多級離心泵內(nèi)部非定常流動(dòng)及脈動(dòng)特性分析.pdf

1、多級離心泵的效率高、揚(yáng)程大，被廣泛地應(yīng)用于城市給水、森林消防、農(nóng)田灌溉、石油化工等國民經(jīng)濟(jì)重要領(lǐng)域。多級離心泵一般裝有兩個(gè)以上串聯(lián)的葉輪，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。旋轉(zhuǎn)的葉輪產(chǎn)生的交變激勵(lì)力極易造成泵過流部件疲勞失效，同時(shí)誘發(fā)的振動(dòng)也會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。一般來說，葉輪—導(dǎo)葉間的動(dòng)靜干涉、旋轉(zhuǎn)失速和空化等不穩(wěn)定流動(dòng)是造成離心泵內(nèi)振動(dòng)和噪聲的主要原因，本文研究的重點(diǎn)是多級離心泵內(nèi)三維非定常流動(dòng)及其誘發(fā)的脈動(dòng)特性。
　　本文以額定流量不同

2、的兩臺(tái)多級離心泵為研究對象，應(yīng)用ANSYS CFX軟件對兩泵的前兩級流道在不同工況條件下進(jìn)行三維定常和非定常數(shù)值計(jì)算，詳細(xì)分析其內(nèi)部流動(dòng)情況、空化特性以及壓力脈動(dòng)特性，并對兩泵進(jìn)行對比分析。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　1.多級泵內(nèi)定常流動(dòng)分析
　　主要內(nèi)容:利用ANSYS CFX軟件，采用SIMPLEC算法和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，對兩多級離心泵全流道內(nèi)流場進(jìn)行三維定常數(shù)值模擬，得到了兩泵的外特性曲線并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，并且

3、初步分析了兩多級泵內(nèi)的流動(dòng)特性。
　　主要結(jié)論:數(shù)值計(jì)算得到的揚(yáng)程和效率值均略優(yōu)于實(shí)驗(yàn)值，兩者相對誤差小于6％，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性;首級導(dǎo)葉具有良好的導(dǎo)流作用，為下一級葉輪進(jìn)口提供了高質(zhì)量的速度入流;由于葉輪和導(dǎo)葉的劇烈動(dòng)靜干涉作用，導(dǎo)致該處流動(dòng)紊亂十分劇烈，出現(xiàn)靜壓分布不均和湍動(dòng)能值過大等現(xiàn)象。在小流量工況下尤為明顯，小泵整體流動(dòng)情況較大泵更優(yōu)。
　　2.多級泵內(nèi)非定常流動(dòng)分析
　　主要內(nèi)容:選用RNGk-ε湍流

4、模型對兩多級離心泵內(nèi)前兩級流動(dòng)進(jìn)行三維非定常數(shù)值計(jì)算，獲得了兩泵在不同時(shí)刻的靜壓強(qiáng)分布，并對兩泵做了對比;同時(shí)分析了在小流量工況下兩泵的旋轉(zhuǎn)失速特性，初步的揭示兩泵內(nèi)部非定常流動(dòng)特性;此外，在兩多級泵內(nèi)關(guān)鍵位置處布置壓力測點(diǎn)，重點(diǎn)對監(jiān)測點(diǎn)在不同流量工況下壓力脈動(dòng)的時(shí)域和頻域特性作了深入對比分析。
　　主要結(jié)論:由于葉輪葉片厚度的影響，導(dǎo)致兩多級泵在葉輪出口處出現(xiàn)射流(一)尾跡結(jié)構(gòu);小流量工況下，不同時(shí)刻各流道內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)差異顯著，捕

5、捉到了葉輪流道內(nèi)旋轉(zhuǎn)失速的變化過程;首級導(dǎo)葉的存在是導(dǎo)致次級葉輪入口截面上不均勻流動(dòng)狀態(tài)的關(guān)鍵因素;在每級葉輪的出口與導(dǎo)葉進(jìn)口聯(lián)結(jié)處均存在著劇烈的動(dòng)靜耦合作用;盡管泵內(nèi)流道的整體幾何形狀復(fù)雜，葉片通過頻率仍支配著該兩級泵內(nèi)全流道的特征壓力脈動(dòng)，而導(dǎo)葉葉片數(shù)對壓力脈動(dòng)特征的影響較弱;葉輪內(nèi)與葉頻相對應(yīng)的壓力脈動(dòng)幅值自葉輪進(jìn)口到葉輪出口逐漸增大，且在葉輪出口處達(dá)到極大值，導(dǎo)葉中的相應(yīng)變化規(guī)律則與之相反;偏離最優(yōu)流量工況，葉頻仍占據(jù)統(tǒng)治地位，

6、但整個(gè)流道內(nèi)的壓力脈動(dòng)幅值增大，該趨勢在小流量工況下尤為明顯。
　　3.多級泵內(nèi)空化性能分析
　　主要內(nèi)容:基于Rayleigh-Plesset汽蝕模型和SIMPLEC算法對兩多級離心泵首級葉輪導(dǎo)葉全流道進(jìn)行了汽蝕數(shù)值模擬，得到了不同汽蝕余量下的葉輪葉片附近空化相體積分布和壓力分布圖;對標(biāo)準(zhǔn)流量工況下首級葉輪進(jìn)行了完整的數(shù)值計(jì)算，清楚地觀察到了葉輪葉片附近從無汽蝕、汽蝕初生到汽蝕發(fā)展的一系列變化過程，計(jì)算得到了兩泵的臨界汽蝕