軸流泵內部流場數(shù)值計算及實驗研究.pdf

1、軸流泵作為旋轉機械的一種,具有大流量、低揚程的特點,被廣泛應用于農田灌溉、市政給排水、大型調水工程、船舶推進器、船塢升降水等方面,在國民經濟各部門中占有重要地位。據不完全統(tǒng)計,水泵耗電量約占全國總發(fā)電量的20%以上,其中軸流泵占有相當大的比例。因此,在國家自然科學基金“軸流泵轉輪和導葉非定常相干機理及其誘導壓力脈動的研究(51079063)”的資助下,對軸流泵內部流場進行研究,可深入揭示其內部流動規(guī)律和瞬態(tài)物理結構場的演化機理,從而指導

2、設計以提高軸流泵效率,對節(jié)能減排有著重要的意義。本文的主要工作和取得的成果如下:
　　 1.通過查閱相關文獻以及對國內外研究現(xiàn)狀的調研,改進了傳統(tǒng)軸流泵的軸承布置方式,設計了葉輪與導葉間的軸向距離控制裝置,采用了有機玻璃透明外筒來代替所研究區(qū)域管道等,并最終按照相關標準搭建了滿足軸流泵外特性測試及內部流場PIV測試的試驗臺。
　　 2.采用數(shù)值計算方法,通過研究不同葉頂間隙大小對軸流泵性能及內流場的影響,發(fā)現(xiàn)隨著葉頂間隙

3、的增加,軸流泵性能的下降與間隙的增加程度并不成線性關系,當葉頂間隙大小與葉輪直徑比值超過1.67‰時,泵性能下降幅度開始增大;并捕捉到了不同葉頂間隙下泄漏流及泄漏渦的形態(tài);為了保證PIV實驗用軸流泵的運行安全性,以及最大程度地保留高效軸流泵的內流特征,最終選擇葉頂間隙大小S/D=2.5‰。
　　 3.采用新設計的標定方式,取得了良好的PIV實驗結果,該結果表明:靠近葉片進口邊外緣處,在小流量下由于葉頂泄漏形成一個低速區(qū)域;在葉輪

4、與導葉之間間隙處,靠近外緣部分也存在一低速區(qū)域,并隨著流量的增加該低速區(qū)域向導葉方向移動,同時,小流量下其內部流場向外緣方向偏轉;在葉輪輪轂與導葉輪轂之間存在一個不規(guī)則旋渦區(qū)域,在小流量下該旋渦范圍超出了輪轂半徑,并影響主流;在導葉出口以后的小流量下,流場向輪轂側偏轉,而大流量下則基本與軸向平行。
　　 4.采用高密度結構化網格,以RNGκ-ε為湍流模型對PIV實驗用軸流泵進行數(shù)值計算,結果與外特性及PIV實驗結果一致;對葉輪內

5、部不同軸向高度處的軸面速度沿半徑方向分布規(guī)律進行研究,結果表明:葉輪進口處的軸向速度分布較為平緩;從軸向高度35%處至葉輪出口,葉頂間隙對流場的影響范圍逐漸減小;在小流量下,葉輪出口輪轂處存在回流,在35%軸向高度處,葉頂間隙內的軸向速度與主流方向相反,并呈現(xiàn)拋物線形式分布。
　　 5.對葉輪內部不同軸向高度及導葉進口前垂直截面上的流動規(guī)律進行研究,結果發(fā)現(xiàn)0.8Qopt、1.0Qopt和1.2Qopt三個工況下均不同程度的在葉

6、輪吸力面與輪轂交接處附近出現(xiàn)旋渦,隨著軸向高度的增加,旋渦逐漸耗散,并在導葉進口前消失;小流量下,從葉輪進口至導葉進口垂直截面上,外緣的速度分布先從由外向內偏轉,再變成由內向外偏轉。
　　 6.對葉頂間隙內流場進行分析發(fā)現(xiàn):在小流量下葉片進口邊頭部處葉頂間隙內的流動方向與主流相反,而大流量下仍然與主流方向相同;當泄漏達到一定程度之后,在葉頂端面靠近壓力面處出現(xiàn)一個低壓旋渦區(qū),泄漏液體在這里發(fā)生流動分離后出現(xiàn)再附著現(xiàn)象。隨著流量的