可調葉片高比轉速混流泵內部流場數(shù)值模擬

近年來隨著混流泵的高比轉速化,其使用范圍開始覆蓋部分軸流泵的使用范圍。通過介紹上海市青草沙水庫取水泵站采用的高比轉速混流泵水力模型研制過程,分析并提出了高比轉速混流泵在低揚程大流量泵站工程中應用的優(yōu)缺點及選型設計時應注意的事項。

以某雙蝸殼混流泵為研究對象,利用計算流體動力學(cfd)商用軟件cfx中rngκ-ε湍流模型及全隱式多網格耦合求解算法對其3種工況下的內部三維湍流流動進行數(shù)值模擬,分析了3種工況下葉輪內的相對速度和壓力變化及設計工況下蝸殼內部流動的沖擊、二次流現(xiàn)象,并探討了提高混流式葉輪水力性能的改型方法。

利用有限元分析軟件數(shù)值求解不同工況下混流泵的內部流場,了解前置導葉調節(jié)工況的基本規(guī)律,以改善混流泵在非設計工況運行時的水力性能。在葉輪葉片進口部位讀取液流流入葉輪時絕對液流角、相對液流角、和絕對速度圓周分量的值,分析其隨前置導葉安放角改變而變化的規(guī)律。結果表明,葉輪進口絕對液流角小于前置導葉安放角,流量越小相差的幅度越大;大流量工況下進口預旋調節(jié)的效果比小流量工況更為明顯;在一定流量范圍內,通過進口導葉調節(jié)使得葉輪進口液流滿足無沖擊進口或者較小沖角進口條件,可有效地改善混流泵在非設計工況的水力性能。

在設計工況下,對一個較高比轉速的混流泵葉輪內部流動進行三維湍流數(shù)值模擬計算.通過分析混流泵葉輪內部的流動特點,發(fā)現(xiàn)由于局部結構設計不合理,流道內產生了較大范圍漩渦區(qū)和壁面脫離現(xiàn)象,增加了流動損失.針對這一問題提出了改進措施,采用一種多參數(shù)的優(yōu)化方法對葉輪葉型進行設計,并分析了葉片型線對葉輪內部流場的作用規(guī)律.結果表明,控制葉型彎曲度可以有效控制葉片進口處的馬蹄渦,消除近壁面流動分離和漩渦,減小流動中的通道渦強度和影響范圍,改進后葉輪流道內存在的渦團和流動脫離現(xiàn)象基本消失,葉輪水力效率相對提高4.74%,單位功耗的揚程增加11.5%.葉輪性能參數(shù)的計算數(shù)據與試驗數(shù)據吻合較好,驗證了所采用的計算方法及模型的準確性和可靠性.

為了提升雙吸離心泵的性能,研究其內部流動規(guī)律,采用rngk-ε方程湍流模型和標準simple算法對某一扭曲葉片雙吸離心泵全流道進行了cfd分析,并與實驗值進行比較。結果表明,該方法能夠較為準確地預測出雙吸離心泵葉輪與蝸殼間及內部的流動特性,所得結果對進行雙吸離心泵的水力設計或改型優(yōu)化設計等研究具有重要的指導意義。

采用cfd和caa方法對可逆轉軸流風機進行三維流場和聲場數(shù)值模擬,分析了3種葉片翼型對風機性能和噪聲的影響,根據數(shù)值模擬結果及分析得出結論。

借鑒泵葉輪的反問題設計理論,用fortran語言編程實現(xiàn)了高比轉數(shù)混流泵空間導葉的水力設計。提出了采用流線迭代法求解軸面流動,應用逐點積分法進行導葉葉片繪型,在保角變換平面上加厚葉片和修圓葉片頭部、尾部的基本理論和方法;討論了導葉葉片安放角分布規(guī)律、葉片出口邊位置對設計計算結果的影響。該方法設計計算精度高,能得到光滑的葉片表面、齊全的葉片表面數(shù)據,便于數(shù)控機床加工制造。

基于n-s方程和標準κ-ε模型對出口等速度環(huán)量的軸流式模型泵在不同工況下進行了全流道數(shù)值模擬,給出了葉片表面相對速度和壓力的分布規(guī)律,并將葉輪出口處速度分量計算結果和球形五孔探針測量結果進行比較。分析結果表明:葉片表面的相對速度沿徑向逐漸增大,流動分布規(guī)律符合圓柱層無關性假設;葉片發(fā)生汽蝕的危險區(qū)域約位于吸力面外緣進口邊到出口邊的1/4位置;最優(yōu)工況下葉輪出口處流場呈螺旋形向外運動趨勢,出口旋轉動能占出口總動能的34%左右;速度環(huán)量測量值從輪轂至輪緣逐漸減小,設計中應適當減小輪轂處圓周分量值,增加輪緣處圓周分量值。研究結果揭示了葉輪表面和出口流動規(guī)律,為軸流泵優(yōu)化設計提供了理論和實際應用參考。

采用雷諾時均n-s方程和標準k-ε湍流模型,應用三維非結構四面體網格建模,選用旋轉流體機械模型中的多重參考坐標系模型(mrf),對設計工況下旋流自吸泵葉輪和蝸殼耦合的三維不可壓縮湍流流場進行了數(shù)值模擬,得到了其內部流場的壓力分布和速度分布情況.對葉輪內部的相對速度流場和壓力場進行了細致的分析,證實了葉輪和蝸殼由于相對位置不同,相互作用而引起的葉輪內部流場具有一定的非對稱性.對蝸殼速度流場進行了分析,得到了蝸殼內靠近葉輪出口處的速度值較大的結論,并指出,由于蝸殼結構復雜而導致的內部流動紊亂,會造成一定的損失.另外,還對導壁附近區(qū)域和分離室內流場進行了深入研究,揭示了導壁附近區(qū)域和分離室內存在旋渦這一現(xiàn)象,并對旋渦形成的原因進行了分析和探討.

利用商用軟件fluent6.2,在雙坐標系下,對雷諾時均n-s方程進行離散,采用標準的湍流模型和simple方法進行求解,對5種不同的葉片包角葉輪與同一個蝸殼的耦合流場進行了數(shù)值模擬,得出了低比轉速污水泵葉輪與蝸殼內的壓力和速度分布規(guī)律,為低比轉速污水泵的性能預測,水力設計和優(yōu)化設計提供了依據.包角為190°的葉片工作面流速分布優(yōu)于其他包角葉片工作面的流速分布,且該葉輪在隔舌附近產生高壓區(qū)的面積明顯小于其他包角的葉輪,選擇優(yōu)化后包角為190°的葉輪試驗并與泵外特性模擬預測結果進行了對比.結果表明:若不改變泵水力部件其他幾何參數(shù),隨著低比轉速葉片包角由小向大變化,泵的內流特性存在較明顯的差異,泵效率存在極大值.

針對某在建核電站三級循環(huán)給水混流泵在多工況下高效率運行的要求,基于雷諾時均n-s方程、標準k-ε湍流模型和simple算法,對葉輪及蝸殼內部流場進行數(shù)值模擬,并預測其性能曲線.在清水實驗臺上進行性能測試,實驗結果表明數(shù)值計算與試驗結果吻合較好,但數(shù)值模擬和試驗結果均顯示該樣機效率不達標,可以通過增大蝸殼斷面面積以及減小葉片進口沖角進一步提高整機效率.

混流泵

泵的比轉速 比轉速是在相似定律的基礎上導出的一個包括流量、揚程和轉數(shù)在內的綜合特征數(shù),它是計算泵結構參數(shù)的 基礎。 水輪機、動力式泵和通風機等透平機械常用的一個重要參數(shù)，又稱比轉速。比轉數(shù)的概念最早在研究水輪 機時引用，以后又廣泛應用于動力式泵和通風機。由于各國采用的計量單位不同，比轉數(shù)定義和計算得到 的比轉數(shù)值也不相同。[比轉數(shù)的定義]表示中國對比轉數(shù)的定義。表中為轉速（轉／分）;為流量（米／秒）； n為功率（千瓦）；h為水輪機的水頭或泵的揚程（米）;為全壓（帕）。①水輪機的比轉數(shù)在數(shù)值上等于幾 何相似的水輪機在1米水頭下發(fā)出1千瓦功率時的轉速。幾何相似是指兩機器通流部分所有對應尺寸之比 為常數(shù)，對應角度相等。②泵的比轉數(shù)在數(shù)值上等于幾何相似的泵在流量為0.075米／秒、揚程達1米時 的轉數(shù)。③通風機的比轉數(shù)在數(shù)值上等于幾何相似的通風機在全壓為1帕,流

軸流泵、混流泵 軸流泵 型號 流量 （米 3 /時） 揚程 （米） 配套功率 （kw） 備注 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

針對某公司研制的td150型管道泵在試驗中出現(xiàn)設計點揚程偏低、小流量下噪聲較大等問題,對泵內部流場進行了全流道數(shù)值模擬,提出了優(yōu)化方案,對優(yōu)化后的管道泵進行了性能及噪聲試驗,結果表明,試驗和數(shù)值模擬結果相差較少,小流量下泵的噪聲顯著降低,額定點揚程明顯提高。

使用fluent軟件模擬計算具有長短葉片葉輪的離心泵的全三維流場。選用多重參考坐標系及標準k-ε湍流模型,計算對包括導入管、葉輪、泵殼及出水管在內的整個離心泵系統(tǒng)。計算結果表明,在大部分長短葉片的通道內,射流區(qū)偏向于葉片背面,尾跡區(qū)則位于葉片工作面出口附近。泵葉輪各通道的流量、流速及壓力等流動參數(shù)的分布表現(xiàn)出明顯的非對稱性,流動參數(shù)的大小與葉輪、泵殼的相對位置密切相關。將泵性能的預測值與實測值作了對比,以驗證計算結果的準確性。

針對現(xiàn)有蝶閥存在易磨損、使用壽命短等問題,研制出一種對稱多葉片式耐磨風量調節(jié)閥。利用標準κ-ε模型對該閥的流場進行了數(shù)值模擬,并與蝶閥進行了對比研究,結果表明,該閥流場分布比較均勻,無偏流現(xiàn)象,閥體邊壁處流體速度較小,結構合理,具有較好的耐磨性能。

為了研究動靜干涉對混流泵內部流動非定常壓力脈動特性的影響,在混流泵進口截面、動靜耦合面以及出口截面取若干壓力脈動監(jiān)測點,采用rngk-ε湍流模型和滑移網格技術,對混流泵全流場進行三維非定常湍流計算.計算了葉輪進口截面、動靜耦合面以及出口截面的壓力脈動,利用快速傅里葉變換進行分析,得到了不同特征截面的壓力脈動的頻率和幅值,并進行外特性試驗驗證.結果表明:從輪轂到輪緣,壓力脈動最大幅值發(fā)生在葉輪出口輪緣側,而壓力脈動最小幅值出現(xiàn)在葉片進口輪轂側,葉輪進口和葉輪導葉間輪緣處監(jiān)測點的幅值約為輪轂處監(jiān)測點幅值的2倍;從葉輪進口到導葉出口位置,壓力脈動呈現(xiàn)出逐漸增強的趨勢.壓力脈動最大值發(fā)生在導葉出口監(jiān)測點,且存在一個低頻壓力脈動;在60%～85%設計流量工況范圍內,揚程-流量特性曲線出現(xiàn)正斜率不穩(wěn)定特性,數(shù)值計算與試驗結果存在一定差異.

采用高質量結構化網格離散混流泵計算域,基于雷諾時均(rans)方程和剪切應力輸運(sst)湍流模型對混流泵內流場進行數(shù)值模擬。采用多種定性和定量指標對不同葉輪葉片厚度時混流泵的揚程、功率和效率特性及葉輪進、出口的流場流動情況進行對比分析。結果表明:在相同流量下,隨葉輪葉片厚度減薄,泵的揚程和功率增加,且最高效率點向大流量工況偏移,最高效率略有升高;葉輪葉片厚度減薄提高了流場流動均勻度,改善了葉片表面壓力分布情況,使空化性能得以改善。

為了分析葉輪葉片厚度和導葉葉片厚度對混流式核主泵能量性能的影響,分別設計了3種不同葉片厚度的葉輪和3種不同葉片厚度的導葉,建立不同葉片厚度下的9種方案,通過數(shù)值模擬的方法分析了9種方案在設計工況下混流泵水力性能的變化情況。結果表明:葉輪葉片厚度變化對混流泵水力性能的影響明顯高于導葉葉片厚度,且導葉葉片厚度變化對混流泵水力性能的影響不大。

脈沖射流相對于恒定射流可較大程度提高液氣射流泵效率,利用計算流體力學軟件fluent對脈沖液氣射流泵內部流場進行數(shù)值模擬和分析。首先研究在脈沖射流情況下,停止工作射流后液氣射流泵內部流場的狀況;然后對相同工作條件、不同脈沖頻率下的液氣射流泵進行數(shù)值模擬,并研究分析各個脈沖頻率下液氣射流泵效率,得出最佳工作頻率。

混流泵比轉速一般在300至500之間，介于離心泵和軸流泵之間，具有流量大、揚程高等特點，因此廣泛應用與農業(yè)、工業(yè)和生活生產中。葉輪作為混流泵的核心部件，其設計的好壞對混流泵的性能有著重要的影響，要想設計出滿足特殊用泵行業(yè)的混流泵葉輪，就必須根據已有設計產品，針對現(xiàn)場運行環(huán)境等條件，對已有的混流泵模型進行優(yōu)化設計，優(yōu)化出滿足性能指標、能使機組安全穩(wěn)定運行的混流泵葉輪模型。