離心泵啟動(dòng)過(guò)程瞬態(tài)流動(dòng)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、離心泵啟動(dòng)過(guò)程是一類(lèi)特殊的瞬態(tài)過(guò)程，利用離心泵的啟動(dòng)可為特殊的應(yīng)用場(chǎng)合提供瞬時(shí)流體動(dòng)力；同時(shí)大功率泵在啟動(dòng)過(guò)程中的瞬時(shí)特性可能引起設(shè)備和管道系統(tǒng)的沖擊破壞或過(guò)大的負(fù)載。目前對(duì)離心泵啟動(dòng)過(guò)程的內(nèi)部瞬態(tài)流動(dòng)缺乏系統(tǒng)的研究，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)離心泵啟動(dòng)過(guò)程的性能預(yù)測(cè)、優(yōu)化和流動(dòng)控制是一個(gè)重要課題。
　　 本文以處在啟動(dòng)過(guò)程中的離心泵為研究對(duì)象，針對(duì)離心泵在啟動(dòng)過(guò)程中表現(xiàn)出的特殊瞬態(tài)水力性能，建立離心泵啟動(dòng)過(guò)程瞬態(tài)流動(dòng)的數(shù)值模擬與診斷方法，建立

2、離心泵性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分別從數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的角度探索引起外部非定常效應(yīng)的內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理。論文的主要內(nèi)容包括以下五個(gè)方面：
　　 第一，為驗(yàn)證基于動(dòng)網(wǎng)格的有限體積法在求解邊界移動(dòng)引起的非定常流動(dòng)時(shí)的有效性和準(zhǔn)確性，對(duì)圓柱瞬時(shí)平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)平動(dòng)啟動(dòng)引起的二維非定常不可壓黏性流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，采用彈簧近似模型和網(wǎng)格重構(gòu)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)該過(guò)程的流場(chǎng)變形。模擬結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果從定性和定量上均吻合較好，證明該方法在求解邊界移動(dòng)引

3、起的非定常流動(dòng)時(shí)的有效性。
　　 第二，針對(duì)單獨(dú)采用動(dòng)網(wǎng)格方法模擬葉輪加速啟動(dòng)所引起的網(wǎng)格更新質(zhì)量下降的問(wèn)題，提出采用區(qū)域動(dòng)態(tài)滑移方法保證葉輪啟動(dòng)過(guò)程網(wǎng)格的更新質(zhì)量，成功的將動(dòng)網(wǎng)格方法推廣應(yīng)用到離心泵二維和三維模型啟動(dòng)過(guò)程的瞬態(tài)流動(dòng)求解。同時(shí)，為消除啟動(dòng)過(guò)程外部指定非定常進(jìn)出口邊界條件所引起的誤差，提出建立離心泵循環(huán)管路系統(tǒng)的三維數(shù)值模型，通過(guò)數(shù)值求解的自身耦合性實(shí)現(xiàn)了無(wú)需指定邊界條件即可準(zhǔn)確求解啟動(dòng)過(guò)程的瞬態(tài)流動(dòng)。
　　

4、 第三，建立離心泵瞬態(tài)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由動(dòng)力蓄能裝置、模型泵、管路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和電氣控制系統(tǒng)五部分組成。對(duì)泵啟動(dòng)過(guò)程的外特性，如瞬時(shí)流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速和軸扭矩的變化進(jìn)行測(cè)試和采集：采用PIV內(nèi)流測(cè)量方法對(duì)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行拍攝，得到與外特性相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的速度矢量場(chǎng)，為探索離心泵啟動(dòng)過(guò)程瞬態(tài)流動(dòng)機(jī)理提供真實(shí)的參考依據(jù)。
　　 第四，建立與該實(shí)驗(yàn)臺(tái)等效的離心泵循環(huán)管路系統(tǒng)三維數(shù)值模型，在與啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)同等邊界條件下，求

5、解該數(shù)值模型內(nèi)部瞬態(tài)流動(dòng)。將實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，兩者同時(shí)在瞬態(tài)外特性和內(nèi)特性上吻合較好。
　　 第五，基于瞬態(tài)流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，采用過(guò)流斷面和邊界渦量流兩種渦動(dòng)力學(xué)診斷方法對(duì)離心泵啟動(dòng)過(guò)程的內(nèi)部瞬態(tài)流動(dòng)進(jìn)行診斷。
　　 研究結(jié)果顯示，泵啟動(dòng)過(guò)程無(wú)量綱揚(yáng)程偏離穩(wěn)態(tài)值的外部原因是啟動(dòng)加速度的變化形式，內(nèi)部原因是水流慣性和瞬時(shí)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的不斷演化。啟動(dòng)初期瞬時(shí)外特性主要表現(xiàn)為低流量下瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程和功率的快

6、速上升，瞬時(shí)無(wú)量綱揚(yáng)程從無(wú)窮大快速下降至低于穩(wěn)態(tài)水平；啟動(dòng)中期流量快速增長(zhǎng)，引起瞬時(shí)功率的增長(zhǎng)率高于瞬時(shí)揚(yáng)程；啟動(dòng)后期啟動(dòng)加速度降為零，轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定值，流量增長(zhǎng)減緩，瞬時(shí)揚(yáng)程和功率經(jīng)過(guò)波動(dòng)沖擊達(dá)到穩(wěn)態(tài)水平。啟動(dòng)全過(guò)程瞬時(shí)流量表現(xiàn)出三次曲線(xiàn)的增長(zhǎng)特性。閥門(mén)全關(guān)啟動(dòng)時(shí)的電機(jī)功率將表現(xiàn)出明顯的瞬時(shí)沖擊。
　　 啟動(dòng)過(guò)程內(nèi)部流動(dòng)演化呈現(xiàn)強(qiáng)烈的瞬態(tài)特性，采用基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè)的思想對(duì)應(yīng)用于啟動(dòng)過(guò)程的離心泵進(jìn)行設(shè)計(jì)是不適合的。本文的研究?jī)?nèi)容和結(jié)