诱导轮内流场数值计算及汽蚀特性分析

为得到诱导轮内部的速度场、压力场及湍流场的分布规律,在基于SIMPLEC算法上,采用了雷诺时均Navier-Stokes方程(简称N-S方程)控制方程和修正了的k-ε湍流模型,对两种结构参数的双叶片诱导轮进行了内部三维不可压湍流流动数值计算。计算结果表明诱导轮最容易发生汽蚀破坏的位置在进口外缘处,计算结果还表明增加诱导轮叶片轴向距离及导程有利于提高诱导轮的汽蚀特性。同时进行了不带诱导轮和带两种结构参数诱导轮的离心泵的外特性试验,试验结果表明离心泵在没有诱导轮的情况下较易发生汽蚀,而增加诱导轮能够明显改善离心泵的汽蚀性能,诱导轮的导程、叶片轴向长度、及其叶尖包角几何参数值等几何参数对汽蚀性能有较大影响。结合流场数值计算结果和试验研究结果,证实了通过增加轴向距离和导程等合理改变结构参数可提高诱导轮的汽蚀性能。

等螺距诱导轮内部流动的数值模拟

基于雷诺时均N-S方程和S-A湍流模型对等螺距诱导轮内部的流动进行三维紊流数值计算和分析,获得诱导轮流道内的速度场、压力场的分布规律。发现诱导轮最易发生汽蚀破坏的位置在叶片吸力面进口前缘的外缘处,相对速度的大小从轮毂到轮缘大致上是沿径向增加的,从轮毂到半径的中部相对速度的增加的幅度大于从半径中间到轮缘的增长幅度;静压从诱导轮进口到叶片尾部是增加的,但从叶片尾部到诱导轮的出口的部分区域静压会减少。并针对有和无诱导轮两种情况,对高速离心泵进行试验研究,通过试验验证了具有前置诱导轮的离心泵可以改善泵的汽蚀性能。所提出的诱导轮模拟方法对高速诱导轮离心泵的进一步研制和优化设计具有一定的指导意义。

具有诱导轮的高速离心泵汽蚀特性试验

采用闭式流体输送试验台,对具有前置诱导轮的高速离心泵进行了汽蚀特性试验研究,比较分析了无诱导轮、单个及串联诱导轮3种工况下诱导轮对离心泵性能及汽蚀性能的影响。发现前置单个或串联诱导轮对离心泵的性能影响并不显著,单个诱导轮的离心泵性能相对于无诱导轮的离心泵性能稍有下降,具有串联诱导轮的离心泵扬程和效率与无诱导轮离心泵相比稍有增加;但采用串联诱导轮可有效提高离心泵的汽蚀性能。

长中短叶片离心叶轮内部流动的数值模拟

采用Navier-Stokes方程和Spalart-A llm aras湍流模型对8叶片和24叶片的高速复合离心叶轮内部的流动进行了数值模拟,对小流量和设计点两种工况进行了计算和对比分析,得到了叶轮内的速度和压力分布;发现具有4长、4中、16短的24叶片的复合叶轮内部及出口的速度分布比4长4中的8叶片的叶轮更均匀;而且中、短叶片对液流有加功作用,可以增加叶轮出口吸力面的压力,有效阻止液流的脱流。通过实验和数值模拟,验证了叶轮流道里的回流是影响低比转速离心泵效率和小流量不稳定的一个重要因素;采用具有中、长、短的闭式复合叶轮离心泵适合用来输送小流量、高扬程的液态介质。

高速诱导轮内部流场的数值计算

基于S-A湍流模型和N-S方程,采用Fluent软件对高速等螺距诱导轮内部流场进行全三维湍流数值模拟,获得诱导轮内部的静压分布、速度分布及内部流线图。分析诱导轮压力面和吸力面存在压差的原因及进口低压区对诱导轮汽蚀性能的影响,得到高速诱导轮内部流场的主要特征,发现诱导轮中最易发生汽蚀的部位为吸力面的进口附近。模拟结果为诱导轮的改进设计提供了理论依据。

基于正交试验的诱导轮前置孔板的参数化研究

为明确前置各种参数的孔板对抑制GSB－80／300型的诱导轮离心泵小流量不稳定特性的影响程度，选择孔板离诱导轮前缘的距离L，孔板的孔径D，孔板的厚度日作为3因素，每个因素各取3水平，制定了L9（30）正交数值模拟试验方案。数值模拟试验方案采用雷诺时均N—S控制方程和标准k—ε湍流模型。通过数值模拟，得到了前置各种参数的孔板下诱导轮离心泵流场的分布情况，得到了较佳的三种参数组合，并揭示了各个因素对流场的影响顺序是：孔板的孔径D，孔板的厚度B，孔板离诱导轮前缘的距离L。在此基础上，对三种较佳参数组合下的孔板进行了全工况点的数值模拟，分别得到了它们的扬程流量特性曲线。通过流场，外特性曲线分析比较，得到了有效抑制GSB-80／300型的诱导轮离心泵小流量不稳定特性的最佳参数组合的孔板。

变螺距高速诱导轮的汽蚀特性

为明确前置变螺距诱导轮对离心泵汽蚀性能的影响,对前置变螺距的离心泵全流道进行了数值计算。计算时基于SIMPLEC算法,采用了雷诺时均N-S控制方程和修正了的k-ε湍流模型。通过计算,得出了前置变螺距诱导轮使离心泵叶轮的整体压力得到提高的结论;得到了诱导轮与离心泵叶轮易发生汽蚀的关键位置;得到了各工况下汽蚀余量的性能曲线图。通过不带诱导轮和前置诱导轮的离心泵外特性实验,揭示了前置变螺距诱导轮提高离心泵汽蚀性能的特性;通过实验与计算结果的比较,得出了在设计点处可以用数值计算结果来预测实验结果的结论。

高速开式离心泵内部的流动特性研究

基于N-S方程应用标准的k-ε湍流模型对高速开式离心泵进行三维湍流数值模拟,得到了流道内的压力场、速度场的变化规律,揭示了回流等流动现象,验证了液流冲击、流动不均匀和回流是开式叶轮效率低的主要原因;通过对蜗壳进口速度和压力沿周向分布的分析看出分布呈现明显的波动特征,验证了叶轮与蜗壳的干扰所造成的周向流动的不均匀性是非常强烈的。预测出其性能曲线,计算与试验结果吻合良好,证明该计算方法具有较高的可靠性。