斜流泵啟動過程瞬態(tài)非定常內(nèi)流特性及實驗研究.pdf

1、斜流泵快速啟動過程表現(xiàn)出區(qū)別于穩(wěn)態(tài)過程的特殊性質(zhì)，其瞬態(tài)工作特性可為泵系統(tǒng)提供瞬時流體動力，但瞬態(tài)效應(yīng)引起的水力激振、沖擊負載和空化破壞將對泵裝置和管路系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來嚴重影響。因此，研究斜流泵啟動過程瞬態(tài)水力特性和內(nèi)流機理，建立斜流泵適用于瞬態(tài)工作環(huán)境的設(shè)計、優(yōu)化和應(yīng)用方法具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。
　　 目前，斜流泵瞬態(tài)流動的研究理論十分缺乏。本文在斜流泵穩(wěn)態(tài)工況非定常流動特性研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計具有較好穩(wěn)態(tài)

2、水力性能和汽蝕性能的研究模型，建立準穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)啟動內(nèi)部流動的數(shù)值計算方法和葉輪轉(zhuǎn)子動態(tài)特性的耦合模型，搭建斜流泵瞬態(tài)啟動性能測試實驗臺。采用數(shù)值計算和實驗研究相結(jié)合的方法，對斜流泵瞬態(tài)外特性和內(nèi)部瞬態(tài)流動機理進行研究，為斜流泵瞬態(tài)工作過程中的非定常流動控制和優(yōu)化提供理論依據(jù)。
　　 1.采用二元理論優(yōu)化設(shè)計了2種斜流泵模型，并通過穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算方法對斜流泵模型在不同轉(zhuǎn)速下的外特性和汽蝕性能進行預(yù)測分析。由于方案a的無量綱外特性和汽

3、蝕性能均優(yōu)于方案b。因此，將具有良好穩(wěn)態(tài)水力性能的方案a模型作為本文啟動過程瞬態(tài)內(nèi)流特性研究的水力模型。
　　 2.采用準穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算方法分別對斜流泵模型在750、1150、1450r/min穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速下的外特性和內(nèi)流場進行分析，并數(shù)值預(yù)測了1450r/min穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速下不同工況點的外特性和內(nèi)流場分布。由于準穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算方法忽略了葉片旋轉(zhuǎn)加速對外特性的影響，數(shù)值預(yù)測的瞬態(tài)外特性結(jié)果與實驗瞬態(tài)外特性存在較大差別。對比準穩(wěn)態(tài)工況與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)

4、速不同流量下的內(nèi)部非定常流動，準穩(wěn)態(tài)工況內(nèi)流場呈現(xiàn)一定的相似性，內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)明顯區(qū)別于穩(wěn)態(tài)工況因流量變化引起的周期性非定常流動。
　　 3.針對準穩(wěn)態(tài)數(shù)值方法預(yù)測斜流泵啟動過程瞬態(tài)水力特性準確性差的問題，建立了斜流泵啟動過程瞬態(tài)性能的數(shù)值計算方法。提出采用滑移交界面對斜流泵啟動過程進行數(shù)值模擬，通過CEL表達式控制葉輪加速度，通過改變變量賦值來達到不同的啟動效果，瞬態(tài)數(shù)值計算方法預(yù)測的瞬態(tài)外特性與實驗結(jié)果吻合較好，相比準穩(wěn)態(tài)數(shù)值

5、計算的內(nèi)流場，瞬態(tài)數(shù)值計算方法解析的內(nèi)部流動因考慮葉輪旋轉(zhuǎn)加速度和流體慣性力的影響表現(xiàn)出更強烈的非定常性，并由此帶來不同于準穩(wěn)態(tài)工況的瞬態(tài)外特性。
　　 4.基于瞬態(tài)流動的數(shù)值計算結(jié)果，首次采用雙向交替流固耦合方法對斜流泵啟動過程中的葉輪流場和結(jié)構(gòu)場進行聯(lián)合求解，獲得了斜流泵啟動過程瞬態(tài)效應(yīng)對葉輪應(yīng)力和應(yīng)變的影響規(guī)律。葉輪旋轉(zhuǎn)加速度帶來的瞬時水流沖擊對葉輪輪轂處造成了更大的應(yīng)力集中，最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)幾何倍數(shù)增長。動應(yīng)力和變形量隨

6、轉(zhuǎn)速變化趨勢為斜流泵葉輪的瞬態(tài)水力特性優(yōu)化設(shè)計及可靠運行提供理論參考。
　　 5.建立斜流泵瞬態(tài)性能測試實驗臺，進行了瞬態(tài)外特性、PIV內(nèi)流測量和瞬態(tài)壓力脈動測量。通過改造進口管結(jié)構(gòu)首次實現(xiàn)了對斜流泵垂直軸截面進口流場的PIV拍攝。實驗得到的外特性結(jié)果、瞬態(tài)的速度矢量場和壓力脈動數(shù)據(jù)為斜流泵瞬態(tài)流動機理的探索提供了真實有效數(shù)據(jù)，同時為檢驗數(shù)值計算方法的正確性提供參考。
　　 6.研究結(jié)果表明，斜流泵瞬態(tài)流動的PIV測試和

7、壓力脈動結(jié)果與瞬態(tài)外特性實驗結(jié)果較為吻合，斜流泵啟動過程的瞬態(tài)效應(yīng)是葉輪加速度、管阻特性、流體慣性與內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果，瞬態(tài)內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)的演化直接表現(xiàn)為揚程、負載的瞬態(tài)沖擊與瞬時流量的滯后效應(yīng)。瞬態(tài)無量綱揚程曲線偏離穩(wěn)態(tài)無量綱曲線，說明啟動過程的瞬態(tài)水力特性不具有相似性，準穩(wěn)態(tài)方法不適用于揭示斜流泵瞬態(tài)工作過程的內(nèi)流特性。在獲取瞬時流體動力的同時，瞬態(tài)效應(yīng)對葉輪造成的水力沖擊應(yīng)該進行有效控制。本文的研究內(nèi)容和結(jié)論可以為應(yīng)用于瞬態(tài)