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离心泵叶顶泄漏涡结构特性研究

水利学报 2020年第6期51卷 738-748页

作者：王李科卢金玲廖伟丽王维冯建军罗兴锜西安理工大学陕西西安710048 西安理工大学省部共建西北旱区生态水利工程国家重点实验室陕西西安710048

叶顶间隙产生的泄漏涡会对半开式离心泵性能产生不利影响,为了探究不同流量工况下泄漏涡结构及其运动轨迹的变化规律,本文采用SST k-ω湍流模型对半开式离心泵进行全流道数值模拟,分析了泄漏涡的结构特征和泄漏流速度分布,改进了泄漏涡... 详细信息

叶顶间隙产生的泄漏涡会对半开式离心泵性能产生不利影响,为了探究不同流量工况下泄漏涡结构及其运动轨迹的变化规律,本文采用SST k-ω湍流模型对半开式离心泵进行全流道数值模拟,分析了泄漏涡的结构特征和泄漏流速度分布,改进了泄漏涡运动轨迹预测模型。结果表明,数值模拟值得到的外特性与试验值吻合较好;叶顶泄漏流相对速度的弦向分量的最小值出现的位置与泄漏涡的初始位置重合,并且随着流量的减小向上游移动。叶片进口边负的弦向分量导致回流的形成,而法向分量的增大是导致小流量工况前缘溢流和大流量工况叶片尾缘二次泄漏流的根本原因。叶顶间隙内速度梯度较大的泄漏流会引发高熵产,并且与主流混掺形成泄漏涡,在泄漏涡周围同样引发高熵产,高熵产区面积随着流量的减小而增大。改进轨迹预测模型用叶顶间隙进口的平均速度代替了原先叶轮进口平均速度,扩展了预测范围,减小了预测结果的误差,说明改进模型能够很好地预测泄漏涡核的迁移轨迹。

关键词：离心泵泄漏涡 Omega涡识别准则前缘溢流熵产

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汽轮机叶顶汽封泄漏涡诱导下的压力脉动研究

振动与冲击 2020年第6期39卷 82-88页

作者：李盼曹丽华司和勇孟宾东北电力大学能源与动力工程学院吉林吉林132012

以某汽轮机级为研究对象,采用三维非定常数值模拟的方法,研究了动叶顶部汽封泄漏涡的涡动特性和泄漏涡影响下汽封腔室内的压力脉动规律。结果表明:叶顶汽封腔室内存在周向螺旋状涡与壁角涡组成的多尺度涡系,涡系的位置和影响范围会随时... 详细信息

以某汽轮机级为研究对象,采用三维非定常数值模拟的方法,研究了动叶顶部汽封泄漏涡的涡动特性和泄漏涡影响下汽封腔室内的压力脉动规律。结果表明:叶顶汽封腔室内存在周向螺旋状涡与壁角涡组成的多尺度涡系,涡系的位置和影响范围会随时间经历复杂的变化。叶顶汽封腔室内的压力脉动频率中兼具叶轮旋转的周期性频率和溃散为小尺度涡结构后的高频率。间隙内的多尺度涡结构和动静叶间交替变化的压力场在汽封间隙内的传播是引起汽封腔室内周向压力不均的主要原因。

关键词：汽轮机泄漏涡压力脉动叶顶汽封数值模拟

离心压气机近失速工况叶尖流场特征及泄漏涡面涡模型

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推进技术 2018年第11期39卷 2472-2480页

作者：洪树立黄国平陆惟煜杨雨轩南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室江苏南京210016

为研究航空微型涡轮发动机离心压气机的失速机理,采用数值模拟的方法,对压气机在设计点和近失速点的流场特征进行了研究,并对叶尖泄漏涡进行了建模。结果表明:在近失速工况下,更多的来自轮毂处的低能流和二次流会汇入叶轮通道近壁面的... 详细信息

为研究航空微型涡轮发动机离心压气机的失速机理,采用数值模拟的方法,对压气机在设计点和近失速点的流场特征进行了研究,并对叶尖泄漏涡进行了建模。结果表明:在近失速工况下,更多的来自轮毂处的低能流和二次流会汇入叶轮通道近壁面的低速区,使得叶尖的堵塞加重,泄漏涡轨迹的偏转及其卷吸作用可能是造成这种现象的原因。通过在压气机机匣外侧引入虚拟镜像涡的方法,应用机翼涡对的不稳定性理论和面涡模型对泄漏涡建立了模型。应用该模型对本文研究的离心压气机以及三个国内外具有典型代表性的压气机进行了预测,表明模型得到的频率同计算和实验结果具有较好的吻合性,对德国宇航院压气机的预测频率与其实际频率的误差仅为2.8%。总体而言,当间隙高度较大时,模型的预测更为准确。

关键词：离心压气机压气机失速泄漏涡面涡模型流场

基于大涡模拟的轴流泵叶顶泄漏涡瞬态特性分析

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农业工程学报 2015年第11期31卷 74-80页

作者：张德胜石磊陈健耿琳琳吴苏青江苏大学流体机械工程技术研究中心镇江212013

为了深入掌握轴流泵叶顶区湍流特性,采用大涡模拟方法对某一模型轴流泵内部非定常流动进行了数值模拟。根据时域和频域特性图,分析间隙内压差和泄漏速度之间的关联现象,讨论了叶顶间隙内泄漏流的瞬态特性。根据三维泄漏涡结构,揭示了轴... 详细信息

为了深入掌握轴流泵叶顶区湍流特性,采用大涡模拟方法对某一模型轴流泵内部非定常流动进行了数值模拟。根据时域和频域特性图,分析间隙内压差和泄漏速度之间的关联现象,讨论了叶顶间隙内泄漏流的瞬态特性。根据三维泄漏涡结构,揭示了轴流泵叶顶区不同类型的涡系,叶顶泄漏涡带在剪切层内涡丝动力的驱动下逐渐变长,然后与射流剪切层分离;叶顶间隙内涡团的瞬态变化大于叶顶泄漏涡的周期性变化,导致剪切层内的小尺度涡的生成周期时间较短,其在主泄漏涡带上方形成了小尺度泄漏流涡带。从叶顶轴平面的涡结构可发现,随着弦长系数的增大,剪切层内的分离涡不断被分离并且被叶顶泄漏涡卷吸,在主泄漏涡向相邻叶片压力面的运动过程中,其涡量不断减小,并且在转轮室端壁面附近不断诱导各种尺度的涡产生。

关键词：泵泄漏湍流大涡模拟叶顶泄漏涡瞬态特性

不同叶顶间隙下半开式混流泵空化及叶顶泄漏涡特性研究

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不同叶顶间隙下半开式混流泵空化及叶顶泄漏涡特性研究

作者：王金鹏西安理工大学

学位级别：硕士

半开式混流泵由于叶顶间隙的存在会产生叶顶泄漏流,叶顶间隙处的叶顶泄漏涡会引起空化并对内流场及设备性能产生重要影响。研究叶顶间隙变化对半开式混流泵空化及叶顶泄漏涡的影响具有重要的学术价值和工程意义。本文以某一三级半开式... 详细信息

半开式混流泵由于叶顶间隙的存在会产生叶顶泄漏流,叶顶间隙处的叶顶泄漏涡会引起空化并对内流场及设备性能产生重要影响。研究叶顶间隙变化对半开式混流泵空化及叶顶泄漏涡的影响具有重要的学术价值和工程意义。本文以某一三级半开式叶轮混流泵为研究对象,采用数值模拟和模型实验相结合的研究方法,在不同叶顶间隙下对模型泵的空化特性及其演变规律进行研究,进而开展叶轮内的能量转换及损失性能进行分析,并对叶顶泄漏涡特性及压力脉动与叶轮受力情况进行了深入研究,主要结果如下:(1)在无空化前提下研究不同叶顶间隙对三级混流泵的性能的影响,结果表明叶顶间隙的存在导致模型泵扬程、效率降低,叶顶间隙越大影响越明显;使用SST k-ω湍流模型进行数值计算,发现在空化工况下首级叶轮叶顶间隙越大,扬程下降越慢,当NPSHa=0.51m时三种模型均进入全空化工况;随着叶顶间隙增大叶轮流道内的气相体积分数降低,增压能力变强。其原因是叶顶间隙能够抑制半开式叶轮混流泵的空化情况,分析是由于叶顶间隙泄漏流有助于破坏叶轮进口处的低压空泡区,抑制叶轮内部的空化程度。(2)采用局部能量损失法以及熵产理论对首级叶轮的能量转换及损失特性进行研究发现,叶轮对流体的输入功主要是压力做功,随着有效空化余量的降低,做功较大的区域从叶片头部向尾部移动,叶轮传递给流体的输入功、输出功逐步降低,而功率损失逐步增加。其原因是随着空化现象的发生降低了叶轮的增压能力;而随着叶顶间隙的增大,叶轮传递给流体的输入功、有效功逐步降低,功率损失逐步增加,但是随着有效空化余量的降低,输入功、有效功降低的幅度以及功率损失增加的幅度降低;分析发现叶顶间隙主要对叶片头部区域产生的输入功、有效功产生影响。全空化工况下叶轮尾部区域功率损失大幅增加,主要是由尾部射流导致。叶轮部件是混流泵内产生能量耗散的主要区域,以湍流耗散为主;随着NPSHa的增大熵产率变大,同样叶顶间隙处也会产生较大的能量耗散,并且叶顶间隙增大引起能量耗散增加,但随着NPSHa降低叶顶处的能量耗散增大的幅度降低。(3)采用非定常计算的数值模拟计算方法,对叶顶泄漏涡空化、叶轮内部压力脉动、轴向力和径向力的变化进行研究发现,随着有效空化余量的降低,在叶轮入口气相体积分数增加,叶轮内部的涡面积明显增加;叶顶间隙增大后叶轮流道内的涡流反而减少,尤其在全空化工况下最明显;各监测点的主频为叶轮的转频,可见模型泵压力脉动主要是由于叶轮转动引起,另外在7倍频处也出现了较为强烈的压力脉动,说明动静干涉对该模型泵压力脉动具有一定程度的影响;叶顶间隙的存在能够有效降低叶轮所受轴向力的大小,也能降低轴向力的脉动情况,在不同的有效空化余量条件下临界空化工况叶轮所受的轴向力最大。叶顶间隙及有效空化余量的变化对叶轮所受径向力方向及大小也会产生影响,但变化规律复杂,δ=0mm叶轮在临界空化工况点的径向力波动幅度最大,轨迹偏移最明显。

关键词：半开式叶轮混流泵叶顶间隙泄漏涡空化压力脉动

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汽轮机叶顶汽封间隙泄漏涡动特性研究

润滑与密封 2019年第10期44卷 32-36,42页

作者：李盼曹丽华孟宾常昕烨司和勇东北电力大学能源与动力工程学院

采用三维非定常数值模拟的方法,研究叶顶汽封间隙泄漏涡的结构和涡动频谱特性,并分析汽封各腔室内涡核中心点的径向高度随间隙的变化规律。结果表明:汽轮机叶顶汽封腔室内存在腔室涡和围带壁面涡2种稳定耗散的涡;随着叶顶间隙高度的增加... 详细信息

采用三维非定常数值模拟的方法,研究叶顶汽封间隙泄漏涡的结构和涡动频谱特性,并分析汽封各腔室内涡核中心点的径向高度随间隙的变化规律。结果表明:汽轮机叶顶汽封腔室内存在腔室涡和围带壁面涡2种稳定耗散的涡;随着叶顶间隙高度的增加,围带壁面涡涡核的径向高度降低,而腔室涡涡核的径向高度升高;从汽封的入口到出口,腔室涡的涡动随流动变得剧烈,频率增加,波动的幅度变大;围带壁面涡的涡动会在不同腔室内交替变换,齿前的围带壁面涡产生的压力波动最为剧烈,是汽封腔室内最不稳定的一类涡动。

关键词：汽轮机叶顶汽封泄漏涡腔室涡围带壁面涡

非定常等离子体扰动下的叶顶泄漏涡演化机理探讨

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非定常等离子体扰动下的叶顶泄漏涡演化机理探讨

作者：林燕哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

高负荷、小展弦比涡轮叶片设计方案的采用使得间隙两侧压力梯度增大,叶顶泄漏流动加剧,形成了复杂的涡系结构,从而使得气动损失增加。目前,等离子体流动控制技术正处于迅猛发展的状态,尤其是非定常激励因消耗能量少,可与流场频率相耦合... 详细信息

高负荷、小展弦比涡轮叶片设计方案的采用使得间隙两侧压力梯度增大,叶顶泄漏流动加剧,形成了复杂的涡系结构,从而使得气动损失增加。目前,等离子体流动控制技术正处于迅猛发展的状态,尤其是非定常激励因消耗能量少,可与流场频率相耦合等优点而备受关注,其在改善涡轮的流场结构,提高涡轮的气动效率方面具有广阔的前景,为控制间隙流动提供了新思路。在改进的Shyy模型的基础上,本文对比分析了有/无非定常激励下涡轮平面叶栅的流动结构,探索了其激励所产生的旋涡结构与叶栅流场内涡系结构的相互抑制/诱发机理,探讨了压力、流速、旋涡强度、能量损失系数等参数随激励周期的变化规律。计算结果显示,非定常激励在压力边侧诱导产生诱导涡1,加速了分离泡的破碎过程,减少了低能流体的产生,此外,其在吸力边侧诱导形成诱导涡2,占据了一定的纵向间隙高度,使得间隙流动受到阻碍,泄漏流量随之降低,并且在2/4T时刻达到最小。在非定常激励的作用下,间隙泄漏流体向尾缘方向偏转,推迟了泄漏涡的形成,泄漏涡的强度和尺寸均减小,所在位置上移并且向吸力边靠近,其保持稳定的涡核结构的能力被削弱,沿流向发展所持续的距离缩短,泄漏涡提前发生破碎现象,此外,在2/4T时刻,泄漏涡的强度达到最小,其所对应的能量损失最小。在此基础上,本文探讨了非定常激励参数,即激励强度、激励频率和占空因子对改善间隙流动的作用效果,分析了泄漏流量、旋涡强度等参数的响应规律,探讨了叶栅流场内的旋涡结构及流线的分布特性。随着激励强度和占空因子的增大,泄漏流量均减小,泄漏涡的尺寸和强度逐渐减小,其与轴向弦长的夹角随之减小,泄漏涡的稳定性减弱,向下游发展,其保持稳定的旋涡结构所持续的距离逐渐缩短。其次,激励频率仅对靠近叶顶间隙尾缘区域的泄漏流量有所影响,因此,泄漏涡的发展仅在此区域内有所不同。

关键词：间隙流动非定常激励泄漏涡激励强度激励频率占空因子

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翼型间隙泄漏涡空化机理研究

翼型间隙泄漏涡空化机理研究

作者：陆于衡上海交通大学

学位级别：硕士

间隙泄漏流动是一种在水力机械中非常常见的现象。由于间隙中剪切流动的存在,其附近及下游流场中,易出现涡旋结构。在部分流速相对较高,压力相对较低的工况下,由间隙泄漏引起的空化现象常常发生。这类现象会对水力机械的效率产生不利的... 详细信息

间隙泄漏流动是一种在水力机械中非常常见的现象。由于间隙中剪切流动的存在,其附近及下游流场中,易出现涡旋结构。在部分流速相对较高,压力相对较低的工况下,由间隙泄漏引起的空化现象常常发生。这类现象会对水力机械的效率产生不利的影响,引起振动以及局部设备材料的侵蚀剥落。这类流动伴随着强烈的非定常特性和多样的二次流动,具有非常复杂的流动机理,而空化引起的汽液两相间的质量相互输运,使泄漏涡空化的机理更加复杂。因此,本文针对这类流动的流动特性进行实验和数值计算的研究。本文主要以不同间隙尺寸的三维水翼为研究对象,对不同条件下,间隙翼型流场中的压力脉动,涡量等流动特性进行分析,研究各种特性之间的相互关系,分析不同因素对间隙空化的影响。主要内容如下:首先针对为发生空化的带间隙翼型流动进行了实验和数值计算。实验中对监测点的压力脉动进行了测量。并对多个不同条件下的压力脉动的数据进行了时域和频域分析,发现布置在翼型间隙侧前缘位置的传感器的压力脉动幅度,与布置在后缘位置的相比,后者的整体幅度更大,且该幅度随着翼型攻角的增大,有较为明显的提高。利用FFT实现的频域分析给出了带有间隙的翼型绕流流场中各个传感器监测点的压力脉动频域特性。结果表明对于不同的流量、攻角等条件,各个传感器处的压力脉动较低的主要频率保持较为稳定,但更大的攻角和流量会导致一些较高的脉动频率的出现。另外,靠近间隙侧翼型后缘上方处流场的压力脉动,受翼型间隙尺寸的影响较为明显。数值计算分析了未发生空化的间隙翼型流动下游的涡量进行了分析,通过涡量区域的强度与相对位置,解释了不同流场参数对流动的具体影响。随后利用数值模拟对带有间隙的翼型绕流模型进行了数值模拟,对比了不同RANS模型对于流动特征计算的准确程度。发现RANS模型对于由泄漏涡引起的空化涡带长度预测均有一定的不足,且间隙较大时,由于对泄漏涡速度预测过低,各种模型对于泄漏涡起始点的预测均有较大误差。最后,由于现有文献中对空化与湍动能的关系的分析较少。利用现有湍动能对空化影响的关系,对间隙空化进行分析。获得了湍动能与流场中涡量分布的关系的规律,并分析了湍动能在时间上变化的规律。结果表明两者的分布相关性很高。通过湍动能与矢量云图,比较分析了翼型压力面圆角对泄漏流动的影响,并揭示了其不同的流动特性。

关键词：泄漏涡湍动能空化湍流模型

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离心泵叶顶泄漏涡结构特性研究

设备管理与维修 2023年第4期 81-82页

作者：李帅中国石油大庆石化分公司炼油厂黑龙江大庆163000

采取改进后的湍流模型,研究大流量工况、额定工况与小流量工况下离心泵全流道泄漏涡结构特性,分析泄漏流与泄漏涡的产生及分布。研究结果表明,改进后的模型在预测精度与预测范围方面全部优于原模型,可以精确预测泄漏涡的形成和轨迹。

关键词：离心泵泄漏涡 Omega涡识别准则前缘溢流熵产