低比速離心泵小流量工況內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)流動特性研究.pdf

1、本文的研究是在國家自然科學(xué)基金“帶分流葉片離心泵流固耦合誘導(dǎo)振動特性研究”(51009072)和國家科技支撐計劃項目“百萬千瓦級核電離心泵關(guān)鍵技術(shù)研究”(2011BAF14B04)的資助下完成的。
　　低比速離心泵具有小流量、高揚程的特點，在給水排水、石油化工、農(nóng)業(yè)工程、能源工程和航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。工程實際中，低比速離心泵常在偏工況的小流量下運行，常伴有駝峰，其水力性能、運行可靠性及穩(wěn)定性均會降低，因此對小流量下低比速

2、離心泵內(nèi)部流場的分析顯得尤為重要。本文采用理論研究、數(shù)值模擬和PIV(ParticleImage Velocity)測量相結(jié)合的研究方法，對IS50-32-160低比速離心泵小流量下非穩(wěn)態(tài)流動特性進行了詳細的分析，主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　1.系統(tǒng)總結(jié)了采用PIV試驗和數(shù)值模擬技術(shù)對離心泵內(nèi)各種非穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象研究的國內(nèi)外進展;歸納了流體力學(xué)中基本控制方程的基本形式及幾種非直接數(shù)值模擬方法;介紹了本次試驗所采用PIV裝置的具體參數(shù)和

3、試驗步驟。
　　2.對0.6Qd和1.0Qd工況進行了PIV試驗，分析了不同相位下絕對速度與相對速度圖。研究結(jié)果表明:葉輪內(nèi)絕對速度和相對速度均隨著半徑的增大逐漸增大，同一半徑處速度從壓力面向吸力面變化不大;不同相位下的絕對速度與相對速度分布總體趨勢一致，隨著葉片與隔舌夾角的減小，葉輪進口的絕對速度值逐漸減小，相對速度值逐漸增大;0.6Qd工況速度梯度大于1.0Qd工況，更加容易發(fā)生非穩(wěn)態(tài)流動現(xiàn)象。
　　3.進行了網(wǎng)格無關(guān)性

4、驗證，通過改變整體網(wǎng)格數(shù)量并首次改變?nèi)~輪網(wǎng)格數(shù)量，并分析了四種網(wǎng)格塊結(jié)構(gòu)對計算結(jié)果的影響，得到了最經(jīng)濟和適用于本方案的網(wǎng)格;對比分析了三種湍流模型在0.6Qd和1.0Qd設(shè)計流量下的模擬精度。研究結(jié)果表明:整體網(wǎng)格數(shù)量的增加對葉輪內(nèi)絕對速度的影響較大，對蝸殼內(nèi)絕對速度影響較小;葉輪網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的變化不僅會影響到葉輪內(nèi)速度，而且對蝸殼內(nèi)速度分布也有較大的影響;不同湍流模型預(yù)測泵內(nèi)部速度場存在差異，綜合考慮選取基于SST模型的分離渦模型(Det

5、ached Eddy Simulation，DES)最優(yōu)。
　　4.采用DES模型對0.4Qd、0.5Qd和0.6Qd三種小流量工況進行了非定常數(shù)值計算，研究結(jié)果表明:靠近隔舌的流道內(nèi)均存在漩渦，漩渦從壓力面開始產(chǎn)生，隨著葉片向隔舌靠近，葉輪出口的漩渦逐漸增大，而隨著其遠離隔舌，流道內(nèi)的渦逐漸減小并向吸力面移動。隨著流量的減小，隔舌對葉輪內(nèi)相對速度的干擾作用加強，尤其是葉輪出口處的速度分布，加劇了流道內(nèi)速度分布的不均勻性及“射流-

6、尾跡”結(jié)構(gòu)?？剖狭葱D(zhuǎn)作用在流動過程中一直起著主導(dǎo)作用，且隨著流量減小科氏力作用增強。通過對葉輪出口絕度速度、葉輪進出口速度環(huán)量及泵內(nèi)部損失的分析找到了造成0.4Qd及0.5Qd揚程下降的主要原因是葉輪內(nèi)的流動損失。
　　5.對葉輪和蝸殼監(jiān)測點壓力信號進行了頻域分析，發(fā)現(xiàn)了監(jiān)測點的主要頻率峰值在0～400Hz之間，葉輪內(nèi)的主要脈動頻率為軸頻及其倍頻，脈動強度在軸頻最大，葉頻最小;蝸殼內(nèi)監(jiān)測點主要脈動頻率為葉頻及其倍頻，葉頻下脈動