新型側(cè)流道泵內(nèi)部流動數(shù)值計算與試驗研究.pdf

1、本文的研究工作是在國家自然科學(xué)基金重點項目“水力機械空化特性及對策”（51239005）和國家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項目（201408320163）的資助下開展的。
　　側(cè)流道泵是一種介于容積式泵和離心泵之間的徑向式葉片泵，由葉輪一側(cè)有一個橫截面為半圓形的側(cè)流道而得名，通常具有超低比轉(zhuǎn)數(shù)特性和自吸能力，其體積小、流量低。與普通離心泵相比，側(cè)流道泵作為一種新型泵，更適用于極端條件下氣液兩相流體和接近臨界狀態(tài)流體的輸送，應(yīng)用越來越廣

2、泛。但是，側(cè)流道泵內(nèi)部流動復(fù)雜，水力效率相對較低，本文在旋渦泵設(shè)計的基礎(chǔ)上研發(fā)出一種命名為SCP35.2_IMb15_Z24的開式側(cè)流道泵，并對其優(yōu)化設(shè)計，為開發(fā)水力性能更優(yōu)、應(yīng)用領(lǐng)域更寬的側(cè)流道泵提供依據(jù)。本文的主要工作和創(chuàng)造性成果有：
　?。?）利用CFD對側(cè)流道泵內(nèi)部流動進行了分析，指出側(cè)流道泵內(nèi)流體從進口進入葉輪流道后，開始以螺旋形式往返于葉輪流道和側(cè)流道中，最終從出口流出；葉輪中的徑向漩渦影響側(cè)流道泵的性能，而縱向漩渦則

3、有利于流體在葉輪與側(cè)流道中的交換。
　?。?）研究了側(cè)流道泵徑向葉片吸力面形狀對側(cè)流道泵性能的影響，具體分析了葉片吸力面三角形底角對側(cè)流道泵性能的影響。在一定范圍內(nèi)，葉片吸力角越大，側(cè)流道泵性能越好，尤其是側(cè)流道泵的揚程受葉片吸力角影響明顯。同時，利用基于動量守恒定律和交換質(zhì)量流量獲得的一種側(cè)流道泵性能的理論評價方法，在無試驗條件下驗證數(shù)值計算結(jié)果的可靠性。
　?。?）討論了不同葉片吸力角葉輪流道內(nèi)速度矢量分布特點，從內(nèi)部流

4、動形式分析了葉片吸力角對側(cè)流道泵性能的影響。葉片吸力角越小，葉片背面流道空間越大，葉輪流道中有部分流體并未流向側(cè)流道，同時有部分流體撞擊壁面，損失較大；但是葉片吸力角較大，側(cè)流道中流向葉輪流道中的部分流體剛好沿著葉片吸力面的壁面進入，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，這部分流體恰好流入下一個葉片流道，然后繼續(xù)向側(cè)流道中流動，完成下一個能量交換。
　?。?）首次討論了開式側(cè)流道泵內(nèi)部湍流流動強度特性，分析了側(cè)流道泵內(nèi)壓力和速度分布規(guī)律，并對不同方案側(cè)

5、流道泵內(nèi)部湍流特性進行了比較。研究結(jié)果表明，葉片吸力角越大，側(cè)流道泵內(nèi)部交換運動越激烈，無論葉輪流道還是側(cè)流道，整體湍流強度也就越大；葉輪與側(cè)流道交界面附近流體受到了從葉輪中進入側(cè)流道和從側(cè)流道中返回至葉輪流道過程中的相反方向交換作用，導(dǎo)致葉輪流道靠近葉片工作面中部的壓力波動強度較大。
　　（5）通過數(shù)值計算方法首次研究了開式側(cè)流道泵葉輪和側(cè)流道內(nèi)部壓力脈動特點。葉輪和側(cè)流道內(nèi)監(jiān)測點均出現(xiàn)振蕩式的壓力脈動，葉輪流道內(nèi)監(jiān)測點除了旋轉(zhuǎn)

6、至側(cè)流道中斷處之外的其他位置上壓力脈動規(guī)律幾乎相同，側(cè)流道上監(jiān)測點壓力脈動在整個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的規(guī)律基本相同。從葉輪與側(cè)流道上監(jiān)測點的頻域特性來看，葉輪流道和側(cè)流道內(nèi)主要壓力脈動激振頻率相同，均為軸頻的整數(shù)倍，說明葉輪和側(cè)流道之間的交換作用產(chǎn)生相應(yīng)的壓力脈動，脈動頻率與流體在葉輪和側(cè)流道之間的交換次數(shù)有關(guān)，這是側(cè)流道泵內(nèi)部壓力脈動區(qū)別于其他離心泵或軸流泵的顯著特點。不同葉輪方案監(jiān)測點壓力脈動幅值相差不大，說明葉片吸力角對主要激振頻率下的壓力

7、脈動幅值影響較小。
　?。?）利用熱力學(xué)第二定律，借鑒了一種基于熵產(chǎn)的流動損失分析方法，主要通過計算流動過程中增加的熵產(chǎn)，定性分析了側(cè)流道泵內(nèi)部流動損失特點。葉輪流道內(nèi)的損失主要出現(xiàn)在葉輪內(nèi)緣至0.4 r處，且吸力面流動損失大于同一半徑壓力面上的流動損失。在側(cè)流道內(nèi)，流動損失主要出現(xiàn)在流道進口、流道中間靠近內(nèi)緣部分以及出口附近，這些區(qū)域的流動軌跡有明顯漩渦。從不同葉輪方案對比來看，葉片吸力角越大，相鄰葉片區(qū)域內(nèi)能量轉(zhuǎn)化程度越大，側(cè)