离心泵的空化流数值模拟与空化余量预测

空化余量是泵非常重要的性能指标之一,目前主要依靠试验来确定。如何在离心泵设计过程中较为准确地预测出必须的空化余量对优化设计和提高运行稳定性等方面十分重要。针对离心泵运行过程中发生空化时的流动特点,基于Rayleigh—Plesset方程来描述空泡生长和溃灭过程的空泡动力学模型,采用混合空化两相流模型和三维全流道两相流流动数值模拟技术,探索通过数值试验来预测空化余量的方法。对一低比转速离心泵进行全流道空化流数值模拟,通过改变NPSHa来模拟试验工况,数值模拟预测出各模拟试验工况下的扬程、叶片表面压力分布、叶片表面空化发生区域以及流道内空泡体积率分布,从而预测该泵的NPSHr,其预测结果与试验值的误差小于10％。     

基于非定常空化流动的离心泵涡旋结构数值分析

To elucidate the formation mechanism of the vortex structure in cavitation flow, the unsteady cavitation flow field of the centrifugal pump was investigated by simulation. The two-dimensional vortex structure on the mid-section was examined based on the method with velocity components. The vorticity on the blade surface and the evolution of the periodicity was compared. In addition to investigate the three-dimensional vortex structure in the impeller passage, the new Omega vortex identification method was also utilized. The results show that: as the NPSHa decreases, the cavity coverage area grows progressively, and the local vortices emerge and the flow in the pump becomes disordered. Due to the effect of cavitation flow field, the vortex structure is mostly formed and evolved on the blade suction surface. During the critical cavitation, the vortex is also detached the blade surface as the cavity rolls up. At the effect of rotor-stator interaction, the blade trailing vortex sheds and attaches to the volute wall at the front end of the tongue. According to the Omega method, the structure of the three-dimensional vortex within the cavity is stable. At the critical cavitation condition, the structure of the three-dimensional vortex downstream of the impeller passage is fragmented and disordered.     

双吸离心泵叶轮空化流动预测的数值分析

基于CFD数值模拟和外特性试验并重的方法,结合RNG k-ε湍流模型、欧拉两相流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,采用非结构化网格和SIMPLEC算法,对一台单级双吸泵内的空化流场特性进行多工况下的定常数值研究,得到以下主要结论:不同流量泵内部空化发展速度不同,小流量发展速度较慢,各阶段空化数相对较小,大流量时空泡发展速度更快;液体流经双吸式叶轮结毂处与双涡壳隔板起始端时会产生液体之间或液体与固体之间的相互作用,导致流体液流角发生变化,出现脱流与漩涡,使这些位置及附近区域由于能量耗散造成压力减小,进而导致空泡析出;此现象在0.6Q_d工况下最明显,说明小流量工况液流角更易发生变化。     

IS型离心泵内部流动的三维数值模拟

基于标准κ-ε双方程湍流模型和SIMPLEC算法,采用Fluent软件对一台IS型离心泵内部整个三维流场,在不同工况下分别进行了定常湍流计算,并分析了不同工况下内部流动的差异性,获得了离心泵各过流部件内的流动特生,发现隔舌的存在导致泵内流动呈现非对称性.在数值模拟的基础上,得到该离心泵的性能曲线,并与试验性能曲线进行对比,结果显示两者在总体上吻合.     

叶片包角对离心泵空化性能的影响

为了研究叶片包角β对离心泵空化性能的影响,以100MP200单级单吸离心泵为模型,在保持其他叶轮几何参数不变的情况下,设计了4种不同包角β的叶轮,基于完全空化模型和RNGk—ε湍流模型对离心泵进行数值模拟,分析不同包角下叶轮流道内的空化性能和空泡体积分布规律。结果表明:叶片包角β对离心泵的扬程和效率有明显相关性,在叶片包角β=160°时具有最佳的扬程和效率;最佳包角为β=160°的叶轮具有最佳的抗空化性能,空化区域面积比其他三种包角叶轮有显著的减小。     

基于缝隙射流原理的离心泵空化控制研究

为了改善低比转速离心泵内的空化流动状态,提出一种在叶片上设置缝隙的被动控制方法,探究该结构对空化的抑制效果及其控制机理. 采用数值模拟方法探讨结构对空化的抑制. 采用修正的SST k-ω湍流模型和Kubota空化模型,对原始叶轮和改型叶轮分别进行定常及非定常数值计算,获得设计工况下2种叶轮形式在各个空化阶段的流场结构及压力脉动特性. 计算结果表明：改型叶轮中经缝隙流向叶片背面的高压流体提高了叶片背面的压力,对空化初生、空化发展及空化剧烈阶段均产生了抑制作用,特别是空化剧烈阶段,与原始叶轮相比,其空泡体积分数减少了60.6%;与原始叶轮相比,改型叶轮内液相区的压力脉动主频幅值在各个空化阶段均有所下降.     

低比转速离心泵内部流场数值模拟

采用三维定常雷诺时均Navier-Stokes方程和Spalart—Allmaras湍流模型,对复合叶轮离心泵内部三维流场进行整机定常数值模拟,得到了复合叶轮离心泵内部流场的速度分布和压力分布。分析在不同流量点下复合叶轮和蜗壳内部流场,揭示离心泵内部的重要流动特征,证实了过流部件间相互作用引起的离心泵内部流场的不对称性。数值模拟结果表明,复合叶轮离心泵的整机数值模拟分析能够较准确地预测出离心泵内部的流场结构及性能参数。     

双蜗壳内部定常湍流数值研究

为研究双蜗壳内部流场特性及其结构形式对流场的影响,对双吸离心泵的双蜗壳内部定常三维湍流进行了全流道数值模拟。数值方法基于雷诺时均N S方程,采用了标准k ε湍流模型,并通过SIMPLE算法进行速度压力耦合。计算得到了蜗壳内部断面的速度矩、速度矢量以及压力等参数的分布图,并获得了水泵的外特性以及蜗壳水力损失占总损失的比重。计算表明:该方法可较好地模拟双蜗壳的非均匀进口条件;进口回流和横截面内的二次流现象与蜗壳隔板的结构有重要关系;计算扬程和设计扬程吻合比较好。     

水翼非定常空化流场的数值模拟

采用修正的RNGk-ε湍流模型对8°攻角NACA0015水翼的非定常二维空化流场进行数值模拟,分析当空化数分别为1和1.5,对应雷诺数为3×105时绕翼型的非定常流动,得到不同空化数下的非定常空化流场结构及其演化过程的流动特性.计算结果表明,回射流在空泡的形成和发展过程中起着重要的作用.空泡首先出现于水翼的前缘,在其产生的位置形成一个顺时针的漩涡,漩涡沿水翼上表面向下游移动.空泡逐渐长大并脱落,在不同空化数下,空泡脱落的位置不同.空泡形成和发展过程中均伴有压力的波动,大空化数流场的压力波动幅度和频率都明显高于小空化数流场.     

节段式多级离心泵全三维湍流场的数值模拟

选取工业中常用的DF型多级离心泵作为研究对象,数值计算使用了FLUENT软件及其RNG k-ε湍流模型和多重参考坐标系,实现了节段式多级离心泵任意一整级（包括叶轮导叶在内）的全三维流场的数值模拟.模拟结果显示在叶轮出口与导叶入口衔接处,叶轮出流因受到导叶叶片头部的阻挡干扰,导致局部流体逆叶轮旋转方向运动.液流的静压值在正导叶出口附近达到泵级内最大值,进入反导叶后因沿程出现的水力损失静压值略有降低.计算结果得到了泵外特性实测值的验证.     

离心式纸浆泵内部流动的数值模拟

为研究小流量工况下离心式纸浆泵内部流动特性,采用Mixture多相流模型对某一离心式纸浆泵内部流动进行三维不可压两相湍流流动计算,并与清水工况的计算结果进行了比较。对比分析了不同流量工况及介质对泵内流体速度、压力和体积浓度分布的影响,并预测了水力性能。结果显示:纸浆泵叶轮流道内速度变化不均,存在大面积回流;相同介质时,流量越小叶轮流道内部流动越不稳定;相同工况下,清水介质下的流动较两相流时更为稳定;两相流时泵的扬程及效率整体都低于清水介质;纸浆分布局部不均,叶片表面进口处叶根和叶顶部位浓度较大,易造成局部磨损,降低叶轮寿命。     

轴流泵内部三维湍流场数值模拟

设计了一900型号的轴流泵,进行了轴流泵全流道的三维造型和数值模拟,数值模拟采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程和标准模型,采用了SIMPLEC算法．通过数值模拟得出了叶片表面速度和压力分布规律．通过分析结果表明：叶片表面的相对速度沿径向逐渐增大,其分布规律符合圆柱层无关性假设;叶片发生汽蚀的危险区域位于叶片外缘进口边到出口边约1／4处;叶轮出口处流场呈螺旋形向外运动趋势．     

部分流泵的全三维湍流数值模拟

借助Fluent软件,选择标准κ-ε模型和标准壁面函数对单级部分流泵在设计工况方面进行了三维湍流数值模拟,分析了叶轮、涡壳内流体的流动,指出径向直叶片叶轮进口的冲击损失很大,隔舌前后是能量损失、产生噪声与振动的主要区域,隔舌对泵性能影响较大,蜗壳内存在两个反向的旋涡,蜗壳内的流体在主流和二次流的共同影响下沿着流道向前推进。最后,对泵性能的预测值与实测值作了对比,验证了数值模拟的正确性。     

离心泵内变工况流动特性的数值研究

通过Fluent软件对某单级单吸涡壳离心泵内流动进行了变工况定常数值模拟,数值模拟值与实验值吻合良好。在此基础上分析流道内相对速度分布及总压分布情况。并探讨了轴向涡随流量的变化特征及叶轮与涡舌相对位置变化对流动的影响。数值模拟结果显示,随着流量的增加流道出口相对速度增加,总压降低,流道内轴向涡有所减小。靠近涡舌流道的流量较大,而远离涡舌的则较小。这种流动状态沿叶轮周向分布不均匀现象是普遍存在的,且在非设计工况下表现得更明显。     

无过载离心泵内部流场的三维数值模拟

采用标准κ-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对满足最大轴功率值小于或等于1.1倍的额定功率值的无过载离心泵进行数值模拟,得出叶轮内流道的压力和速度分布规律,为无过载离心泵的性能预测、水力设计及优化设计提供了依据。并根据泵进出口速度、压力分布规律,预测了泵的能量特性曲线,实验表明:预测的结果较为理想,但在偏离设计工况下的湍流模型还需要做进一步研究。     

平面空穴流的数值模拟

本文利用各向异性K-ε模型对工程上常见的平面空穴流进行数值模拟,得到了合理的速度场、压力场和其它湍流特征量的分市。不仅如此,还预报了在主流和回流交汇处的多个旋涡结构.精细地模拟了这种复杂的湍流场。     

水泵内部流动的数值模拟及叶轮的改造

采用κ-ε湍流模型,应用NUMECA软件对一离心泵内部的三维湍流流场进行了数值模拟,得到了离心泵内部流动的压力分布、速度分布及漩涡流动.并通过对其流动和水力性能情况进行分析,优化叶片对叶轮进行了改造,改善了叶轮内部流动,提高了其水泵的水力性能.改造后的泵内部流动数值模拟结果表明其流动和水力性能良好.