軸流泵內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、軸流泵作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的一種,具有大流量、低揚(yáng)程的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田灌溉、市政給排水、大型調(diào)水工程、船舶推進(jìn)器、船塢升降水等方面,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門中占有重要地位。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),水泵耗電量約占全國(guó)總發(fā)電量的20%以上,其中軸流泵占有相當(dāng)大的比例。因此,在國(guó)家自然科學(xué)基金“軸流泵轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉非定常相干機(jī)理及其誘導(dǎo)壓力脈動(dòng)的研究(51079063)”的資助下,對(duì)軸流泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究,可深入揭示其內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律和瞬態(tài)物理結(jié)構(gòu)場(chǎng)的演化機(jī)理,從而指導(dǎo)

2、設(shè)計(jì)以提高軸流泵效率,對(duì)節(jié)能減排有著重要的意義。本文的主要工作和取得的成果如下:
　　 1.通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)以及對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的調(diào)研,改進(jìn)了傳統(tǒng)軸流泵的軸承布置方式,設(shè)計(jì)了葉輪與導(dǎo)葉間的軸向距離控制裝置,采用了有機(jī)玻璃透明外筒來(lái)代替所研究區(qū)域管道等,并最終按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)搭建了滿足軸流泵外特性測(cè)試及內(nèi)部流場(chǎng)PIV測(cè)試的試驗(yàn)臺(tái)。
　　 2.采用數(shù)值計(jì)算方法,通過(guò)研究不同葉頂間隙大小對(duì)軸流泵性能及內(nèi)流場(chǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)隨著葉頂間隙

3、的增加,軸流泵性能的下降與間隙的增加程度并不成線性關(guān)系,當(dāng)葉頂間隙大小與葉輪直徑比值超過(guò)1.67‰時(shí),泵性能下降幅度開(kāi)始增大;并捕捉到了不同葉頂間隙下泄漏流及泄漏渦的形態(tài);為了保證PIV實(shí)驗(yàn)用軸流泵的運(yùn)行安全性,以及最大程度地保留高效軸流泵的內(nèi)流特征,最終選擇葉頂間隙大小S/D=2.5‰。
　　 3.采用新設(shè)計(jì)的標(biāo)定方式,取得了良好的PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果,該結(jié)果表明:靠近葉片進(jìn)口邊外緣處,在小流量下由于葉頂泄漏形成一個(gè)低速區(qū)域;在葉輪

4、與導(dǎo)葉之間間隙處,靠近外緣部分也存在一低速區(qū)域,并隨著流量的增加該低速區(qū)域向?qū)~方向移動(dòng),同時(shí),小流量下其內(nèi)部流場(chǎng)向外緣方向偏轉(zhuǎn);在葉輪輪轂與導(dǎo)葉輪轂之間存在一個(gè)不規(guī)則旋渦區(qū)域,在小流量下該旋渦范圍超出了輪轂半徑,并影響主流;在導(dǎo)葉出口以后的小流量下,流場(chǎng)向輪轂側(cè)偏轉(zhuǎn),而大流量下則基本與軸向平行。
　　 4.采用高密度結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,以RNGκ-ε為湍流模型對(duì)PIV實(shí)驗(yàn)用軸流泵進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,結(jié)果與外特性及PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致;對(duì)葉輪內(nèi)

5、部不同軸向高度處的軸面速度沿半徑方向分布規(guī)律進(jìn)行研究,結(jié)果表明:葉輪進(jìn)口處的軸向速度分布較為平緩;從軸向高度35%處至葉輪出口,葉頂間隙對(duì)流場(chǎng)的影響范圍逐漸減小;在小流量下,葉輪出口輪轂處存在回流,在35%軸向高度處,葉頂間隙內(nèi)的軸向速度與主流方向相反,并呈現(xiàn)拋物線形式分布。
　　 5.對(duì)葉輪內(nèi)部不同軸向高度及導(dǎo)葉進(jìn)口前垂直截面上的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)0.8Qopt、1.0Qopt和1.2Qopt三個(gè)工況下均不同程度的在葉

6、輪吸力面與輪轂交接處附近出現(xiàn)旋渦,隨著軸向高度的增加,旋渦逐漸耗散,并在導(dǎo)葉進(jìn)口前消失;小流量下,從葉輪進(jìn)口至導(dǎo)葉進(jìn)口垂直截面上,外緣的速度分布先從由外向內(nèi)偏轉(zhuǎn),再變成由內(nèi)向外偏轉(zhuǎn)。
　　 6.對(duì)葉頂間隙內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn):在小流量下葉片進(jìn)口邊頭部處葉頂間隙內(nèi)的流動(dòng)方向與主流相反,而大流量下仍然與主流方向相同;當(dāng)泄漏達(dá)到一定程度之后,在葉頂端面靠近壓力面處出現(xiàn)一個(gè)低壓旋渦區(qū),泄漏液體在這里發(fā)生流動(dòng)分離后出現(xiàn)再附著現(xiàn)象。隨著流量的