离心泵内部流动不稳定机理及其控制策略研究
项目介绍
AI项目解读
基本信息
- 批准号:51536008
- 项目类别:重点项目
- 资助金额:300.0万
- 负责人:
- 依托单位:
- 学科分类:E0602.内流流体力学
- 结题年份:2020
- 批准年份:2015
- 项目状态:已结题
- 起止时间:2016-01-01 至2020-12-31
- 项目参与者:窦华书; 罗先武; 许洪元; 李昳; 林培锋; 樊红刚; 李晓俊; 陈小平; 林哲;
- 关键词:
项目摘要
Centrifugal pump is of vital importance in aerospace, nuclear power, and petrochemical industries, etc. Unstable operation of the device is the main problem affecting its industrial application. The main reason is the emergence of various unstable flow structures in pumps such as vortices, secondary flows and separations. However, so far researches in these fields are not sufficient in China and overseas. Some key scientific problems need to be resolved, which include the accurate numerical solution of the full flow field under small flow rate condition, the characterization of instability of internal flow, and the relationship between the internal flow instability and the unstable external performance of pumps. .The project is based on the background of centrifugal pumps used in aerospace engines and petroleum chemical industries. The purpose is to carry out systematic and in-depth study on the internal flow instability of centrifugal pumps from theoretical analysis, numerical simulation and experiments; to construct the dynamic subgrid stress model for large eddy simulation based on the Reynolds stress constraints and Lagrange track average; to carry out numerical solution of the entire flow field of centrifugal pump in the whole flow range; to establish parametric characterization and criterion of flow instability of internal flow based on the energy gradient function; to determine the mapping relationship between unstable external characteristics and internal flow instability; to further reveal the mechanism of internal flow instability and decide the control strategy; to provide technical support for improving the design theory of high performance centrifugal pumps. Therefore, this project would lay theoretical foundation for the design and development of high-end centrifugal pump unit and reliable operation of devices in China, and provide technical reserves for the design method of rotary fluid machinery.
离心泵在航天、核电、石油化工等领域至关重要,运行不稳定是影响其设计应用的最主要难题,其主要原因是内部流动中出现旋涡、分离和二次流等不稳定流动结构所致。但目前国内外研究不够充分,小流量工况下全流场数值精确求解、内部流动不稳定表征及其与外特性不稳定的关联等关键科学问题未能有效解决。.项目以航天发动机和石油化工流程离心泵为研究背景,从理论分析、数值模拟和物理实验等方面对离心泵内部流动不稳定及控制策略开展系统深入的研究,构建基于雷诺应力约束和拉格朗日轨迹平均的动态亚格子应力模式,开展离心泵全工况全流场大涡模拟计算,建立基于能量梯度函数的内部流动不稳定参数化表征和判断准则,确定外特性不稳定与内部流动不稳定之间的映射关系,从而揭示离心泵内部流动不稳定机理并确定控制策略,为完善高性能离心泵设计理论提供技术支撑,为我国高端离心泵机组设计开发和可靠运行奠定理论基础,为丰富旋转流体机械设计方法提供技术储备。
结项摘要
离心泵在航天、核电、石油化工等领域至关重要,运行不稳定是影响其设计应用的最主要难题,其主要原因是内部流动中出现旋涡、分离和二次流等不稳定流动结构所致。但目前国内外研究不够充分,小流量工况下全流场数值精确求解、内部流动不稳定表征及其与外特性不稳定的关联等关键科学问题未能有效解决。.项目围绕离心泵内瞬态旋转湍流的LES模型构建及数值计算、离心泵内部流动不稳定参数化表征及预判、离心泵外特性不稳定及其控制策略研究开展了深入研究。在复杂流动的湍流模型构建方面,通过引入螺旋度约束构建非线性亚格子模型,通过引入动态系数完成PANS方法的修正,以及针对RANS湍流模型进行旋转曲率修正,最终完成了离心泵内部适用模型构建。其次在离心泵内部流动不稳定参数化表征及预判研究方面,完成了适用于离心泵的能量梯度公式推导,并将其用于离心泵内部不稳定流动表征;基于熵产分析方法进行了离心泵内外特性的关联研究,并揭示了离心泵进口不稳定流动的产生演化机理,及其对离心泵不稳定的影响;基于涡变化率与拉格朗日拟序结构完成翼型和离心泵的不稳定流动分析;同时还基于全局敏感性方法完成对复杂钝体系统绕流的稳定性分析。最后在离心泵内外特性关联机理方面,描述了离心泵的能量损失及其与内外特性的关联关系,揭示了能量损失和不稳定流动结构与叶片载荷分布的关系,基于欧拉扬程分布提出了叶轮“极限外径”的概念,发现欧拉扬程的最大值(即极限外径)与顺时针旋涡中心的径向位置一致,并随流量的减小向叶轮进口移动,最终基于叶片载荷分布对叶片边界涡量流的正负峰值区进行了几何优化,极大改善了小流量区的流动分离,并提高了全流量范围的水力效率。.研究成果完善了高性能离心泵设计理论,现已用于航空发动机离心泵和多款流程离心泵的性能预测和设计开发中,取得良好效果,极大提高效率,降低实验和生产成本。
项目成果
期刊论文数量(53)
专著数量(3)
科研奖励数量(2)
会议论文数量(2)
专利数量(6)
Effects of dimensional wall temperature on Reynolds stress budgets in a supersonic turbulent channel flow with thermally perfect gas
三维壁温度对热完美气体超音速湍流通道流雷诺应力预算的影响
- DOI:10.1080/10618562.2018.1532506
- 发表时间:2018
- 期刊:International Journal of Computational Fluid Dynamics
- 影响因子:1.3
- 作者:陈小平;Fei Fei
- 通讯作者:Fei Fei
Investigation of unsteady flow in a centrifugal pump at low flow rate
低流量离心泵非定常流动研究
- DOI:10.1177/1687814016682151
- 发表时间:2016
- 期刊:Advances in Mechanical Engineering
- 影响因子:2.1
- 作者:李昳;李晓俊;朱祖超;李凤琴
- 通讯作者:李凤琴
Numerical analyses of ventilated cavitation over a 2-D NACA0015 hydrofoil using two turbulence modeling methods
使用两种湍流建模方法对二维 NACA0015 水翼上的通风空化进行数值分析
- DOI:10.1007/s42241-018-0032-7
- 发表时间:2017
- 期刊:Journal of Hydrodynamics
- 影响因子:2.5
- 作者:杨丹丹;于安;季斌;周加建;罗先武
- 通讯作者:罗先武
Numerical Investigation of Transient Flow in a Prototype Centrifugal Pump during Startup Period
原型离心泵启动期间瞬态流动的数值研究
- DOI:10.1515/tjj-2015-0064
- 发表时间:2015
- 期刊:International Journal of Turbo Jet-Engines
- 影响因子:--
- 作者:张玉良;朱祖超;窦华书;崔宝玲;李昳;Zhao-Zhong Zhou
- 通讯作者:Zhao-Zhong Zhou
Turbulent Flows Over a Backward Facing Step Simulated Using a Modified Partially Averaged Navier–Stokes Model
使用修正的部分平均纳维斯托克斯模型模拟向后台阶上的湍流
- DOI:10.1115/1.4035114
- 发表时间:2017
- 期刊:Journal of Fluids Engineering
- 影响因子:--
- 作者:Renfang Huang;罗先武;Bin Ji;Qingfeng Ji
- 通讯作者:Qingfeng Ji
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- 通讯作者:俞晓莉
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- 发表时间:--
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- 影响因子:--
- 作者:朱祖超;崔宝玲;李昳;谭东华;偶国富
- 通讯作者:偶国富
其他文献
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