长短叶片离心泵的全三维湍流数值模拟

1 《机械科学与技术杂志》24日(10)(2010)2007~2016 离心泵的长短叶片的空化行为 quangnhathaiandchangjinlee 航天信息工程系，建国大学，1深圳市华洋忆可恩东，广津区，汉城143-701，韩国 (手稿收到2009年9月3日；接受2010年6月23日2010年5月31日修订；) 摘要： 离心泵里的2-d级联模型cfd代码是为了预测叶轮叶片的离心叶轮 的汽蚀行为。控制方程是两相雷诺平均navier-stokes方程为齐次形式，其中两 个液相和气相被视为不可压缩流体。关闭模式，引入标准k-ε湍流模型，液相 和气相之间的传质速率也被实现。进行参照比较在叶轮离心泵叶轮的数据来实现 验证。当前离心泵的气蚀特性测试是在设计测试点（v=8米/秒）和两个非设计 点（v=20米

利用nurbs方法对离心泵叶片进行建模,建立了离心泵叶片的空间样条曲线,并应用类流线方法对叶片进行优化,使叶片在保持原有形状的基础上更为光滑。结果表明,利用该方法建立的模型,可以真实完整地反映叶片的形状,优化后的叶片表面的褶皱和凹凸消失,为叶片的性能分析、数控加工等工作提供了方便。

1 《机械科学与技术杂志》24日(10)(2010)2007~2016 离心泵的长短叶片的空化行为 quangnhathaiandchangjinlee 航天信息工程系，建国大学，1深圳市华洋忆可恩东，广津区，汉城143-701，韩国 (手稿收到2009年9月3日；接受2010年6月23日2010年5月31日修订；) 摘要： 离心泵里的2-d级联模型cfd代码是为了预测叶轮叶片的离心叶轮 的汽蚀行为。控制方程是两相雷诺平均navier-stokes方程为齐次形式，其中两 个液相和气相被视为不可压缩流体。关闭模式，引入标准k-ε湍流模型，液相 和气相之间的传质速率也被实现。进行参照比较在叶轮离心泵叶轮的数据来实现 验证。当前离心泵的气蚀特性测试是在设计测试点（v=8米/秒）和两个非设计 点（v=20米

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rngk-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。

叶片水力模型提供的叶片表面型值点柱坐标不能直接用于ugnx三维造型。在叶片水力模型的基础上,给出计算叶片表面型值点直角坐标的算法流程,介绍沿轴面截线方向进行叶片三维造型的方法,简述基于ugnx平台的叶片三维造型二次开发的步骤,定义程序开发的数据结构,在支撑软件ugnx中程序化实现叶片的三维实体造型。实际使用结果表明该方法可以缩短叶片类产品的设计周期,提高设计精度。

对某台多级离心泵进行叶片加长技术改造,提出了多级离心泵叶片加长的方法、原则以及实施措施。改造后的水泵性能良好。实践证明该方法有效、可行,具有指导意义。

双吸三元扭曲叶片离心泵具有叶片形状复杂与多流道等特征,其三维造型涉及问题较多,在泵的三维造型中具有普遍性。为此,以gambit软件为设计平台,结合一个具体的双吸离心泵的造型实例,介绍了双吸离心泵扭曲叶片叶轮和螺旋形蜗壳等部件三维造型的方法,并给出了创建实体模型的详细步骤及三维模型图;此外,还简要说明了在gambit软件中建模需要注意的问题。

利用目前最新的多尺度激光扫描技术手段获取大型双吸离心泵全方位的真三维数据,建立双吸离心泵的三维可视化模型。该技术在用于获取复杂外形实体数据时比传统测量方法更为精确和快速。泵的真三维模型数据成果,可用于泵的逆向工程建模获取cad模型,进行全方位立体三维展示和工业制造;还可通过对泵的过水部件的水体模型提取,进行计算流体动力学(cfd)分析,用于泵水力结构的优化设计。

离心泵是重要的船用机械配套设备，计算机技术的发展和功能强大的三维制图软件为构造具有复杂曲面的离心泵蜗壳及叶轮流道提供了极大的便利。本文在逆向工程思想的指导下，结合三维激光扫描仪、相关点云处理软件和三维cad软件，精确地构建出离心泵的三维模型。建立泵的三维水力模型，利用cfd方法分析其内部流动现象和规律。将离心泵性能预测值与试验值进行比较，结果表明两者符合的很好，为泵的结构优化和性能提升打下了基础。

针对同一叶轮配不同导流器,通过试验分析,探索提高潜水泵效率的途径。以250qj125型潜水泵配两种导流器为例,通过cfd数值计算,预测出潜水泵的性能,将解析法求得的潜水泵最佳工况点与模拟试验结果进行了比较,其结果较为吻合。经对两种导流器内部的速度场和压力场分析,提出了增加导流器长度、增大导叶片进口冲角和壁角等方法可提高潜水泵的效率。

为研究离心泵启动过程中的瞬态流动,提出采用动网格方法求解边界移动引起的非定常流动的思想。首先通过对圆柱启动问题的模拟验证该方法的有效性,并分别采用3种湍流模式进行对比研究,结果证明了大涡模拟(les)的适用性;其次计算分析二维模型泵启动过程内部流动瞬态特性;最后实现了离心泵启动过程三维瞬态流动的求解,得到了内部瞬态流动的模拟结果。

提出旋转坐标下的单相液体湍流的二阶双系数动态亚格子应力大涡模拟模型并加以验证。考虑亚格子应力的对称性和量纲一致性,在基于应变率张量和旋转率张量的不可约量及smagorinsky模型和亥姆霍兹定理的基础上,提出亚格子应力应表示为可解的应变率张量和旋转率张量的函数。在贴体坐标系下,利用交错网格系统和有限体积法离散湍流控制方程,采用simplec方法求解方程。水泵叶轮中湍流的流速分布规律和压力分布等计算结果都与试验结果基本吻合,从而证明了此模型的可行性,以及计算方法和程序的可靠性

在双吸离心泵的设计中,半螺旋形吸入室应用极为广泛。该文运用流场计算软件fluent,基于reynolds时均方程和rngk-ε湍流模型,对双吸离心泵半螺旋形吸入室的流场进行了三维模拟。模拟结果显示流场速度变化较为均匀,表明这种半螺旋形吸入室作为双吸离心泵的吸入室是合适的。

采用simple算法、kε-ap模型和混合四面体非结构网格在笛卡尔坐标系中对离心式污水泵内部流场进行了数值模拟,得出了污水泵内固体颗粒的流动规律以及固体颗粒的分布特征,为离心式污水泵的优化设计提供理论参考。

以双吸离心泵为研究对象,在fluent软件中采用标准k-ε模型、rngk-ε模型、realizablek-ε模型和雷诺应力模型4种湍流模型在相同网格条件下进行三维、稳态数值模拟,计算其在不同工况下的扬程及水力效率;然后以rngk-ε模型计算结果作为初值,用大涡模拟方法进行三维、非稳态数值模拟,计算叶轮旋转一周的平均扬程及平均水力效率,与真机数据进行对比分析。计算结果表明:fluent软件在稳态计算的情况下,所采用4种模型均能够对双吸离心泵进行稳态数值模拟,且模拟的精度有差别,但总体与模型试验结果误差较大。使用稳态计算结果作为初值,用大涡模拟方法进行非稳态数值模拟可以得到更为精确的结果,但大大增加了计算工作量。

从现有的二维水力设计软件出发,依据叶片木模图、型值点数据,利用pro/ewildfire4.0软件,实现了扭曲叶片的三维造型,为后续对叶轮流道进行流场分析和叶片数控加工提供了模型基础。

利用cfd软件fluent对1200s56型泵的不同工况作流场计算。计算采用雷诺时均方程和realizable湍流模型,压力和速度耦合采用simplec算法。得到不同工况下叶轮出口与蜗壳耦合面的静压分布,在将径相力简化认为叶轮周围流场对叶轮的径向作用力的基础上,提出离心泵径向力计算的数学模型,计算出各个工况下叶轮所受的径向力,其值与试验值比较接近。而经验公式存在较大误差,非设计工况时经验公式计算值偏大,设计工况时偏小。

以北赵引黄工程谢村站用多级双吸式离心泵为研究对象,基于雷诺时均n-s方程,采用sstk-ω湍流模型,压力速度耦合使用simplec计算,对泵内部流动进行了三维定常全流场湍流数值模拟,得到不同工况下该泵内部流动的速度矢量图等流场信息.在对其内部流动规律进行了定性分析的基础上,预测了泵的性能,并与现场测试结果进行了对比分析.分析结果表明:首级叶轮首级压水室以及次级叶轮次级压水室内流动较均匀；由于过渡流道的结构特点以及流动惯性,流体在首级压水室进入过渡流道时,在流道突然扩大区域形成了旋涡,旋涡区域大小与流量有关；预测扬程值与现场测试扬程吻合较好,预测扬程最大误差为2.7％,而预测的流量-水力效率曲线与现场测试流量-机组效率曲线变化趋势一致.水泵内部流动的数值模拟可为工程中泵设计阶段的性能预测和结构优化提供依据.

采用激光扫描技术建立宁东供水工程双吸离心泵三维实体模型,并采用cfd技术,模拟泵内水流流动规律,确定水泵宜磨蚀部位,并利用经验公式预估其磨蚀深度,为泵站有针对性地开展抗磨蚀工作奠定了基础。

为了提升潜水轴流泵的性能,了解其内部流动规律,采用标准k-ε双方程紊流模型和压强连接的隐式修正simplec算法,对潜水轴流泵全流道进行了cfd分析.得出了流道内各速度矢量、压力分布规律,并提出相应的改进建议.

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.

带空间导叶离心式潜水泵全三维流场的数值模拟