蜗壳式离心泵作为流体输送的核心设备,压力脉动及水利性能对泵的稳定性、噪声、寿命等有重大影响。结合曲率控制前缘的设计方法,按增长率1.19%、0.47%、0.32%设计,建立前缘轴长比为0.96、2.11、3.11、4.11的蜗壳式离心泵,以SSTκ-ω模型定常计算结果为初始条件,进行κ-εRNG模型非定常分析,通过频域图分析蜗壳式离心泵压力脉动,并通过矢量云图分析水力性能。结果表明设计的模型最佳流量为35 m 3/h,设计效率与模拟效率误差仅为2%;前缘轴长比不同,流道内压力扩散有差异;前缘轴长比为3.11时出口压力脉动偏低,低频区更易产生压力脉动;前缘轴长比为0.96时,压力脉动范围偏小,适用于一定流量范围内扬程变化较大的工况。

为了研究液力透平的转速特性,采用Fluent软件动网格中的SDOF求解器对一台比转速为48的离心泵反转作液力透平进行数值模拟,分析了液力透平在启动过程中转速的变化规律。结果发现随着转速的增大,透平高效区变宽,高效点明显向大流量偏移。流量越大,透平的飞逸转速就越大,各流量工况下的飞逸转速约为额定转速的1.4倍。在负载系数Bg为1.4905时,其负载力矩达到临界值,继续增加负载,叶轮不在工作,此时的水动力矩小于负载力矩。

计算并分析不同进水流量下化工流程泵内部流动特性并进行实验对比。借助CFD软件,采用S-A湍流模型与N-S方程进行封闭计算,计算泵内流道湍流场。计算分析表明进水小流量时,吸力面靠近叶片进水边局部范围出现负压区,该负压区在泵进水流量较小时易产生,该负压区易对叶轮造成气蚀破坏,与泵实际运行结果相吻合。同时,该区域在小流量时出现较大“涡流”,低压区在叶片背面靠近进水边位置尤为明显,靠近蜗舌的压水室内产生较大回流,严重制约泵流动性;计算与试验表明针对化工流程泵内部复杂三维流动及水力性能进行预测的数值模拟分析可靠。

为了研究叶轮流道面积的变化规律对核主泵水力性能的影响,基于全局结构化网格,采用SST k-ω湍流模型,对5组具有不同流道面积变化规律的模型泵进行定常数值计算,研究分析水力性能最优时流道面积沿流动方向的变化特征,并对最优方案进行试验验证。结果表明:最优方案模型泵效率的计算值仅比试验值高出0.22%,关于效率的预测精度较高;叶轮内的压力场随流道面积分布规律的变化而变化,但速度剖面始终保持高度相似,影响叶轮水力效率的主要因素是压力场的分布特征;在流道的进口和出口面积保持不变的前提下,流道面积沿流动方向增加的速率呈现先快后缓的变化趋势时,叶轮的水力效率最高,比先缓后快变化趋势的水力效率提高了0.81%;在流道入口处保持较大的面积梯度,并使面积梯度沿流动方向快速减小,有利于提高叶轮的水力效率。

为了研究介质物性参数变化对核主泵水力性能的影响,采用六面体结构化网格,基于RNGκ-ε湍流模型,在定常计算的基础上对比分析了输送介质分别为清水和液态钠时核主泵水力性能的变化。结果表明:介质物性参数的变化对泵内速度场的影响较小,但速度分布的均匀性随介质运动黏度的减小而降低;与水介质相比,当输送介质为液态钠时,核主泵的扬程变化很小,轴功率的下降幅度大于密度的减小幅度,因而效率提升明显。

为了研究进水流道内部流态对泵装置性能的影响,采用CFX三维软件对高度及喉部高度大、高度及喉部高度小的两种肘形进水流道装置的三维流场进行数值模拟,分析比较了这两种肘形进水流道与泵装置的水力特性。方案1肘形进水流道的高度大,挖深大,土建投资大,且喉部高度大,弯肘段脱流严重;方案2肘形进水流道高度小,土建投资小,同时喉部高度小,有效抑制了弯管脱流问题。结果表明在最优工况下(Q=320L/s),肘形进水流道方案2比方案1的流道出口断面速度均匀度高1.6%;速度加权平均角度高7.34°;进水流道水力损失降低0.128m;装置效率提高4.22%;装置高效区流量范围拓宽40%。因此,为了保证泵装置高效、安全地运行,应充分重视在实际工程中进水流道对泵装置性能的影响以及肘形进水流道喉部高度对进水流道流态的影响。

双吸离心泵具有流量大、扬程高的特点,被广泛应用于农业输水灌溉等工程。双吸泵的蜗壳和叶轮间具有动静干涉作用,两者之间的匹配形式会对水泵的水力性能产生影响。将CFD数值模拟和已有试验数据相结合,通过研究不同比转数的双吸离心泵蜗壳面积比对水力性能的影响,得出不同比转数下双吸离心泵最优蜗壳面积比规律。研究发现,当蜗壳面积比在原有基础上增加时,其最高效率点向大流量工况偏移,且扬程和效率有下降的趋势,设计工况附近的平均效率降低;当蜗壳面积比减小时,其在一定范围内扬程和效率均出现上升,最高效率点偏向于小流量工况,但是当降低到一定程度时,扬程和效率均会出现急剧的下降,最终通过总结各个比转数双吸泵的最优蜗壳面积比,得到随着比转数的增加,最优蜗壳面积比增加,高效区范围逐渐加宽这一规律。

为了研究叶轮与导叶匹配对高比转速轴流泵水力性能的影响,以-台比转速为1 500 r/min的轴流泵为研究对象,选取了叶轮与导叶的7个几何参数进行正交试验优化设计.为拓宽其高效运行范围,本次优化以三个工况点（0.8 Q d、1.0 Q d、1.2 Q d）的加权平均效率为优化目标,采用 L 18 （3 7）正交表设计了18组方案.在ANSYS CFX 14.5中采用SST k-ω 湍流模型对各方案进行定常计算.通过极差分析得到了各参数对目标影响的主次顺序并获得了最优参数组合.结果表明：优化后轴流泵加权平均效率提高了4.68%,大流量下效率提高十分明显,而设计扬程基本不变;叶轮与导叶的动静匹配对轴流泵水力性能有重要影响.

核主泵动静叶栅的参数匹配对水力性能有显著影响。为了提高核主泵整机效率,本文基于动静叶栅几何参数的匹配关系,采用正交试验方法,选取调控比面积的三因素及三水平,探讨比面积对泵水力性能的影响机制;基于各因素平均值,综合考虑叶轮和导叶几何参数及其交互作用对扬程、效率影响的显著性,确定最优组合方案。研究表明：比面积对扬程和效率影响显著,ξ取0.835时,动静叶栅几何参数达最优匹配度,此时扬程和效率均达峰值点。导叶叶片前缘区域,ξ对液流速度的影响较显著,导叶内部速度值呈线性下降趋势时,导叶叶片对液流的控制力较强。当ξ取0.835时,CFD验证导叶水力损失达最小值。获得最佳比面积ξopt为0.835,动静叶栅内部水力损失最小,提高了核主泵整机性能。研究结果为核主泵动静叶栅水力设计,提供了理论依据。

针对轴流泵进行水力性能设计和优化,在满足设计要求的基础上,实现其水力效率的提升。以比转速ns = 1250的轴流泵为对象,采用CFD数值模拟方法,借助于N-S基本控制方程和标准k-ε双方程湍流模型,对轴流泵进行了全流道数值模拟,统计其速度环量的变化规律,分析总结其外特性,研究其内部流动特征。通过解决实际过程中轴流泵扬程偏低的原因,提出圆周分速度修正系数,并选取了合适的圆周分速度修正系数来优化模型。根据优化结果可见,优化之后,轴流泵的水力性能得到明显提升,满足设计要求工况,扬程从2.729 m提高到3.44 m,水力效率从80.35%提高到82.69%,同时高效区明显扩大。从内部流动分析得出,优化之后叶轮内部流体流态稳定,无脱流、旋涡等现象,流速均匀分布。在轴流泵叶轮设计过程中,宜采用变环量设计,减小轮毂处的环量,同时增大轮缘处的环量。