離心泵進口回流流場特性及其控制研究.pdf

1、本文在國家杰出青年基金項目“離心泵基礎理論和節(jié)能關鍵技術研究”(編號:50825902)、國家自然科學基金“離心泵內部非定常流動誘導振動和噪聲機理”(編號:50979034)和江蘇省科技計劃項目“離心泵葉輪進出口回流的生成機理及流動規(guī)律”(編號:BK2009218)的資助下開展工作。
　　 水泵在小流量工況下運行時,葉輪進口處不可避免地會產生回流。回流的存在不但消耗能量而且使得進口流場中出現(xiàn)流量和壓力脈動,進而誘導產生振動噪聲。

2、回流會引起產生漩渦汽蝕,降低水泵的運行可靠性。本文通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗研究,系統(tǒng)分析了回流產生的因為,回流流場的速度及壓力分布,壓力脈動特點和回流漩渦在葉輪轉動過程中的發(fā)展變化過程及其動態(tài)特性等。同時,提出了在進口處注入高壓水的回流控制方案,并對其控制效果進行了數(shù)值模擬驗證。主要研究內容及創(chuàng)新點有:
　　 1.本文通過理論分析,探討了回流產生的因為,認為造成葉輪進口回流的兩個必要因素是流道內的流動分離和與主流方向垂直的強

3、壓力梯度。產生回流的關鍵因素不是葉輪進口處的液流角,而是葉輪流道喉部的平均相對速度與葉片進口邊頂端的相對速度之比?；亓魇紫劝l(fā)生在葉片壓力面頂端,在離心力的作用下,回流區(qū)主要集中在前蓋板處。
　　 2.采用標準k-ε湍流模型進行了不同工況下離心泵內部三維湍流流場的數(shù)值模擬,對回流發(fā)生和發(fā)展過程中流場的特性進行了分析。通過對速度分布,壓力分布和漩渦形態(tài)的分析發(fā)現(xiàn):模型泵回流發(fā)生的關鍵流量點為0.7Qd；回流發(fā)生后,隨流量的減小,回流

4、強度增加,回流漩渦的體積變大,堵塞部分流道；葉輪進口截面和流道進口處的軸面回流速度、進水管內的預旋強度增加,預旋在進水管中的影響距離變大；進水管內由于預旋產生的低壓區(qū)面積隨回流強度的增加而變大,低壓區(qū)域在進水管內呈螺旋形分布。
　　 3.采用大渦模擬方法,對發(fā)生進口回流的各工況流場進行了非定常計算,在流場不同位置處設置了監(jiān)測點,采集并分析了各點處的壓力脈動數(shù)據(jù)。首次結合流場各截面靜壓分布和漩渦強度隨時間變化的情況,提出了回流漩渦

5、的動態(tài)特性分析方法。分析結果表明:監(jiān)測點處的壓力脈動均在葉片通過頻率處出現(xiàn)峰值,并且波峰處的峰值隨流量的減小而逐漸增大；小流量工況下,回流漩渦對流場的影響更加明顯,由于流動分離和湍流的作用,在低于軸頻的頻段出現(xiàn)了寬頻脈動增強,流量越小,寬頻脈動增強越強烈；回流漩渦隨葉輪一起繞進水管中心線旋轉,且不同流量下出現(xiàn)的漩渦數(shù)量和漩渦強度不同；當流道掃過蝸殼出水斷面時,流道進口回流初生,在一個葉輪旋轉周期內,回流完成從初生、發(fā)展、衰減到消失的全過

6、程。隨著各流道內相對速度和壓力梯度的變化,流道進口回流漩渦呈現(xiàn)不同形態(tài)。
　　 4.對進口回流進行了試驗研究,通過可視化試驗,利用高速攝影儀拍攝不同工況不同時刻下的進水管流場,從而分析進水管流場的速度分布。并利用壓力變送器采集進水管不同位置處的壓力脈動數(shù)據(jù)。試驗發(fā)現(xiàn):回流會在離心泵進水管內造成預旋,隨著流量的減小,預旋在進水管中的影響距離增大。流量為0時,進水管內會形成柱狀渦帶；流量為0～0.6Qd時,進水管內的壓力脈動峰值變化