min时,对滚柱式叶片泵凹槽腔内的流场特性进行仿真分析。滚柱在凹槽腔内缩回和伸出运动分别对应排油和吸油状态,主要阐明了滚柱在这两种运动状态下,凹槽腔内流场的压力与速度矢量的变化情况。

面向间隙变化的三螺杆泵流场动力学特性仿真

文中为模拟三螺杆泵在运行时的磨损所造成的间隙变化,建立了间隙变化的三螺杆泵流场有限元模型,对流场网格进行了无关性验证,利用Fluent软件对流场进行仿真,实现对不同间隙下三螺杆泵的动力学仿真分析,得到了不同间隙下泵内流体压力场分布与速度矢量分布结果。研究结果表明,不同类型的间隙对流场压力分布有不同的影响区间;不同类型间隙的流场发生泄露回流的区域分布不同;其中齿间间隙对流场压降作用最明显,法向间隙对流场出口流量的影响最明显。

高精密螺杆泵重叠网格涂胶性能分析

涂胶密封工序一直以来都是飞行器装配过程中的重要环节,但目前该工作通常由人工进行,为解决人工涂胶的诸多弊端,对自动化涂胶所使用螺杆泵的涂胶性能进行研究。针对涂胶过程的高精度控制要求,基于运动学特性建立边界条件,使用Fluent软件的重叠网格技术对螺杆泵进行流场仿真以研究转速对泵内流速和出口流量的影响,得到了螺杆转速与管内流速、流量波动的关系,以及最佳转子转速区间为20~80 r/min。通过对比得出,重叠网格相对于传统动网格在仿真的精度和速度都有了很大的提升,并搭建实验平台证实仿真的可靠性,为自动化涂胶密封使用螺杆泵的运行参数提供了理论依据。

基于机械虹膜机构的新型摆动泵及其流场分析

目前,国内外学者针对摆动泵的研究大多是集中于传统的摆动泵,而对于全新摆动泵结构设计方面的研究则相对较少。新型摆动泵存在结构复杂和流量脉动大等问题,为此,基于虹膜机构可变孔径原理,提出了一种结构简单的新型摆动泵模型,并对新型摆动泵进行了运动学分析和内部流场研究。首先,分析了新型摆动泵的工作原理,建立了新型摆动泵的几何模型,并推导出了虹膜机构位移、速度及相应的瞬时流量方程;然后,使用ICEM CFD软件对新型摆动泵进行了网格划分,利用Fluent软件的动网格技术,采用RNG k-ε湍流模型,对新型摆动泵的流体区域进行了数值模拟;最后,采用数值模拟的方式,得到了新型摆动泵内部流场在周期内的压力分布云图、速度分布云图和流量脉动曲线;并通过比对流量脉动曲线,验证了运动学方程的正确性。研究结果表明:新型摆动泵的结构设计是有效的,其最大瞬时流量为1387.2 L/min,满足设计需求;同时,新型摆动泵腔体内部的压力主要集中在虹膜机构围成的孔径位置,最大压力值为0.45 MPa;并且,腔体内部最大流速主要集中在出油口与进油口处,流速最大值可达62 m/s,速度曲线与流量脉动曲线具有相同的波形。该新型摆动泵丰富了新摆动泵的结构,可为以后对该类型泵的研究提供一定的参考。

比例施肥泵驱动活塞受力分析及内部流动模拟与试验

为了研究比例施肥泵驱动活塞在往复运动过程中的受力情况,基于Fluent软件,通过用户自定义函数编程技术实现了相应的三维动网格模型,建立了比例施肥泵三维动态数值模拟模型,并通过实验数据对比验证了模型的可靠性。在此基础上,对施肥泵的内部流场进行了数值模拟。结果表明:所建立的数值模拟模型具有较好的准确性,模拟所得压差流量关系与试验结果基本一致,比例施肥泵流量的模拟值与试验值的最大相对误差为4.20%;模拟与试验所得活塞往复频率随压差的变化趋势基本相同,且模拟值与试验值的相对误差控制在12%之内。驱动活塞在往复运动过程中,泵内大部分流域流速较低,动能基本转变为压能驱动活塞。活塞上行运动与下行运动类似,在行程初期呈加速运动随后进行匀速运动。活塞不同表面所受到的力随压差的增大呈线性递增关系。该研究可为比例施肥泵的性能研究和结构设计提供参考。

对冲式止回阀低流量关闭过程动态特性分析

为减小动力装置止回阀切换时的水击和阀头与阀座的撞击,提出了阀头与流体运动方向互逆的对冲式止回阀。将FLUENT的动网格技术引入到止回阀内部流场的模拟中,解决了阀门关闭时内部流场区域瞬时变化的问题。由牛顿运动第二定律的欧拉显式格式得出了阀门在关闭过程中的流量变化,阀头、阀座的受力变化和速度变化,通过以上参量判断阀头、阀座的工作状态,最后通过实验来验证理论分析的结果。模拟结果与实验表明,动网格技术能够较好地模拟阀门内部流场的变化,对冲式止回阀能够可靠地在小流量情况下关闭。

涡旋式液泵内流场及空化的数值模拟

对涡旋液泵的内流场进行了数值模拟,其中空化模型采用Schnerr-Sauer模型,流体域的变化通过动网格技术来实现,得到涡旋式液泵在0.5 mm啮合间隙下的流场,同时对泵内特殊点的压力和速度进行了监测,并对其进出口流量进行了计算.结果表明:涡旋液泵吸液腔在0°附近产生压力峰值,达到1.50 MPa,在高压差的作用下,外啮合间隙处存在高速射流,使外部流道内产生涡和空化.在啮合间隙低压侧,动盘运动使吸液腔局部面积增大而产生负压和空化.涡和空化造成其附近压力和速度的脉动,从而堵塞流道,并使泵的整体流量产生脉动.动盘的运动和进口的不对称导致涡旋液泵两侧工作腔内压力、速度、涡的分布以及吸液量存在较大的差异,并在吸液后期导致右侧吸液流道内流动趋于静止,流体主要通过顶部流道流入右侧吸液腔.

活塞往复泵内流场非稳态数值模拟

为提高空间液体火箭推进系统性能,满足航天任务的轻质需求,采用活塞往复泵对推进剂进行增压输送。采用动态层和局部重划2种动网格技术研究往复泵内的非稳态流场,分析了活塞挤压推进过程中内流场的压强分布,得到了往复泵的压强输出特性以及结构参数对往复泵平均流量的影响。结果表明:往复泵输送推进剂时压强升高迅速,其单向阀在活塞行程末端有效阻止了推进剂回流;双缸往复泵交替作用时,有利于对推进剂的平稳输出。

超高速弹丸膛口流场结构分析

为了计算和分析超高速弹丸膛口流场的分布状况,建立了超高速弹丸从膛底飞离出炮口整个过程的膛口流场二维轴对称数值仿真模型.基于有限体积法,采用分块网格划分的整体运动处理方法,结合结构动网格技术及Realizable k-ε湍流模型,耦合内弹道及后效期过程,利用六自由度运动方程控制弹丸运动,以300 mm平衡炮为例,研究了1 730 m/s发射速度下的超高速膛口流场特性.计算结果表明:超高速运动的弹丸在距膛口3.3 m远处便形成了清晰的初始流场,弹前激波到达炮口处压力达到了3.8 MPa左右.喷射出的火药燃气速度达到2 500 m/s,但火药燃气仍未能追赶并包围弹丸,因此膛口流场对超高速弹丸运动的影响不同于对中低速弹丸运动的影响;膛口形成了由冠状冲击波、弹底激波、反射激波、马赫盘构成的多层次激波、间断面相互叠加的完整波系,该发射条件下的膛口流场异常强烈,波系结构更加明显.

滚柱泵U型槽内流场分析

通过使用流体特性软件ANSYS/Fluent,采用动网格的方式对滚柱泵U型槽内滚柱压水阶段时的流场特性进行了仿真分析;阐明了在该运动状态下U型槽内流场中压力与速度矢量的变化分布;通过对比研究发现了滚柱半径的大小对U型槽内流场特性的影响。

直线电机抽油泵流场数值研究

将直线电机置于井下,直接驱动柱塞泵举升原油,有利于提高系统效率和节能。根据直线电机抽油泵结构,结合柱塞和阀球运动模型,运用动网格技术和自编程UDF模块对Fluent进行二次开发,实现了柱塞和阀球运动与流场的耦合求解。可以确定泵筒内任意计算时刻流场状态,揭示了柱塞往复运动过程中泵筒内部流场演化、阀球运动和流场特性。计算结果与实验结果吻合较好,为研究新型抽油泵提供了参考和依据。

基于CFD的双螺杆膨胀机瞬态特性

为研究双螺杆膨胀机的瞬态特性,以4/6齿双螺杆空气膨胀机模型为研究对象,使用SCORG和Pumplinx软件对膨胀机内部流体域以及进出口处流体域进行静止网格和动网格的划分.采用CFD分析方法对膨胀机进行全流场瞬态数值模拟,得到双螺杆膨胀机内部的压力场和速度场以及不同转角下流量、扭矩和转子的受力情况.结果表明:膨胀机内部流体域从进口高压端至出口低压端可区分为4个压力等级,且从进口端到出口端压力逐级递减,而阴、阳转子接触线将螺杆流域分为上高压区和下低压区;内泄漏主要包括径向间隙泄漏、齿间间隙泄漏和泄漏三角形这3种泄漏方式,三者中齿间间隙泄漏的速度最大.整个流场中的最高流速和最低压力均出现在接触线附近;吸气阶段的节流损失和预膨胀带来的压降损失使阳转子对外做功能力下降,并使螺杆膨胀机效率降低;流量、扭矩、径向力和轴向力呈周期性变化,阳转子所受径向力对螺杆膨胀机工作性能影响最大.

运用三维动网格技术模拟计算旋喷泵的非定常流动

运用三维动网格技术,对旋喷泵非定常流场进行数值模拟。使用Fluent流动软件的Profile文件定义旋转计算域边界面的转向和转速,将所有计算域设在同一个参考系中。采用弹簧光滑法、动态分层法及局部网格重构法等3种方式实现计算域网格变形。非定常计算得到了旋喷泵的流速、压力、出口流量及转子径向力等随时间的变化结果。计算显示:在经历了一段转子启动时间后,旋喷泵出口流量趋于平稳并随时间作规则的周期脉动,脉动频率与转子的叶片数相对应;转子所受的径向力方向是由轴心指向集流管的背流一侧。旋喷泵转子所受径向力的脉动幅度较大,转子腔内液流与集流管的动静干扰现象不容忽视。本研究表明采用动网格技术可实现旋喷泵的三维非定常流场数值模拟并具有广阔的应用前景。

大口径超高速平衡炮膛口流场特性分析

为了研究大口径超高速平衡炮的膛口流场特性,基于有限体积法,采用分块网格划分的整体运动处理方法,结合结构动网格技术,并采用N-S方程结合Realizable k-ε湍流模型,建立了膛口流场二维轴对称数值仿真模型。以300mm平衡炮为例,研究了1.72km/s,794m/s两种速度下的膛口流场特性。计算结果对比表明:1.72km/s初速的弹丸膛口流场与794m/s初速弹丸膛口流场结构相似,但其射流结构更加明显,流场结构整体略呈"狭长"状,火药燃气速度达到2.5km/s,但不能追赶并包围弹丸,弹丸速度达到Ma=4.03,1.0ms时基本摆脱了流场对其运动的影响。而常规初速弹丸流场结构呈"圆球"状,火药燃气对弹丸的影响较大,作用时间大于超高速发射情况,速度达到Ma=1.27,1.5ms时基本摆脱了流场对其运动的影响。

基于Fluent的压电高速开关阀动态流场分析

选用常见的锥阀作为控制阀对压电高速开关阀进行研究,利用Fluent中的三维动网格技术对高速开关阀进行动态流场分析,得到了动态高速开关阀的压力云图和流线图,并分别与静态锥阀、带尾锥结构的动态高速开关锥阀的压力云图和流线图进行对比分析。结果表明,高速开关阀所产生的涡流面积以及负压区远小于同一开口度下的静态锥阀,同时在高速开关锥阀尾部加上尾锥可消除开口处的涡旋,减小负压区的面积。研究结果可为高速开关阀内部阀芯结构的优化提供参考。

“可控涡”方法在离心叶轮设计中的应用研究

采用流线曲率法求解S2流面反问题,为了考虑由于流体粘性损失造成的熵增,将Galvas的一维管流损失模型修改后应用于二维通流计算中并与主方程耦合求解,并编制了一套离心叶轮"可控涡"通流设计程序。为了探讨加入同等的欧拉功条件下不同环量分布方式对叶轮流场及性能的影响,以某给定设计目标的离心叶轮为研究对象,在满足后加载的前提下针对叶片尾缘附近环量的导数采取两种不同的分布方式进行通流设计,并进行了全三维粘性流动分析比较。结果表明:气流环量及环量沿流向的导数分别对叶片通道内的速度分布和叶片表面的载荷分布有着显著地影响。

原油外输泵的内流场动力学仿真分析

针对某油田原油外输站内1#泵出现的异常振动现象,采用ANSYS软件对原油外输泵泵内的流场动力学进行了仿真分析。首先,采用SolidWorks建立了原油外输泵的三维模型,并进行了流体域抽取;然后,对外输泵的模型进行了网格划分,并进行了网格无关性的验证;选择了正常工作下外输泵的参数作为边界条件,通过动力学仿真对常用转速和流量下外输泵泵内的流线进行了分析,研究了叶轮静压、速度、总压、叶轮壁压、出口压力、泵壳压力等的变化规律;最后,根据仿真分析结果得到了原油外输泵工作的合理转速和流量范围,用于指导实际生产。研究结果表明:当外输泵运行参数在2500~2550 r/min和325~335 m^(3)/h范围内,可以有效降低离心泵的振幅;当1#外输泵的参数为2519 r/min和331 m^(3)/h时,泵轴向振动最小,可以使外输泵的轴向振动幅度从1.3 mm降低到0.68 mm,保证正常的生产运行。

基于CFD的轴流血泵内部流场的数值分析

运用计算流体动力学(CFD)对轴流血泵的流体动力学特性进行分析。研究血液流经叶轮的速度、压力、剪切变形率等参数的分布以及螺旋叶片对血液的破坏作用。结果表明:血液在叶轮内的流动是一种非常复杂的三维流动,而基于流线型的叶轮设计可以避免血液在流动过程中产生湍流、涡流以及较高的剪切力。血液流经血泵的速度场、压力场及剪切变形率的分布都比较均匀,变化梯度小,从而有效的减少血液破坏。

BPX型排水泵内流分析及降噪方案

为了研究泵内流动诱导噪声源分布规律,从内部流动角度,运用计算流体动力学方法对一台典型的BPX型排水泵的内流场进行了数值计算,得到了在不同工况下泵内的速度、压力及涡量场分布特征.计算结果表明:泵过滤室内液流呈低速缓流状,异物过滤装置后盖板附近有环状非对称切向旋涡产生;过流通道面积突变使得叶轮吸入口入流条件较差;出液管内部流动出现明显的流动分离,由贯通流和低速回流区域组成;叶轮流道内部,特别是在叶轮轮毂周边及流道内靠近叶片背面附近,涡量分布密集,在叶尖附近也存在较强的涡量分布,出液管内有涡条带形成.同时,对模型泵进行了空气噪声测试,根据测试结果将泵运行过程划分为启动初期、正常运转期和空排期3个阶段,分析了各阶段的噪声特性,并提出了3种具有代表性的降噪方案,认为开设回流孔方案可行性较大.