離心泵多設(shè)計(jì)方案下內(nèi)流PIV測(cè)試及其非定常全流場(chǎng)數(shù)值模擬.pdf

1、本文系國(guó)家自然基金(編號(hào)：50649029)和高校博士點(diǎn)基金(編號(hào)：20050299006)資助項(xiàng)目。 離心泵是應(yīng)用最廣泛的流體機(jī)械之一，其中低比轉(zhuǎn)速離心泵一直存在效率不高，汽蝕性能較差，內(nèi)部流動(dòng)不穩(wěn)定等問(wèn)題。隨著現(xiàn)代流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)及CFD技術(shù)的發(fā)展，對(duì)離心泵開(kāi)展PIV內(nèi)部流動(dòng)測(cè)試及動(dòng)靜耦合的非定常全流場(chǎng)數(shù)值模擬是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外泵領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)離心泵內(nèi)部非定常流動(dòng)現(xiàn)象和特點(diǎn)的分析，提出開(kāi)展多種設(shè)計(jì)方案下的離心泵內(nèi)部三

2、維非定常全流場(chǎng)的數(shù)值模擬及PIV試驗(yàn)的對(duì)比研究，旨在較全面細(xì)致地了解不同設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的離心泵全流場(chǎng)流動(dòng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，捕獲非定常流動(dòng)特征，為離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)離心泵性能的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。本文主要研究工作和創(chuàng)造性成果有： 1.在全面系統(tǒng)分析國(guó)內(nèi)外離心泵內(nèi)部流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，對(duì)離心泵內(nèi)部流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了較全面深入的分析，并針對(duì)離心泵內(nèi)部三維粘性湍流流動(dòng)的計(jì)算模型和計(jì)算方法進(jìn)行了討論。 2.采用先進(jìn)的PI

3、V技術(shù)，開(kāi)展了離心泵內(nèi)部流動(dòng)的PIV測(cè)試研究。自行搭建了離心泵專用PIV試驗(yàn)臺(tái)，針對(duì)離心泵葉輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制造了滿足PIV測(cè)試要求的模型泵。首次對(duì)采用不同設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)出的四種方案離心泵葉輪內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了多工況下PIV測(cè)試的對(duì)比研究，結(jié)果表明：采用低比速設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的葉輪流道內(nèi)相對(duì)速度基本沿葉片型線方向流動(dòng)，葉片吸力面無(wú)尾流現(xiàn)象存在；采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的葉輪，流道進(jìn)口處葉片對(duì)流體排擠嚴(yán)重，易形成氣泡；采用較短短葉片設(shè)計(jì)的葉輪流道內(nèi)流

4、體由吸力面流向壓力面，葉片進(jìn)口處存在明顯旋渦區(qū)，且隨流量的增加旋渦區(qū)逐漸縮?。徊捎幂^長(zhǎng)短葉片設(shè)計(jì)的葉輪內(nèi)相對(duì)速度分布較紊亂，長(zhǎng)葉片和短葉片吸力面處均存在明顯旋渦區(qū)。 3.首次對(duì)采用不同設(shè)計(jì)方法所得五種方案離心泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了單個(gè)葉輪、葉輪蝸殼動(dòng)靜耦合的定常流動(dòng)和非定常流動(dòng)的數(shù)值模擬對(duì)比研究。采用RANS雷諾時(shí)均方程進(jìn)行數(shù)值求解，以RNG к-ε湍流模型來(lái)封閉雷諾應(yīng)力項(xiàng)，應(yīng)用SIMPLEC算法進(jìn)行不可壓縮流動(dòng)壓力場(chǎng)的求解，實(shí)現(xiàn)了對(duì)

5、五種設(shè)計(jì)方案下葉輪內(nèi)部流場(chǎng)的三維粘性湍流數(shù)值模擬。通過(guò)與PIV實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了所建數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)流量工況及非設(shè)計(jì)流量工況下五種方案葉輪內(nèi)部流動(dòng)速度、壓力、湍動(dòng)能分布的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)：低比速設(shè)計(jì)的葉輪流道內(nèi)流體基本沿葉片型線方向流動(dòng)，較大流速出現(xiàn)在葉片吸力面附近，葉輪出口吸力面?zhèn)葻o(wú)低速尾流區(qū)存在，與PIV測(cè)試結(jié)果一致；常規(guī)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的葉輪，在葉片吸力面出口處存在低速尾流區(qū)，葉片壓力面距頭部1/3處出現(xiàn)一較大范

6、圍的低速旋渦區(qū)，使主流區(qū)的速度明顯增大；長(zhǎng)短葉片葉輪葉片進(jìn)口壓力面附近存在明顯的低速旋渦區(qū)，流體從長(zhǎng)葉片吸力面橫向流向壓力面，與PIV測(cè)試結(jié)果一致；由于短葉片的存在防止了尾流的產(chǎn)生和發(fā)展，長(zhǎng)葉片吸力面出口未出現(xiàn)低速尾流區(qū)；當(dāng)短葉片向長(zhǎng)葉片吸力面偏置時(shí)，平衡了短葉片兩側(cè)流道內(nèi)的流動(dòng)，流動(dòng)更為均勻。通過(guò)對(duì)五種葉輪設(shè)計(jì)方案的分析和評(píng)估，為最終進(jìn)行離心泵葉輪優(yōu)化水力設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。 4.基于分塊耦合及局部加密的方法生成三維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

7、，采用凍結(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)部件法及多重參考坐標(biāo)系模型，對(duì)離心泵包括蝸殼在內(nèi)的全三維流場(chǎng)進(jìn)行了定常數(shù)值模擬，結(jié)果表明：蝸殼進(jìn)口速度和壓力沿周向分布呈明顯的周期性波動(dòng)特征，葉輪出口射流和尾流區(qū)的存在與否及所處位置與泵的流量及葉輪結(jié)構(gòu)形式有很大關(guān)系，進(jìn)一步證實(shí)了離心泵內(nèi)從葉輪到蝸殼整個(gè)流場(chǎng)的強(qiáng)非對(duì)稱流動(dòng)特征。通過(guò)不同設(shè)計(jì)方案及不同流量工況下的數(shù)值模擬對(duì)比分析，揭示了葉輪和蝸殼之間的動(dòng)靜干涉對(duì)流場(chǎng)的影響。通過(guò)對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)方案不同流量工況下的數(shù)值模擬，數(shù)值預(yù)測(cè)

8、了離心泵的性能曲線，并與外特性實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和性能預(yù)測(cè)的可行性，為離心泵的性能優(yōu)化提供了途徑。 5.由于離心泵內(nèi)的非定常流動(dòng)能引起泵內(nèi)部和出口的壓力脈動(dòng)，進(jìn)而誘導(dǎo)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，不同設(shè)計(jì)方案離心泵的非定常特性也不同。本文針對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案，采用滑移網(wǎng)格的非定常CFD方法實(shí)現(xiàn)了整機(jī)全三維非定常流場(chǎng)的數(shù)值模擬，揭示了離心泵內(nèi)部流動(dòng)周期性波動(dòng)特性和非穩(wěn)定流動(dòng)特征。蝸殼隔舌附近的壓力波動(dòng)幅值最大，蝸殼

9、出口斷面上的壓力波動(dòng)幅值最??；小流量工況下，各方案的瞬時(shí)揚(yáng)程波動(dòng)不大，隨流量的增大瞬時(shí)揚(yáng)程波動(dòng)幅值明顯增大；低比速設(shè)計(jì)的葉輪瞬時(shí)揚(yáng)程波動(dòng)較大，常規(guī)設(shè)計(jì)的葉輪瞬時(shí)揚(yáng)程波動(dòng)最?。徊捎瞄L(zhǎng)短葉片的葉輪，短葉片偏向吸力面時(shí)瞬時(shí)揚(yáng)程波動(dòng)最小。首次從非定常流動(dòng)角度對(duì)不同設(shè)計(jì)方法所得葉輪進(jìn)行了對(duì)比評(píng)估，并為進(jìn)一步進(jìn)行離心泵內(nèi)部流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲和誘導(dǎo)振動(dòng)研究提供了基礎(chǔ)。 6.本文首次系統(tǒng)地進(jìn)行了離心泵多設(shè)計(jì)方案的外特性實(shí)驗(yàn)、PIV測(cè)試和不同層次的數(shù)值