小流量下離心泵低頻汽蝕壓力脈動數(shù)值模擬與試驗研究.pdf

1、本文是在國家杰出青年基金項目“離心泵基礎(chǔ)理論和節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究”(50825902)、“國家自然科學(xué)基金“離心泵內(nèi)部非定常流動誘導(dǎo)振動和噪聲機理研究”(50979034)和江蘇省自然基金“離心泵葉輪進出口回流生成機理及流動規(guī)律”(BK2009218)的資助下開展工作的。
　　 離心泵廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域,隨著科技發(fā)展和社會需要,越來越朝高速小型化方向發(fā)展。當高速運轉(zhuǎn)的水泵在小流量、低進口壓力下運行時,由于進口回流和旋渦的

2、存在,進口管路和葉輪局部壓力可能低于流體汽化壓力,即汽蝕系數(shù)降到它的臨界值,因而初生汽蝕,進一步發(fā)展會形成強烈的低頻汽蝕,激發(fā)頻率低強度大的壓力脈動。本文對小流量下離心泵內(nèi)部汽蝕流動進行了數(shù)值模擬和實驗研究,主要研究內(nèi)容和成果有:
　　 1.總結(jié)了汽蝕的主要類型,闡述了離心泵汽蝕問題的研究進展。初步分析了小流量下離心泵低頻汽蝕發(fā)生與離心泵進口回流的理論關(guān)系。
　　 2.采用四種數(shù)值模擬方案,應(yīng)用ANSYS CFX12.0

3、軟件對離心泵內(nèi)部流動進行定常數(shù)值計算,同時將各方案的離心泵性能預(yù)測結(jié)果與試驗進行對比。重點對比分析了大流量和小流量工況下葉輪內(nèi)部的速度和壓力分布,初步揭示了方案二(基于k-ε湍流模型和以總壓進口、質(zhì)量流量出口為進出口邊界)對小流量工況下離心泵全流道內(nèi)流動分離較明顯,對離心泵性能預(yù)測相對誤差不大,初步認為可將其定常計算結(jié)果作為定常汽蝕計算的初始值。
　　 3.在離心泵定常數(shù)值模擬設(shè)置的基礎(chǔ)上,通過加載汽蝕模型對其內(nèi)部汽蝕流動進行整

4、機數(shù)值計算。揭示了各個流量下離心泵汽蝕時其內(nèi)部流場特征,分析了不同工況下離心泵的汽蝕性能。主要結(jié)論有:
　　 (1)小流量工況下,隨著汽蝕系數(shù)逐漸減小,葉輪流道靜壓和汽泡分布不均勻,個別流道低壓區(qū)和氣穴長度存在先增大后減小再增大的變化規(guī)律；泵吸入管流道內(nèi)回流產(chǎn)生的漩渦逐漸減少至消失,流動趨于均勻,同時管道內(nèi)有汽泡產(chǎn)生,并有先增大后減少最后消失的變化規(guī)律。
　　 (2)設(shè)計流量下,隨著汽蝕系數(shù)逐漸減少,葉片各流道靜壓和汽泡

5、分布逐漸趨于均勻?qū)ΨQ；大流量時,汽蝕由初生、發(fā)展到嚴重的過程中,各葉片流道低壓區(qū)和汽泡呈均勻?qū)ΨQ分布；設(shè)計流量和大流量時,泵吸入管道內(nèi)始終未見汽泡產(chǎn)生。
　　 (3)隨著進口總壓不斷降低,小流量時,汽蝕系數(shù)下降并出現(xiàn)震蕩變化的規(guī)律,設(shè)計流量和大流量時,汽蝕系數(shù)隨著進口總壓降低接近線性變化的關(guān)系。從模型泵汽蝕性能曲線來看,小流量汽蝕時揚程突降前有一段先緩慢下降后上升再下降的變化過程；大流量揚程先是緩慢下降,到一臨界值發(fā)生突降。

6、r>　　 4.首次在小流量工況下離心泵定常汽蝕計算的結(jié)果的基礎(chǔ)上,考慮時間變化對汽蝕的影響,進行非定常汽蝕計算。得到小流量工況下各葉輪流道汽泡分布隨時間交替變化情況,且分布極不對稱；靠近葉輪進口和葉片吸力面處壓力脈動具有最明顯的低頻高幅特征。葉輪進口和葉片吸力面各點的汽蝕壓力脈動主頻范圍為3.38Hz～10.14Hz,泵進口流道內(nèi)各點壓力脈動主頻范圍為0.24Hz～9.9Hz，靠近葉輪流道出口各點的壓力脈動主頻均為泵的轉(zhuǎn)頻48.3Hz