基于正交试验及CFD的液环真空泵叶轮优化设计

为了提高液环真空泵的水力性能,改善其内部流动状态,运用正交试验结合数值模拟的方法对液环真空泵叶轮进行优化设计。选取轮毂比,偏心距,叶片数,叶片出口安放角为试验因素,每个因素取3个水平,对其进行正交试验方案设计。应用FLUENT 15.0对液环真空泵进行数值模拟计算,根据模拟结果与原型机的试验结果的对比,发现两者结果较为吻合,从而证明了该数值模拟方法的正确性及可行性。基于L_9(3~4)正交表,设计了9组方案,对这9组方案的数值模拟结果进行分析得到最优方案。通过对比优化前后液环真空泵模型的数值模拟结果可知,优化后的液环真空泵的性能有所提高,在额定工况下,进口真空度提高了2.38 kPa,轴功率下降了0.06 kW,内部流动状态也有所改善,达到了优化设计的目的。

对旋双风轮风力机载荷特性风洞实验研究

为阐明对旋双风轮风力机前后风轮之间的载荷影响规律,基于风洞实验,测量对旋双风轮风力机3个正交方向的力和力矩,研究前后风轮间距和叶尖速比对载荷特性的影响规律。研究发现:高叶尖速比时,单风轮偏航力矩存在明显波动,而对旋双风轮风力机偏航力矩减小,且波动减弱;对旋双风轮风力机间距的变化影响前后风轮所承受的载荷占比,后风轮载荷占比随间距的增大而减小,这是由前后风轮之间所产生复杂的流动及湍流结构所致;虽然前后风轮的推力Fx和倾覆力矩My随叶尖速比的增大均有一定减小,但前后风轮的倾覆力矩Mx和偏航力矩Mz的方向相反,表明对旋双风轮风力机的前后风轮具有一定抵消倾覆力矩和偏航力矩的作用。

双风轮风力机前后风轮功率特性相互影响分析

双风轮风力机相对于传统风力机能够吸收更多的风能转化成电能。通过对3种面积比(56%、64%、87%)的双风轮风力机开展风洞实验,研究前后风轮不同叶尖速比时,对双风轮风力机功率特性的影响。结果表明:面积比为64%双风轮风力机的后风轮随着叶尖速比的增大,对前风轮功率有促进作用,而56%和87%的双风轮的后风轮叶尖速比的增大对前风轮功率有抑制作用;3种面积比双风轮的前风轮叶尖速比的增大对后风轮的功率都有抑制作用。3种面积比的双风轮风力机的总功率均大于单风轮风力机,且面积比为64%的双风轮风力机功率提升最大。

基于流固耦合的液环泵转子动力学特性分析

为了分析液环泵内非稳态气液两相流引起的转子结构响应特性,基于数值模拟与试验测试相结合的方法,对液环泵转子部件进行流固耦合应力应变分析,分析了叶轮不同叶片的应力及变形量分布特征、旋转角引起的非稳态特性、转子部件的模态特性。结果表明:当叶片尖部与壳体内壁距离最小时,其最大等效应力为最大值,随着旋转角的增大,叶片的最大等效应力先减小后增大,叶片的最大变形量随着转角与最大等效应力的变化趋势完全一致,当α=0°,Qm=0.05 kg/s时,叶片最大变形量与最大等效应力分别为1.381 mm、180.96 MPa;叶轮沿圆周方向18枚叶片上的最大应力分布各不相同,且随着叶轮旋转角的逐渐增大,叶片的最大变形量整体上先减小后增大;叶片上的变形量分布沿径向由轮毂到叶尖近似呈线性逐渐增大,应力沿径向方向先急剧增加后缓慢减少,且在0.1r2位置处达到最大值。研究结果可为液环泵的优化设计提供参考。

导叶出口边位置对井用潜水泵性能的影响

为研究空间导叶出口边位置对井用潜水泵性能的影响规律,该文针对250QJ125型5级井用潜水泵,在其他几何参数均给定的条件下,通过沿轴向改变原始导叶的出口边位置,使其既满足与旋转轴线垂直又与半径线重合,设计了6个模型方案。基于雷诺时均N-S方程和RNG k-ε模型,采用SIMPLE算法对6个模型方案进行全流道三维数值模拟,获得各方案的扬程与效率,发现导叶出口边位置沿轴向延伸30 mm时,为最佳改进方案,此时模型泵水力效率提升1.2%,扬程增加6.8 m。同时根据各方案在设计工况下外特性的计算结果,提取各方案第1~5级的叶轮数据,发现原方案与最佳改进方案相比,首级叶轮水力效率、扬程基本相同,原方案的其余次级叶轮效率、扬程与其首级相比差距较大,最佳方案的其余次级叶轮效率与首级叶轮基本持平,扬程下降1 m,但是相比于原方案的其余各级扬程,均大约提升了2.2 m。最后分析了各方案在导叶出口截面上的内流场,结果表明:导叶出口边位置沿轴向延伸可改变液流在导叶出口处的流态,使其呈分散旋转流动,分散旋涡的数量与导叶叶片数相同;当导叶出口边延伸至适当位置时,能够减小下级叶轮的入口环量及冲击损失,改善导叶与下级叶轮之间的匹配关系。

立式自吸离心泵动密封影响因素研究

为了研究自吸泵副叶轮几何参数及平衡孔位置对副叶轮密封能力的影响,根据实际工程应用选取副叶轮不同结构叶片形式、叶片个数以及排气孔大小3个因素,每个因素选取3个水平变量,按L(3~3)正交试验方案,设计了9组自吸泵副叶轮密封结构方案。通过CFD数值计算方法对自吸泵的全流场进行三维数值分析,采用RNG κ-ε湍流模型和多重参考系的雷诺时均N-S方程,获得影响副叶轮密封能力的3个因素的最优匹配关系,并结合试验结果进行分析。结果表明:在满足自吸泵动力密封的情况下,副叶轮叶片结构形式对自吸泵密封能力影响较大,其次是副叶轮叶片个数及排气孔大小。同时发现,在副叶轮密封腔上开设排气孔可以明显缩短自吸泵的自吸时间。通过正交试验方案对比,自吸泵副叶轮动力密封设计时采用径向型直叶片结构形式、选取合适的叶片数并配合密封腔排气孔,可以使动力密封结构具有良好的密封能力并有效提高自吸泵的性能。

风力机对沙尘输运影响的风洞试验研究

采用风洞试验的方法,以风力机模型和腾格里沙漠沙尘为研究对象,使用自主设计的点源式下沙仪构建风沙流场,在风力机后方5个截面处,收集沙尘、测量沙尘质量并计算输沙率,研究风力机对沙尘输运特性的影响规律.研究结果表明:风力机风轮旋转会促进沙尘在尾流区聚集,影响沙尘的输运;随着尾流的不断发展,尾流对沙尘输运的影响逐渐减弱.尾流区叶尖涡和中心涡处沙尘聚集,叶尖涡对沙尘的聚集效应相对中心涡更明显.风力机风轮的旋转会对沙尘产生一定的阻碍作用,且对大粒径沙尘的阻碍作用强于小粒径沙尘.

叶片型线影响射流离心泵水力及旋转噪声特性分析

为研究叶片型线对射流离心泵水力性能及旋转噪声特性的影响,提升射流离心泵叶轮设计水平,应用高阶Bezier曲线对叶片型线进行参数化控制,采用Plackett-Burman方法进行参数的显著性分析和筛选,基于响应面法对敏感性较强的3个控制变量进行中心复合试验设计,建立射流离心泵叶片型线与效率、扬程、轴功率及旋转噪声之间的多元回归模型,确定水力性能和声学性能之间的映射关系。结果表明:叶片包角、叶片出口安放角、叶片进口直径对射流离心泵的水力性能和声学性能影响最为显著;方差分析法和系数法检验结果证明回归模型高度显著,能够反映叶型控制参数与响应目标之间的客观关系;较小的包角、较大的出口安放角、较小的进口直径有助于改善射流离心泵的水力性能,设计空间水力性能最优参数组合为包角φ=52.5°,出口安放角β2=50°,叶片进口直径Dj=14.5;叶型各控制参数编码靠近0水平时有助于改善声学性能,设计空间声学性能最优参数组合为包角φ=76°,出口安放角β2=33°,叶片进口直径Dj=18;声学性能和水力性能在叶片型线的样本空间内具有逼近Pareto解的能力,Pareto前沿解沿一条呈下的凸形曲线分布。