可调叶片高比转速混流泵内部流场数值模拟

近年来随着混流泵的高比转速化,其使用范围开始覆盖部分轴流泵的使用范围。通过介绍上海市青草沙水库取水泵站采用的高比转速混流泵水力模型研制过程,分析并提出了高比转速混流泵在低扬程大流量泵站工程中应用的优缺点及选型设计时应注意的事项。

以某双蜗壳混流泵为研究对象,利用计算流体动力学(cfd)商用软件cfx中rngκ-ε湍流模型及全隐式多网格耦合求解算法对其3种工况下的内部三维湍流流动进行数值模拟,分析了3种工况下叶轮内的相对速度和压力变化及设计工况下蜗壳内部流动的冲击、二次流现象,并探讨了提高混流式叶轮水力性能的改型方法。

利用有限元分析软件数值求解不同工况下混流泵的内部流场,了解前置导叶调节工况的基本规律,以改善混流泵在非设计工况运行时的水力性能。在叶轮叶片进口部位读取液流流入叶轮时绝对液流角、相对液流角、和绝对速度圆周分量的值,分析其随前置导叶安放角改变而变化的规律。结果表明,叶轮进口绝对液流角小于前置导叶安放角,流量越小相差的幅度越大;大流量工况下进口预旋调节的效果比小流量工况更为明显;在一定流量范围内,通过进口导叶调节使得叶轮进口液流满足无冲击进口或者较小冲角进口条件,可有效地改善混流泵在非设计工况的水力性能。

在设计工况下,对一个较高比转速的混流泵叶轮内部流动进行三维湍流数值模拟计算.通过分析混流泵叶轮内部的流动特点,发现由于局部结构设计不合理,流道内产生了较大范围漩涡区和壁面脱离现象,增加了流动损失.针对这一问题提出了改进措施,采用一种多参数的优化方法对叶轮叶型进行设计,并分析了叶片型线对叶轮内部流场的作用规律.结果表明,控制叶型弯曲度可以有效控制叶片进口处的马蹄涡,消除近壁面流动分离和漩涡,减小流动中的通道涡强度和影响范围,改进后叶轮流道内存在的涡团和流动脱离现象基本消失,叶轮水力效率相对提高4.74%,单位功耗的扬程增加11.5%.叶轮性能参数的计算数据与试验数据吻合较好,验证了所采用的计算方法及模型的准确性和可靠性.

为了提升双吸离心泵的性能,研究其内部流动规律,采用rngk-ε方程湍流模型和标准simple算法对某一扭曲叶片双吸离心泵全流道进行了cfd分析,并与实验值进行比较。结果表明,该方法能够较为准确地预测出双吸离心泵叶轮与蜗壳间及内部的流动特性,所得结果对进行双吸离心泵的水力设计或改型优化设计等研究具有重要的指导意义。

采用cfd和caa方法对可逆转轴流风机进行三维流场和声场数值模拟,分析了3种叶片翼型对风机性能和噪声的影响,根据数值模拟结果及分析得出结论。

借鉴泵叶轮的反问题设计理论,用fortran语言编程实现了高比转数混流泵空间导叶的水力设计。提出了采用流线迭代法求解轴面流动,应用逐点积分法进行导叶叶片绘型,在保角变换平面上加厚叶片和修圆叶片头部、尾部的基本理论和方法;讨论了导叶叶片安放角分布规律、叶片出口边位置对设计计算结果的影响。该方法设计计算精度高,能得到光滑的叶片表面、齐全的叶片表面数据,便于数控机床加工制造。

基于n-s方程和标准κ-ε模型对出口等速度环量的轴流式模型泵在不同工况下进行了全流道数值模拟,给出了叶片表面相对速度和压力的分布规律,并将叶轮出口处速度分量计算结果和球形五孔探针测量结果进行比较。分析结果表明:叶片表面的相对速度沿径向逐渐增大,流动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约位于吸力面外缘进口边到出口边的1/4位置;最优工况下叶轮出口处流场呈螺旋形向外运动趋势,出口旋转动能占出口总动能的34%左右;速度环量测量值从轮毂至轮缘逐渐减小,设计中应适当减小轮毂处圆周分量值,增加轮缘处圆周分量值。研究结果揭示了叶轮表面和出口流动规律,为轴流泵优化设计提供了理论和实际应用参考。

采用雷诺时均n-s方程和标准k-ε湍流模型,应用三维非结构四面体网格建模,选用旋转流体机械模型中的多重参考坐标系模型(mrf),对设计工况下旋流自吸泵叶轮和蜗壳耦合的三维不可压缩湍流流场进行了数值模拟,得到了其内部流场的压力分布和速度分布情况.对叶轮内部的相对速度流场和压力场进行了细致的分析,证实了叶轮和蜗壳由于相对位置不同,相互作用而引起的叶轮内部流场具有一定的非对称性.对蜗壳速度流场进行了分析,得到了蜗壳内靠近叶轮出口处的速度值较大的结论,并指出,由于蜗壳结构复杂而导致的内部流动紊乱,会造成一定的损失.另外,还对导壁附近区域和分离室内流场进行了深入研究,揭示了导壁附近区域和分离室内存在旋涡这一现象,并对旋涡形成的原因进行了分析和探讨.

利用商用软件fluent6.2,在双坐标系下,对雷诺时均n-s方程进行离散,采用标准的湍流模型和simple方法进行求解,对5种不同的叶片包角叶轮与同一个蜗壳的耦合流场进行了数值模拟,得出了低比转速污水泵叶轮与蜗壳内的压力和速度分布规律,为低比转速污水泵的性能预测,水力设计和优化设计提供了依据.包角为190°的叶片工作面流速分布优于其他包角叶片工作面的流速分布,且该叶轮在隔舌附近产生高压区的面积明显小于其他包角的叶轮,选择优化后包角为190°的叶轮试验并与泵外特性模拟预测结果进行了对比.结果表明:若不改变泵水力部件其他几何参数,随着低比转速叶片包角由小向大变化,泵的内流特性存在较明显的差异,泵效率存在极大值.

针对某在建核电站三级循环给水混流泵在多工况下高效率运行的要求,基于雷诺时均n-s方程、标准k-ε湍流模型和simple算法,对叶轮及蜗壳内部流场进行数值模拟,并预测其性能曲线.在清水实验台上进行性能测试,实验结果表明数值计算与试验结果吻合较好,但数值模拟和试验结果均显示该样机效率不达标,可以通过增大蜗壳断面面积以及减小叶片进口冲角进一步提高整机效率.

混流泵

泵的比转速 比转速是在相似定律的基础上导出的一个包括流量、扬程和转数在内的综合特征数,它是计算泵结构参数的 基础。 水轮机、动力式泵和通风机等透平机械常用的一个重要参数，又称比转速。比转数的概念最早在研究水轮 机时引用，以后又广泛应用于动力式泵和通风机。由于各国采用的计量单位不同，比转数定义和计算得到 的比转数值也不相同。[比转数的定义]表示中国对比转数的定义。表中为转速（转／分）;为流量（米／秒）； n为功率（千瓦）；h为水轮机的水头或泵的扬程（米）;为全压（帕）。①水轮机的比转数在数值上等于几 何相似的水轮机在1米水头下发出1千瓦功率时的转速。几何相似是指两机器通流部分所有对应尺寸之比 为常数，对应角度相等。②泵的比转数在数值上等于几何相似的泵在流量为0.075米／秒、扬程达1米时 的转数。③通风机的比转数在数值上等于几何相似的通风机在全压为1帕,流

轴流泵、混流泵 轴流泵 型号 流量 （米 3 /时） 扬程 （米） 配套功率 （kw） 备注 100zb-380-1002.27-3.31y2-1.5 150zb-4142-1942.8-5.1y2-3 200zb-3a310-4681.6-3.85y4-5.5 200zb-3b310-4681.6-3.85y4-5.5 250zb-4a425-5972.46-4.43y4-7.5 250zb-4b425-5972.46-4.43y4-7.5 250zb-4c425-5012.46-4.43y4-7.5 250zb-4.5400-6002.5-5.48y4-11 300zb-4a6454y4-11 300zb-4b6494y4-11 300zb-4c5014y4-11 350zlb-7054

针对某公司研制的td150型管道泵在试验中出现设计点扬程偏低、小流量下噪声较大等问题,对泵内部流场进行了全流道数值模拟,提出了优化方案,对优化后的管道泵进行了性能及噪声试验,结果表明,试验和数值模拟结果相差较少,小流量下泵的噪声显著降低,额定点扬程明显提高。

使用fluent软件模拟计算具有长短叶片叶轮的离心泵的全三维流场。选用多重参考坐标系及标准k-ε湍流模型,计算对包括导入管、叶轮、泵壳及出水管在内的整个离心泵系统。计算结果表明,在大部分长短叶片的通道内,射流区偏向于叶片背面,尾迹区则位于叶片工作面出口附近。泵叶轮各通道的流量、流速及压力等流动参数的分布表现出明显的非对称性,流动参数的大小与叶轮、泵壳的相对位置密切相关。将泵性能的预测值与实测值作了对比,以验证计算结果的准确性。

针对现有蝶阀存在易磨损、使用寿命短等问题,研制出一种对称多叶片式耐磨风量调节阀。利用标准κ-ε模型对该阀的流场进行了数值模拟,并与蝶阀进行了对比研究,结果表明,该阀流场分布比较均匀,无偏流现象,阀体边壁处流体速度较小,结构合理,具有较好的耐磨性能。

混流泵比转速一般在300至500之间，介于离心泵和轴流泵之间，具有流量大、扬程高等特点，因此广泛应用与农业、工业和生活生产中。叶轮作为混流泵的核心部件，其设计的好坏对混流泵的性能有着重要的影响，要想设计出满足特殊用泵行业的混流泵叶轮，就必须根据已有设计产品，针对现场运行环境等条件，对已有的混流泵模型进行优化设计，优化出满足性能指标、能使机组安全稳定运行的混流泵叶轮模型。

为了研究动静干涉对混流泵内部流动非定常压力脉动特性的影响,在混流泵进口截面、动静耦合面以及出口截面取若干压力脉动监测点,采用rngk-ε湍流模型和滑移网格技术,对混流泵全流场进行三维非定常湍流计算.计算了叶轮进口截面、动静耦合面以及出口截面的压力脉动,利用快速傅里叶变换进行分析,得到了不同特征截面的压力脉动的频率和幅值,并进行外特性试验验证.结果表明:从轮毂到轮缘,压力脉动最大幅值发生在叶轮出口轮缘侧,而压力脉动最小幅值出现在叶片进口轮毂侧,叶轮进口和叶轮导叶间轮缘处监测点的幅值约为轮毂处监测点幅值的2倍;从叶轮进口到导叶出口位置,压力脉动呈现出逐渐增强的趋势.压力脉动最大值发生在导叶出口监测点,且存在一个低频压力脉动;在60%～85%设计流量工况范围内,扬程-流量特性曲线出现正斜率不稳定特性,数值计算与试验结果存在一定差异.

采用高质量结构化网格离散混流泵计算域,基于雷诺时均(rans)方程和剪切应力输运(sst)湍流模型对混流泵内流场进行数值模拟。采用多种定性和定量指标对不同叶轮叶片厚度时混流泵的扬程、功率和效率特性及叶轮进、出口的流场流动情况进行对比分析。结果表明:在相同流量下,随叶轮叶片厚度减薄,泵的扬程和功率增加,且最高效率点向大流量工况偏移,最高效率略有升高;叶轮叶片厚度减薄提高了流场流动均匀度,改善了叶片表面压力分布情况,使空化性能得以改善。

为了分析叶轮叶片厚度和导叶叶片厚度对混流式核主泵能量性能的影响,分别设计了3种不同叶片厚度的叶轮和3种不同叶片厚度的导叶,建立不同叶片厚度下的9种方案,通过数值模拟的方法分析了9种方案在设计工况下混流泵水力性能的变化情况。结果表明:叶轮叶片厚度变化对混流泵水力性能的影响明显高于导叶叶片厚度,且导叶叶片厚度变化对混流泵水力性能的影响不大。

脉冲射流相对于恒定射流可较大程度提高液气射流泵效率,利用计算流体力学软件fluent对脉冲液气射流泵内部流场进行数值模拟和分析。首先研究在脉冲射流情况下,停止工作射流后液气射流泵内部流场的状况;然后对相同工作条件、不同脉冲频率下的液气射流泵进行数值模拟,并研究分析各个脉冲频率下液气射流泵效率,得出最佳工作频率。