Numerical simulation of transient flow performance during different periods in centrifugal pumpNumerical simulation of transient flow performance during different periods in centrifugal pump

The instantaneous variations of the hydraulic characteristics take place in centrifugal pumps during their start-up,shutdown and other variable speed operations.In this paper,the variable speed method was proposed to simulate the transient internal flow field and the external performance of the pump during starting and stopping periods.The terms of accelerations due to variable speeds in the flow governing equations were analyzed in a multiple reference of frame(MRF).A transient CFD simulation was performed for a typical centrifugal pump by using ANSYS-CFX with the standard k-εturbulence model.The entire simulation process was composed of four stages:start-up,normal run,shutdown and post-shutdown.The function of rotating speed with regard to time was set by CEL language directly into the impeller domain in the pre-processor of the software to conduct variable speed simulation.The variations of the flow field in the centrifugal pump were obtained from the transient simulation.The changing laws of flow rate,head and other performance parameters over time were also analyzed and summarized.

瞬态多相流场图神经网络时空预测方法研究

为实现对大型能源化工装备(如循环流化床)内瞬态多相流场的快速时空建模和预测,本文采用基于网格图神经网络的深度学习模型,针对循环流化床非结构化时变数值仿真数据,建立离散相体积分数的时空耦合预测器。该模型有效捕捉了反应器的时空多尺度特性,能高效地进行多相流场时空耦合动态预测,结果表明:速度远超传统数值仿真,加速比可接近500。

不同厚宽比矩形截面柱体涡激振动的数值研究

厚宽比的变化将导致矩形截面柱体周边流场的变化,进而影响结构气动性能及其涡激振动响应。基于Fluent软件平台,以雷诺数22 000的二维矩形截面柱体为对象,结合重叠网格技术与四阶龙格-库塔法,研究了厚宽比对其涡激振动的影响,从流场角度进行了影响机理分析。首先,选择厚宽比D/B=0.25的矩形截面,将计算结果与相关文献试验与模拟对比,验证了模拟方法及参数设置的有效性;然后,从气动力系数统计值及自谱、流向与横风向振幅变化以及相位转变等角度,对比分析了厚宽比对结构涡激振动响应的影响;最后,从瞬态流场的角度,分析了不同折减风速对柱体尾涡脱落的影响。结果表明,在柱体截面面积不变时,较小厚宽比柱体的涡振响应极为微弱,气动性能也明显低于大厚宽比柱体,大厚宽比柱体的气动性能及涡振响应高于标准方柱,振幅也会在较低折减风速下发生突变,但会在较高折减风速下达到振幅峰值。比起圆柱等结构,分离角固定的矩形柱体的尾涡脱落模式对折减风速的变化并不敏感,这一特征在大厚宽比方柱上表现更为明显。

轴流式推进泵快速启动瞬态空化特性研究

基于雷诺时均N-S方程、SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,建立轴流式推进泵瞬态空化计算模型。在瞬态试验验证的基础上,采用数值模拟方法研究轴流式推进泵的瞬态空化特性,分析快速启动过程中的空化演变过程与相关流动机理。结果表明:轴流式推进泵在快速启动过程中的空化演变分为初次峰值区、空化重整区和空化稳定区等3个阶段,不同阶段的划分由泵的启动时间决定,与泵的流量无关。在快速启动时,推进泵内部空泡结构的发展过程先由叶轮加速度控制,之后受系统管阻特性影响。在泵转速到达额定值后,系统的管阻特性决定了流量变化率和启动结束时的流量值,从而使泵内空化结构进行二次发展和结构重整。相较于空化数,轴流式推进泵的汽蚀余量在快速启动条件下依然可直观地反映瞬态空化的演变过程,可作为瞬态空化的参考值。研究结果对分析叶片泵瞬态过程中的空化情况具有指导意义。

微型插装式溢流阀开启过程瞬态特性CFD仿真与试验研究

以航空微型插装式溢流阀为研究对象,基于CFD仿真技术进行了流场瞬态特性的机理研究,分析了溢流阀阀口位置在开启过程的流体流动特性及阀芯运动特性,包括阀芯位移、弹簧力及瞬态流场压力变化规律。在构建仿真模型时,采用动网格技术对具有复杂结构特征的阀口位置处的计算域进行网格划分,以考虑阀芯移动造成的网格迁移和变形。此外,开展产品级配套试验研究对仿真的正确性进行验证。试验结果表明:建立的CFD模型在模拟溢流阀开启过程时的特性与试验得到的压力-流量特性曲线较为吻合,最大误差保持在4.72%以内,仿真模型具有一定的准确性。仿真计算结果表明:在阀口开启过程中,该型溢流阀的开启压力约为26.1 MPa,完全打开后流量可达22 L/min,具有较好的流量-压力特性;开启过程迅速,压力波动小,具有较好的开启性能;弹簧刚度对开启性能存在一定影响,刚度增大会导致需要的开启压力增大,需要在加工过程中严格把控该参数,保证产品满足开启性能指标要求。

立式轴流泵装置内流瞬变特性数值分析

为明确立式轴流泵装置内流瞬态变化特性,采用计算流体动力学(CFD)方法求解泵装置全流道内流场,并结合物理模型试验验证数值模拟的可靠性,得到不同流量工况下泵装置叶片区的瞬态流动特性。结果表明:叶轮进口偏流角较大的区域主要集中于叶轮前缘附近且随叶轮旋转呈动态变化,叶轮出口偏流角由轮毂向轮缘逐渐增大,导叶体出口偏流角较大的区域为导叶片尾缘周向位置。1.2 Q_(bep)工况时,叶轮进口轴向速度分布均匀度为89.5%,速度加权平均角为82.9°;当流量从0.8 Q_(bep)增加至1.2 Q_(bep)时,导叶体出口平均速度环量降低了12.1%;在流量工况为0.8 Q bep~1.2 Q_(bep)范围内,平均速度环量的最小值为4.7 m^(2)/s,此时流量为1.2 Q_(bep)。导叶体出口的涡结构特征显著,从导叶体进口到出口涡结构数量增多,涡体积减小,涡结构的合速度降低显著。

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。

横风桥隧区域列车突出隧道时的瞬态气动特性

基于横风作用下高速列车流场的非定常特性,建立了横风-列车-桥隧模型进行仿真计算,并通过1∶8列车动模型试验验证数值方法的准确性。随后研究横风条件下列车突出隧道时,隧道内外瞬态气动压力、气动荷载变化及流场特性,揭示了横风-列车-隧道之间的相互作用机理。研究结果表明:随着横风风速的增大,压力逐渐减小,但压力随时间的变化规律相似;横风对隧道出口处及隧道外监测点处的压力梯度有明显的影响,对于隧道内的监测点几乎没有影响;随着横风风速增大,隧道外背风侧正压峰值随风速增大略有减小,迎风侧正压峰值基本保持不变,背风侧负压峰值减小速率大于迎风侧;横风对列车突出隧道运行过程的压力波动影响有限,在横风风速为20 m/s时,隧道外界流场影响隧道内气动压力的范围不超过20 m。同种横风条件下,迎风侧、背风侧监测点处压力时程变化规律不相同,压力梯度峰值出现的位置也不同,且位于列车同侧越靠近地面的监测点处压力峰值及压力梯度峰值绝对值越大;横风下,气流经过车-桥系统时,在桥底部、列车背风侧顶部及底部发生明显的流动分离现象,导致隧道外车体两侧的压差大于隧道内车体两侧压差。

阀控充液式液力偶合器换热特性研究

在液力偶合器的使用过程中,由于转差损失与液力损失,会使其工作水液的温度上升,进而影响液力偶合器的工作性能,为了解决这一问题,对阀控充液式液力偶合器的换热特性进行了研究。首先,构建了含有进出水口双腔流道的瞬态换热计算模型,并对其进行了网格无关性验证;然后,采用多步求解方式对正常运转工况、堵转工况及循环换水工况的流动换热进行了数值模拟计算;最后,对比分析了不同工况下的液力偶合器温度场分布特性,探讨了液力偶合器内流场的流动换热变化规律。研究结果表明:正常工况及堵转工况流场整体温度皆呈现明显的线性上升趋势;以240 L/min流量进行循环换水时,流场温度呈先快后慢的下降趋势,20 s内可将流场温度降至30℃左右。采用该研究结果,可以准确地预测液力偶合器内流场温度变化,可为液力偶合器优化、换水调控提供理论参考。

基于GPU并行加速变压器二维瞬态流场问题的研究及应用

针对采用无量纲最小二乘有限元法计算变压器二维瞬态流体场问题时计算时间长,效率低的问题,拟采用GPU对瞬态流体场程序进行并行加速。将瞬态流体场计算程序中计算量最大的两部分,即单元刚度阵的形成和稀疏线性方程组的求解,移植到GPU上运算,从而大幅减少计算时间。同时采用十字链表法和CSR稀疏存储结构存储方程组稀疏矩阵中的非零元素,以降低内存消耗。使用方腔驱动流模型验证了GPU并行程序的有效性,并且并行程序加速比随方腔模型规模的增大而增大。将GPU并行程序应用于变压器绕组模型的瞬态流体场仿真分析,分析结果表明,相较于串行程序,GPU并行程序加速比达到16倍左右。论文所实现的基于GPU并行计算方法为产品级变压器瞬态流体场仿真奠定了基础。

真空管道列车动态运行气动特性研究

研究真空管道列车瞬态气动特性能为建设多态耦合真空管道列车实验平台提供参考。建立了三维真空管道列车模型,采用剪切应力运输(Shear Stress Transport,SST)k–ω湍流模型求解流场,通过对比不同时刻列车匀速和加速时的气动阻力、压力分布及流场特性,揭示了加速度对真空管道列车气动阻力的影响机制。研究结果表明:头车和尾车气动阻力主要受管道壅塞和尾部激波脱离的影响,在非壅塞状态下,尾车阻力增长缓慢而头车阻力基本不变。相比于加速工况,匀速工况启动速度较大,斜激波反射造成列车表面压力波动,波动幅值随时间逐渐降低。加速时头车压缩前方空气过程较缓慢,前驱激波强度较低,头车气动阻力和周围压力的变化滞后于列车运行速度的变化,且加速度越小滞后效果越明显。在匀速运行阶段,壅塞段和尾部激波段长度与运行时间成正比。

超高水头水泵水轮机水泵断电过程不稳定机理

超高水头抽水蓄能机组拥有更长输水管路系统,在经历过渡过程时机组内部压力脉动及流动演化更复杂,常出现水力不稳定性问题。本文基于一三维耦合方法及动网格技术,对超高水头抽水蓄能机组进行了水泵断电导叶关闭过程模拟。采用时频联合分析和内流场分析相结合的方法分析了机组的瞬态特性和高幅值压力脉动并阐明了其形成机理。研究表明,在超高水头抽水蓄能机组水泵断电过程除了存在由动静干涉造成的高频压力脉动外,还存在由固定导叶区域旋涡快速移动诱发的低频压力脉动和由转轮高压进口局部回流引发的低频压力脉动,以及由活动导叶区域液流碰撞造成的高幅值压力脉动。研究可为超高水头抽水蓄能机组水力设计和运行提供一定参考。

冷却塔装置噪声研究

冷却塔是一种对车内牵引变流器进行强迫通风冷却的散热装置,它的噪声会对周围的环境造成严重的污染。该文以某型冷却塔为研究对象,对冷却塔内的流场与声场进行了数值仿真计算。在流场稳态仿真计算中,分析了冷却塔内流场的速度分布和叶片上的压力分布。在流场瞬态仿真计算中,对叶片处涡分布和叶片周围的压力脉动进行分析,定性地分析了噪声源的位置和气动噪声产生的原因。在声场仿真计算中,将流场瞬态结果变换到频域中,并将其作为冷却塔声源进行研究,分析了测点的频谱特性和声压级分布等。

LNG深冷调节阀结构强度及阀杆振动分析

以LNG接收站某工位深冷调节阀的模型为研究对象,针对LNG接收站深冷调节阀承压元件安全性和细长阀杆易发生振动的问题,采用ANSYS Workbench有限元分析软件,对阀体、上阀盖进行强度试验工况下的结构分析,得到各部件的等效应力,并进行应力强度评定。对阀门正常开度工况下的内部流场进行瞬态流场分析,分析流体动态特性对于阀杆的扰动情况。另外采用流固耦合模态分析,得到阀塞和阀杆部件的流固耦合的前六阶模态振型和频率,以此判断调节阀阀杆是否易发生振动。结果表明,该LNG深冷调节阀在正常工作时,各阶流固耦合模态频率均大于120Hz,且阀杆周围流体基本处于静止状态,阀杆不易发生振动现象。

下游调压阀喘振对上游孔板流量计的影响

在实际生产中,压缩机喘振及下游用户节点用气不均匀等原因易引起调压阀频繁启动,从而产生周期性的压力、流量瞬变,而周期性脉动流会使孔板流量计出现计量偏差。为解决此问题,以站间长输管道为研究对象,研究其中压力及流量波动向上游传播的规律。首先,以下游站场站内调压阀喘振为管道出口边界,采用高精度TVD算法模拟调压阀喘振引起的压力及流量波动反向传播;同时,以压力及流量波动规律为孔板内流场边界条件,建立孔板内流场瞬变流动模型。

液力减速器充液过程瞬态特性三维数值模拟

为得到紧急充液过程中的液力减速器瞬态内流场特性及制动外特性,基于瞬态流场计算方法建立了某型液力减速器相应的仿真模型。结合实际车用工况确定了入、出油口的流速,设置了精确的初始流场作为边界和初始条件,运用CFD技术对液力减速器紧急制动工况的充液过程进行流场分析及制动外特性仿真计算。以动轮初始转速2 640 r/min紧急充液过程为例分析了液力减速器流道内腔速度、总压、湍流动能分布特点,并对制动外特性仿真结果与试验数据进行了对比,仿真误差为12.7%。表明仿真模型和方法较为合理、准确,瞬态流场仿真方法能更全面地反映液力减速器充液过程中随时间变化的流场内特性及制动外特性。

射流管伺服阀前置级的动态流场分析

射流管电液伺服阀的喷嘴到接收孔间的流场较为复杂,尤其在射流管偏转及阀芯运动的动态情况下,会存在回流、漩涡等现象。以某型射流管电液伺服阀结构为模型,结合射流管偏转时的阀芯力平衡关系,得到阀芯的运动方程,应用雷诺平均方程和标准两方程模式的封闭方程,通过流体动力学软件FLUENT建立射流管伺服阀喷嘴到阀芯两腔的三维可视化模型,仿真分析了喷嘴到接收孔的前置级瞬态流场及阶跃响应。仿真结果表明:接收孔中的涡量强度会影响射流管电液伺服阀的阶跃响应,涡量强度越大、振荡越大、阶跃响应越慢,并通过试验测试阀芯位移验证了数值计算的正确性,同时对比了不同接收孔间夹角的同时刻涡量及阶跃响应,得到接收孔间夹角为45°的最优设计。研究方法和结果对于提高射流管电液伺服阀的动态响应有重要参考价值。

液力缓速器瞬态两相流动大涡模拟及性能预测

为了全面掌握液力缓速器各个流动单元内速度场和压力场的分布特性,提取了全流道几何模型作为计算区域,利用CFD平台的大涡模拟法和多流动区域耦合计算的滑动网格法对液力缓速器内部气液两相流动进行了三维瞬态数值模拟,将混合模型与欧拉模型交替运用在其多相流模型中,获得了不同充液率下液力缓速器内流场结构的变化及两相体积分数分布情况,分析了流场内二次流、脱流及涡旋的产生机理,并计算了缓速器的外特性.结果表明:数值计算结果与试验结果吻合很好,误差在8%以内;流场计算十分准确,运用的大涡模拟方法可以有效地模拟液力缓速器流场内的真实液流结构,其结果可以用来指导液力缓速器的设计及其结构优化.

输气管道气体流经阀门气动噪声产生机理分析

为区分输气管道泄漏音波与阀门噪声,为输气管道音波法泄漏检测提供理论依据及数据库、控制阀门噪声提供解决办法,从音波产生机理角度采用CFD软件耦合专业声学软件方法对输气管道气体流经阀门产生的气动噪声进行研究,建立气动噪声模型,探究气动噪声产生机理及传播、衰减规律。在CFD(Computational Fluid Dynamics)软件中采用大涡湍流模型对气体流经阀门时的瞬态流场求解分析,获得流场分布如脉动压力、脉动速度数据;将CFD计算所得数据导入专业声学软件进行联合仿真,生成气动噪声源项,包括偶极子声源及四极子声源,建立气动噪声产生传播模型,求解输气管道气体流经阀门的气动噪声。

混流泵启动过程瞬态流场的涡动力学分析

为了深入分析混流泵启动过程的瞬态流动结构,研究启动过程叶轮内部能量分布特性及其对瞬态性能的影响,基于正则化螺旋度法提取瞬态流场涡核,对启动过程进口段、叶轮和导叶段内部流动进行涡结构分析,并运用过流断面诊断法对混流泵启动过程内部流动进行诊断。研究结果表明:进口观测截面流场的涡核结构受叶轮叶片数的影响较大,涡核总体呈现从分散到集中的演化过程;随着转速增加,叶轮内涡结构正向和反向涡交替变化,并在转速稳定后流动逐渐趋于稳定;导叶内的涡结构在启动初期呈非对称性分布,当转速稳定后,涡结构区域逐渐减少并呈现规律性分布,流体流动趋于稳定。在混流泵启动过程中,随着叶轮旋转加速,总压流随之迅速增大,叶轮对流体做功,流体获得的能量迅速增加;由于流体惯性,加速末期流体获得了大于稳态转速下的能量,这种瞬态效应的外部体现就是在加速末期泵装置获得了瞬时冲击扬程。