（流体机械及工程专业论文）低比转速复合叶轮离心泵非定常流场的数值模拟.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 离心叶轮是低比转速离心泵的主要过流部件之一，其作用是将原动机的机械能直接传 给流体，以提高液体的静压能和动压能，因此叶轮的结构对离心泵内部流场及性能有着至 关重要的作用。对此，本文基于三维n s 方程和r n gk - 湍流模型对具有4 叶片普通叶 轮、8 叶片和1 2 叶片复合叶轮的三台低比转速离心泵进行了非定常数值模拟，并进行了 外特性性能试验测试。主要研究内容如下： 采用p r o e 三维造型软件对4 叶片、8 叶片和1 2 叶片叶轮低比转速离心泵进行三维 整机全流场造型，并用c f d 软件f l u e n t 对其内部流动进行了数值模拟，分析了不同时 刻3 台离心泵内部的速度场和压力场；此外，在蜗壳具有代表性的四个断面的壁面附近以 及蜗舌部位设置了监测点，对蜗壳壁面附近的压力脉动进行了分析；最后，对三台低比转 速离心泵的外特性性能进行了数值预测和试验测试，并将数值结果和试验结果进行了对 比。经过分析，得出了以下结论： ( 1 ) 针对数值模拟得到的3 个叶轮内部不同时刻的速度场进行了分析，发现由于普通 叶轮中没有布置分流叶片，相邻长叶片间流道比较宽阔，流体的流动不可能完全被叶片所 夹持，使得长叶片压力面较厚边界层内的液体不能顺利排出，因此在4 叶片普通叶轮的 流道中存在大面积的低速回流区，这种现象在8 叶片复合叶轮中有所改善，而在1 2 叶片 叶轮中改善最为明显。在1 2 叶片叶轮中液流基本沿叶片的曲率流动，可见分流叶片在一 定程度上可以改善叶轮内部的速度分布； ( 2 ) 对数值模拟得到的3 个叶轮内部不同时刻的压力场进行了分析，发现1 2 叶片叶 轮内部的静压分布较为均匀，静压曲线基本上沿圆周方向分布，且静压系数明显大于4 叶片叶轮相同半径上叶片的静压系数。此外，蜗壳腔体以及出口的静压系数也较大，说明 分流叶片不仅可以改善泵内部的压力分布，同时也可以提高相同位置的压力值； ( 3 ) 对数值模拟得到蜗壳壁面附近的压力脉动进行了分析，表明复合叶轮可以改善蜗 壳内部的压力脉动，值得注意的是，复合叶轮产生的压力脉动的频率成分相比普通叶轮复 杂，在复合叶轮中，除了基频及其倍频外，长叶片产生的频率在低频区上也会占主导地位： ( 4 ) 针对3 台低比转速离心泵进行了外特性性能试验研究，试验结果表明，1 2 叶片叶 轮离心泵扬程较高，但随着叶片数的增大，轴功率会变大，在一定程度上会影响泵的效率。 关键字：离心泵；低比转速；复合叶轮；非定常；数值模拟 浙江理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h eo n eo fm a i nf l o w p a r t si nl o w - s p e c i f i c s p e e dc e n t r i f u g a lp u m p ，i m p e l l e ri s t o t r a n f o r mt h em e c h a n i c a le n e r g yo fo r i g i n a lm o t i v ei n t ot h ep r e s s u r ea n dk i n e t i ce n e r g yo fl i q u i d ， s ot h es t r u c t u r eo ft h ec e n t r i f u g a li m p e l l e rh a sac r u c i a lr o l eo nf l o wc o n d i t i o na n dp e r f o r m a n c e o fp u m p b a s e do nr e y n o l d s a v e r a g e dn a v i e r - s t o k e se q u a t i o n sa n dt h er n gk - st u r b u l e n c e m o d e l ，t h ew h o l ef l o wf i e l di nl o w - s p e c i f i c s p e e dc e n t r i f u g a lp u m pw i t hf o u r - b l a d e ，e i g h t 。 b l a d ea n dt w e l v e - b l a d ei m p e l l e rw a ss i m u l a t e dr e s p e c t i v e l yi nt h i st h e s i s a n dt h ee x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o nw a sa l s oc a r r i e do u to nt h r e el o w s p e c i f i c s p e e dc e n t r i f u g a lp u m p s t h em a i n c o n t e n t sw e r ea sf o l l o w s ： t h ew h o l ef l o wf i e l di nl o w - s p e c i f i c - s p e e dc e n t r i f u g a lp u m pw i t hf o u r - b l a d e ，e i g h t - b l a d e a n dt w e l v e - b l a d ei m p e l l e rw e r ec o m p l e t e db yt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r ep r o e ，t h e v e l o c i t ya n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni n s i d ep u m pf l o wf i e l dw e r es i m u l a t e db yu s i n gf l u e n t a t t h r e ed i f f e r e n tt i m e i na d d i t i o n ，t h e p r e s s u r e f l u c t u a t i o n sw e r ea n a l y z e db ys e t t i n gu p m o n i t o r i n gp o i n t sn e a rt h ew a l lo fv o l u t ea n dt o n g u e f i n a l l y , t h ep u m p e x t e m a lc h a r a c t e r i s t i c s r e a c h e db yn u m e r i c a lp r e d i c t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ec o m p a r e d a f t e ra n a l y s i s ， c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) f r o mt h ev e l o c i t ya n a l y s i s ，i tc a nb es e e nt h a tt h ec h a n n e lb e t w e e nt h et w ol o n gb l a d e s i sr e l a t i v e l yw i d ea n dt h ef l u i dc a n n o tb ec l a m p e dw e l lf o ro r d i n a r yi m p e l l e rw i t h o u ts p l i a e r b l a d e s a st h er e s u l t ，f l u i dc o m i n gf r o mt h et h i c kb o u n d a r yl a y e ro nb l a d ep r e s s u r es i d ec a nn o t b es u c c e s s f u l l yd i s c h a r g e d s ot h e r ee x i s t sal a r g ea r e ao fl o ws p e e dr e c i r c u l a t i o nz o n eb e t w e e n t w ob l a d e si n s i d ef o u rb l a d e si m p e l l e r , w h i c hi si m p r o v e di n s i d et h eo t h e rt w oi m p e l l e r sw i t h s p l i t t e rb l a d e s t os o m ee x t e n ts p l i t t e rb l a d ec a l li m p r o v ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni nt h ec h a n n e lo f i m p e l l e r ； ( 2 ) a sc a nb es e e ni nt h es t a t i cp r e s s u r ea n a l y s i s ，s t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni n s i d et w e l v e b l a d e si m p e l l e ri sm o r eu n i f o r ma n ds t a t i cp r e s s u r ec o e f f i c i e n ti ss i g n i f i c a n t l yg r e a t e rt h a nf o u r b l a d e si m p e l l e rb l a d e si nt h es a m er a d i u s ，t h es a m ec h a n g er u l e sc a nb e e na l s os e e ni n s i d e v o l u t ec h a m b e ra n dt h ee x i t a l li si n d i c a t i n gt h a ts p l i t t e rb l a d e sc a nn o to n l yi m p r o v et h e p r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni n s i d e t h ep u m p ，b u ta l s oi n c r e a s et h ep r e s s u r ea ts a m el o c a t i o n ； ( 3 ) f r o mp r e s s u r ef l u c t u a t i o na n a l y s i s ，n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m p l e xi m p e l l e r i i 浙江理工大学硕士学位论文 c a l l s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e t h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o ni n s i d ev o l u t ec h a m b e r c o m p a r e dw i t h o r d i n a r yi m p e l l e r , i t i sw o r t hn o t i n gt h a t 丘e q u e n e yc o m p o n e n t sg e n e r a t e db yt h ec o m p l e x i m p e l l e ri sm o r ec o m p l e x i na d d i t i o nt of u n d a m e n t a lf r e q u e n c ya n d i t sh a r m o n i c ，p r e s s u r e f l u c t u a t i o ng e n e r a t e db yt h el o n gb l a d e sp l a yt h ed o m i n a n tr o l ei nl o wf r e q u e n c yr e g i o nf o r c o m p l e xi m p e l l e r ； ( 4 ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h eh i g h e rh e a di s o b t a i n e db yt h ep u m pw i t ht w e l v e b l a d e s t h ep u m ps h a f tp o w e rb e c o m e sl a r g e rw i t ht h ei n c r e a s eo ft h en u m b e ro fb l a d e s ，w h i c h w i l la f f e c tp u m pe f f i c i e n c yt oac e r t a i ne x t e n t k e y w o r d s ：c e n t r i f u g a lp u m p ；l o w - s p e c i f i c s p e e d ；c o m p l e xi m p e l l e r ；u n s t e a d y ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i i i 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 课题的来源及意义 第一章绪论 作为流体传输中的关键设备，离心泵良好的性能水平对国家各工业领域的发展有着重 要的作用。但是，由于离心泵固有的结构以及工作特点，也就是离心泵蜗壳形状的三维非 轴对称性以及高速旋转的离心叶轮和静止蜗壳的动静干涉作用，会直接影响叶轮和蜗壳内 部的流场及离心泵的性能。研究表明，叶轮与蜗壳的动静干涉作用会导致泵内部流场产生 比较大的压力脉动，压力脉动和泵体部件的相互作用就会引起泵体振动【l 】，从而减少离心 泵的寿命，严重时甚至会损坏系统设备 2 1 。在一些特殊的场合，振动会体现为噪音进行传 播，不但会影响环境，而且对提高一些隐秘性极高的重大国防装备的反潜性是不利的 3 1 。 此外，一些大型的化工厂，作为动设备的离心泵所引起得压力波动会使得相关机械发生故 障，出现比较大的事故 4 1 。因此对离心泵内部流动的非定常特性进行研究具有重要的理论 意义和工程实用价值。 离心泵内流体的不稳定流动特别是压力脉动与很多因素都有关，虽然经过国内外学者 多年的研究，至今还没有总结出一个比较精确的理论可以用来预测离心泵内压力脉动的大 小【5 1 。有研究结果表明【6 】，离心泵内部压力脉动的成分可以分为三类，分别为随机脉动， 叶频倍频脉动以及轴频倍频脉动。随着科技的进步，泵的使用者对其工作时的稳定性、可 靠性及低噪音等性能要求越来越高，要想提高泵的这些性能，首先必须了解泵内部的流动 机理，找出问题所在才能有针对性地提高泵的性能。因此，研究泵内部流动机理，特别是 泵内部三维非定常流动特性，对抑制振动的发生，延长泵机组的寿命、减少噪音以及避免 灾重大灾难性事故的发生有着重要的意义。 本论文以三台具有不同叶片数的低比转速复合叶轮离心泵为研究对象，分别对其内部 非定常流场包括速度场、压力场随时间的变化进行了详细的研究，并对三台泵的外特性进 行了数值预测及实验测试，最终得出三台离心泵内部非稳态流场的特点以及不同叶片数叶 轮离心泵内的压力脉动特点，为改进该类型离心泵的结构，降低运行时的汽蚀、噪声和振 动提供了一定的理论依据。 本课题来源于浙江省自然科学基金人才项目( r 1 1 0 0 5 3 0 ) 。 浙江理工大学硕士学位论文 1 2 离心泵内部非定常流动研究现状 1 2 1 国外研究现状 1 9 8 2 年，d d n g 等7 】对一大型轴流式汽轮机动静翼型之间的气动干涉进行了试验研究， 试验中将转子和定子之间的间隙分别定为轴向长度的1 5 和6 5 。研究结果提出了叶轮和 导叶动静干扰的两个直接的机理为势流作用和尾迹作用，上游的势流主要体现在转子对定 子的影响，而下游的势流以及尾迹主要体现在定子对转子的影响。一方面，动静转子的相 对运动会引起无粘性作用，无粘性作用在一定程度上会产生势流的相互作用；另一方面， 当叶轮内部流道所产生的尾迹流进入到轴流式汽轮机的导叶流道内时，尾迹流的冲击和进 一步的传播会形成尾迹的相互作用，这种作用比势流作用更加复杂。 1 9 8 5 年，i i n o 和k a s a i 8 l 测试了带有导叶的离心泵叶片内的压力脉动，揭示了流量以及 叶片与导叶之间的角度是引起压力脉动的主要原因。结果表明，叶轮的转速和叶片数的乘 积为叶片通过频率，压力脉动中叶片通过频率以及其谐波起主导作用。当叶轮出口的流体 无冲击进入导叶时，叶片通过频率的幅度达到最小值；当流量系数比较小时，大多数测点 的叶片通过频率的相位角只与圆周方向的测量点的位置有关。实验表明，叶片通过频率的 最大振幅大约为导叶泵内动压的4 ，这个动压可以由叶轮的圆周速度来定义。 1 9 8 9 年，a r n d t 和a c o s t a 9 】研究了叶轮叶片和导叶片之间的动静干涉，测量了有导叶和 无导叶的蜗壳盖板上稳态和非稳态的压力，并对该稳态和非稳态的压力以及整体平均的非 稳态数值和频谱都进行了详细的描述。结果表明，导叶吸力面的压力脉动大于压力面，最 大压力值出现在吸力面，且压力脉动有着相同的幅值阶数。通过对导叶整个跨距上的压力 进行测量，发现蜗壳前盖板附近的压力波动较后盖板附近的压力波动有所减小。相比较无 导叶的蜗壳，有导叶蜗壳前盖板的压力脉动要大于无导叶蜗壳前盖板相同位置的压力脉 动。研究结果还表明，导叶叶片内和蜗壳前盖板的压力脉动随着叶轮和导叶之间径向间隙 的增大而显著减小。 1 9 9 0 年，a m d t 和a c o s t a 等【lo 】对具有不同导叶数的离心泵内的动静干涉作用进行了实验 研究，并分别采用了稳态和非稳态两种方法对导叶的压力进行测量，两种测量方法中所采 用的叶轮叶片和导叶的几何参数均相同。结果表明，导叶以及叶轮叶片上的最大压力脉动 与泵的总压升有着相同的数量级，导叶上最大的压力脉动出现在靠近叶片前缘吸力面的一 侧，而叶轮叶片上最大的压力脉动发生在叶片尾缘附近。结果还表明，增加导叶的数量会 明显减小叶片内的压力脉动，通过非稳态试验所测得的瞬时扬程要大于通过稳态试验所测 2 浙江理工大学硕士学位论文 得的瞬时扬程。 1 9 9 2 年，d o n g 等【1 l 】采用p d v 在设计点工况和非设计点工况下测量了不同叶片方向处离 心泵蜗壳内部的速度分布。结果表明，流体脉动取决于叶片与蜗舌的相对位置，流体的泄 漏也与叶片的位置有关，并且随着流量的减小泄漏呈现增大的趋势。叶轮进口不同的流体 速度会影响叶轮出口的流通量，叶轮出口附近的速度主要由射流尾流决定。 1 9 9 4 年，a k i n 等f 1 2 l 采用粒子图像测速技术p i v 对一离心泵内瞬时射流尾流结构与叶片 之间的干涉特性进行了研究，并且将瞬时速度等值线与平均速度等值线进行了对比。在泵 系统的整个平面内，漩涡的分布与叶轮尾缘的瞬时压力有关。有限平均算法可以使速度减 小，该速度与瞬时压力源有关。当叶轮与静止的导叶相互作用产生尾流时，通过简化模式 和稳态漩涡等值线相结合的办法，可以有效地表征流体分离与重新粘附的瞬态过程。 1 9 9 5 1 9 9 7 年间，c h u 等1 1 3 - 1 5 1 采用p d v 计算了离心泵蜗壳内部的压力场，表明了叶片 和蜗舌的相互作用以及叶轮出1 2 1 不均匀的流体流动是导致蜗壳内部压力脉动以及远场噪 音的主要原因。结果还表明，当叶轮与蜗舌之间的间隙有一点点的增大时，就会引起流场 结构的较大变化，噪音相对会减小，只要蜗舌叶轮之间的间隙小于叶轮半径的2 0 ，这种 影响就一直很明显。此外，作者还通过p i v 技术获得离心泵内部的速度信息。1 9 9 5 年， f o a e s p a t e l l a 等【1 6 对一蜗壳泵内动静干涉作用进行了二维非定常计算和研究。 19 9 6 年，u b a l d i 等【1 7 1 对一离心涡轮机的内部流场进行了实验研究，并且分析了导叶对 叶轮内部流体的影响。该模型由一个后弯式开式叶轮和一个导叶组成，该导叶的位置可以 进行连续的变化。作者在叶轮前缘静止的外壳上布置了微型高频压力传感器，用来测量叶 轮前缘处的静压数据。此外，作者还在叶轮出口圆周方向的不同位置处布置了3 0 个热线探 针，用来测量锁相分速度，通过圆周方向布置的探针可以得到导叶进口不同位置处的瞬时 流场图像，这些图像可以提供导叶上游流场的多种信息。 1 9 9 7 年，q i n 和t s u k a m o t o 1 s 1 9 】采用奇点法和s 模型研究了由于叶轮和导叶之间的 相互干涉所产生的压力脉动问题，并把两种结果进行了对比，从而区别不稳定压力中的势 流作用。在研究中，导叶内的非定常流动可以认为是三种非稳态涡引起的，分别为分布于 叶轮叶片和导叶上的边界涡，以及从导叶尾缘脱落的自由涡。叶轮下游非定常压力场的数 值计算结果与相应测点的实验值基本一致。结果还表明，脉冲压力对非稳态压力起着主导 性的作用。在此研究基础上，两位学者又将研究扩展到了叶轮叶片和导叶蜗壳间的干涉所 引起的非定常流动中，得出导叶和蜗壳内部的非定常流是由五种奇点引起的，也就是分布 于叶轮叶片上、导叶和蜗壳壁面上的边界涡，蜗壳出口的源涡和导叶尾缘脱落的自由涡。 浙江理工大学硕士学位论文 所计算的非定常压力与实验数据相符，且计算结果表明，流量、蜗壳以及叶轮叶片尾缘和 导叶前缘的径向间隙等对叶轮下游的不稳定压力脉动的幅值有影响。 1 9 9 9 年，k a u p e r t 等1 2 0 】对一高比转速双螺旋蜗壳泵叶轮内部的非定常压力场进行了试验 研究，作者在单个叶片通道里面布置t 2 5 个压阻式压力传感器，并用遥测技术对叶轮旋转 系统进行采样，并且依据压力脉动的幅值和相位差来估算体积流量对压力传感器的影响。 通过压力脉动的幅值可以看到，随着体积流量远离设计点，叶轮蜗壳之间干涉所产生的压 力脉动就会越剧烈，在过载荷下，压力波动可以达到泵扬程的3 5 。在非设计点下，蜗壳 上游稳定的压力场对叶轮内部非稳态的压力场有着很大的影响。所得到的相位信号可以识 别叶轮流道内压力场中的非稳定性，同时可以从根本上同步协调蜗舌通过频率。伴随着叶 轮进出口回流的发生和消亡，体积流量出现滞后的现象。此外，通过旋转的压力传感器可 以得到叶片上不稳定的载荷参数。结果还表明，在叶轮蜗壳蜗舌相互干涉的过程中，不稳 定的力矩系数以及压力中心都发生了较大的变化。 2 0 0 0 年，s t i c k l a n d 等【2 l 】采用实验的方法分析了离心泵蜗壳内部的压力脉动，研究了叶 片蜗舌之间的动静干扰，通过高频压力变送器测量了泵蜗壳周向不同位置在不同流量下的 压力信号。重点研究了离心泵内叶片通过频率附近的压力脉动，包括压力脉动幅值信息以 及相对于旋转叶片的相位迟滞信息。研究表明，压力脉动与流量和蜗壳周向的位置有关， 其中，叶轮与蜗壳的动静干涉作用所产生的压力脉动占主导作用，在非工况点下，脉动的 幅值会明显增大。 1 9 9 9 2 0 0 1 年间，s h i 等【2 2 , 2 3 】采用非定常雷诺时均方程以及标准w 湍流方程，研究了单 级导叶泵内由于叶轮和导流叶片间相互干扰引起的压力脉动，重点分析了位于导叶泵叶轮 下游的压力脉动，并将数值计算结果与实验数据和奇点分布法的分析结论进行了对比。结 果显示，n s 方程和肛s 湍流模型可以准确地预测导叶中的压力脉动，导叶流道内的压力脉 动的频率主要为叶片通过频率以及其高次谐波，并且表明，叶轮和导叶的干涉主要是由势 流的相互作用以及尾流对导叶的冲击引起的。 2 0 0 1 2 0 0 3 年间，w a i l g 等【2 4 之6 】采用涡流法研究了一导叶泵内由于叶轮和导叶间的相互 干涉所引起的压力脉动情况。在动子静子干涉的问题中，通过边界积分方法来提高求解非 定常压力脉动的精确度。此外，为了更实际地预测压力脉动以及使泵系统平衡，流量随着 计算时间变化，并将得到的导叶内的压力脉动与其他计算方法进行了比较，证明采用涡流 法得出的压力脉动值与实验值以及c f d 模拟值基本符合。结果表明，涡流法可以比较满意 地预测尾流在压力脉动中的作用，动静干涉影响导叶进口附近的压力脉动。此外，由于尾 4 浙江理工大学硕士学位论文 流的运动，导叶出1 3 的压力脉动主要受到尾流的影响，导叶内的压力脉动主要为非设计下 叶片通过频率以及它的高次谐波。 2 0 0 1 年，k e l d e r 等f 2 7 】采用实验和理论相结合的方法在设计点附近研究了一低比转速离 心泵蜗壳内部的非定常流动情况。实验采用静止的l d v 钡i j 量了蜗壳不同位置的速度以及静 压的时均值。在理论分析时，采用带粘性修正的非定常势流模型，并进行全三维有限元计 算。结果表明，在设计点附近，如果不出现边界层分离的现象，离心泵蜗壳内部的主流流 动与势流相似，当然也会出现局部的偏差，这些局部的偏差是由内部的二次流引起的，但 这些局部偏差不会影响整体的势流特性。二次流会引起压力脉动，即使在设计点附近，二 次流引起的压力脉动几乎可以达到静态扬程的一半多，说明了由于离心泵内部的非定常流 动，会引起比较大的压力脉动强度。 2 0 0 2 年，s a n o 等【2 8 】通过c f d 技术，研究了一导叶泵中导叶内的流动不稳定特性。研 究结果发现，导叶内流动不稳定性体现在旋转失速、交替性的叶片失速以及对称性失速上， 这些不稳定性发生在导叶压力性能曲线中斜率为负数的范围内。随着叶轮和导叶之间间隙 的增大，越容易在导叶上发生旋转失速，该旋转失速是由叶片导叶之间耦合作用所产生的。 当叶轮和导叶间的间隙比较小时，叶轮导叶耦合作用所产生的旋转失速在小流量下发生。 2 0 0 2 年，g o n z a7 l e z 等【2 9 】采用数值模拟的方法分析了离心泵中由于叶轮蜗壳相互干涉 造成的动态特性以及非定常流动特性。采用粘性n s 方程计算泵内的非定常流动，采用滑 移网格技术实现叶轮和蜗壳之间的耦合，数值模拟了位于蜗壳之前的叶轮流道内的流动以 及所产生的压力脉动情况。时均数值模拟的结果与试验性能曲线相符合，最终将数值模拟 所得的动态变量与试验值进行了对比。在一个很宽的工况范围内，获得了叶片通过频率的 幅值。 2 0 0 2 年，j o r g e 等【3 0 】采用试验的方法研究了一传统离心泵蜗壳内部的非定常压力分布， 该模型的无量纲比转速为0 4 8 ，流量在最高效率流量点的0 至r j l 6 0 之间。通过高频压力传 感器测量了泵蜗壳周向3 6 个点的压力信号，重点分析了叶片通过频率处的压力脉动，并且 通过试验所得到的压力脉动数据可以为研究蜗壳内的噪音提供一定的参考价值。 2 0 0 3 年，l a r s e n 等【3 l 】采用粒子图像测速技术和激光多普勒测速仪的方法，对六叶片的 离心泵内部旋转流道内进行了测量，在设计点和非设计点下获得前后盖板中截面的瞬时和 平均的p i v 速度矢量图以及l d v 数据。在设计点，叶片上的平均相对速度场没有出现流动 分离。在0 2 5 倍的设计点时，出现了交替性的失速与未失速的现象。研究结果表明，p i v 技术可以为整个叶轮流道提供可靠以及详细的速度数据。通过定量的对比叶片和叶片之间 浙江理工大学硕士学位论文 中间流量的分布，发现采用p i v 和l d v 可以达到比较满意的效果。 2 0 0 5 年，m a j i d i 等【3 2 1 采用计算流体力学c f d 技术研究了离心泵整个叶轮以及蜗壳内部 非定常三维粘性流动，计算预测了叶轮蜗壳间的动静干涉以及获得了叶轮和蜗壳内部的非 定常压力分布，得到的非定常压力分布决定了叶片非稳定载荷的分布。作者采用多重坐标 系和滑移网格技术在设计点和两个非工况点研究了叶轮蜗壳间的动静干扰。结果表明，叶 轮和蜗壳内的流动均为周期性的非定常流动，叶轮出口和蜗壳内部的压力分布在圆周方向 会有畸变。由于叶轮叶片和蜗舌之间的动静干涉，流体产生了压力脉动，且该压力脉动在 叶轮出口和蜗舌附近最为强烈。这些压力脉动随着圆周角的增大而逐渐消弱，逐渐减小的 压力脉动一直延伸到出口。此外，在叶轮的入口也出现了压力脉动，该压力脉动会影响叶 轮通道内的质量流率。 2 0 0 5 年，g u o 和m a r u t a 等 3 3 1 对一导叶泵内由于流体的波动所引起的叶轮振动及叶 轮上的压力脉动进行了研究。首先，作者在同一时刻测量了叶轮和蜗壳上的压力，证明了 在非设计点下蜗壳内部的静压及叶轮内的压力波动沿圆周方向分布不均匀。大流量下，在 蜗壳出口之前的流道内压力波动很大，但静压值却很低。其次，测量了由于流体的波动引 起的叶轮振动，由于静压沿圆周方向波动不均匀，即使当转子定子相互干涉达不到共振条 件，都可以使共振加强，此外，当叶片的固有频率与频谱边带的频率一致时，也可以加强 共振。 2 0 0 5 年，z h u 等【3 4 】采用拉格朗日涡边界法在设计工况点和非设计工况点下模拟了导叶 泵中由于叶轮和导叶的相互干扰所引起的非定常流动。速度计算基于毕奥萨伐尔定律，因 此不用对整个流场进行网格划分，网格划分只是集中在导叶泵内漩涡存在的部位，并且对 不断变化的漩涡进行拉格朗日描述。整个压力方程可以通过不断变化的速度和涡场进行估 计。经过数值模拟和试验的对比表明，文中采用的计算方法可以为我们研究导叶泵中的叶 轮导叶干涉现象提供一定的依据。 2 0 0 6 年，g o n z a l e z 等【3 5 】对一低比转速离心泵内部的压力进行了试验研究，在蜗壳前盖 板附近布置了多个压力传感器用来获得内部的压力脉动信息，如图1 1 所示。结果表明，数 值模拟得出的蜗壳前盖板的非定常压力脉动与实验数据基本吻合，并且提出泵内部流体的 流动结构与所观察的现象存在一一对应的关系。叶轮叶片上的转矩与叶片载荷有关，蜗壳 内部二次流与压力波动有关。作者还对局部流动进行了分析以及对蜗壳的不同断面进行了 定性研究。这次研究的主要目标是成功地描述了离心泵内部局部与全局变量之间的联系， 并指出在相当宽的工作范围内，压力对叶轮及蜗壳内部流场结构有着相当大的影响。 6 浙江理工大学硕士学位论文 图1 1 传感器布置位置不慈图 2 0 0 6 年，s h o j a e e f a r d 等t 3 6 】采用水和粘性油作为流动介质测试了离心泵的外特性，并用 数值模拟的方法研究了该离心泵内部的三维流动情况。结果表明，数值模拟与试验结果非 常吻合，当离心泵的工作流体为高粘性流体时，离心泵性能下降，其原因是高粘度的流体 介质会导致叶轮前后盖板处的圆盘摩擦损失及泵内部的水力损失增大。此外，作者通过 对小流量点、设计点以及大流量点进行试验研究，确定了介质油的修正因子，并将此修正 因子与h i s 和u s s r 进行了对比。 2 0 0 7 年，c h e a h 等网用三维n s 方程以及标准的1 c 8 湍流模型研究了具有六个扭曲叶片 的离心泵叶轮内部的复杂流动，同时预测了泵的外特性，并对设计点、o 4 3 倍的设计点及 1 4 5 倍的设计点进行了详细的分析。研究结果表明，在设计点下，叶轮流道内的流动比较 稳定，流体基本上沿着叶片的曲线流动，然而，由于叶轮入口的流体在非切向方向存在速 度分量，使得叶轮前缘附近出现了流动分离的现象。蜗壳内部的流动变化很大，蜗舌处出 现双涡流结构，在蜗壳扩散段慢慢演变成单个涡流结构。在叶轮内部，压力随着流体流动 方向逐渐增大。当离心泵在非设计点工况下运行时，叶轮流道以及蜗壳腔体内会出现流体 的不稳定流动。 2 0 0 7 年，f e n g 等【3 8 】研究了一导叶泵内由于叶轮导叶相互干涉所引起的非稳态流动情 况，着重研究了叶轮叶片和导叶叶片表面的压力脉动。在数值计算时，分别考虑了不同工 况点、不同的叶片数以及叶轮和蜗壳之间不同的径向间隙对不稳定流体流动的影响。计算 结果表明，在叶轮出口附近存在射流。尾流结构，最大的压力脉动发生在叶轮叶片尾缘的压 力面附近以及导叶的前缘，最大压力脉动发生的位置与流量的大小、径向间隙以及叶轮叶 片数无关，但是流量的大小、叶片数以及径向间隙极大地影响了导叶泵内部的压力脉动以 及相关的非定常流动特性。 7 浙江理工久学硕士学位论文 1 2 2 国内研究现状 1 9 9 9 年，周华等 3 9 】研究了一台在深海中工作的液压泵在汽蚀产生的初期泵内部的压 力脉动情况。结果表明，在汽蚀产生的初期，液压泵入口的流体由开始的单相流逐渐变为 两相流，泵吸入口产生的汽蚀云在进入压水室时会产生低频脉动。正常工作时，液压泵本 身的工作特性决定了泵出口的压力脉动，而当汽蚀产生时，泵出口的压力脉动出现了低频 分量，当汽蚀严重时，泵出口的高频压力脉动分量会明显增强。 2 0 0 3 2 0 0 5 年间，徐朝晖等【4 0 4 3 1 对一包括诱导轮在内的高速泵全流道进行了非定常数 值计算。结果表明，当诱导轮内的压力脉动成分与叶片的固有频率成分接近时，就会使诱 导轮的叶片出现裂纹；动静叶栅之间的压力脉动在圆周方向呈现正弦变化规律，但这种正 弦规律会随着流体的流动被静止叶栅所切断。总之，在高速泵的整个流场内，各个频率成 分在总的信号中占得比重不同，但频率成分还是一致的。 2 0 0 4 年，徐洁等【删应用奇点分布法分析了长短叶片对流场的干扰作用，作者对奇点 分布法的基本理论及计算结果进行了详细的描述，结果表明，文中提出的奇点分布法可以 较好地分析该低比转速离心叶轮内的复杂流场。 2 0 0 5 年，郭鹏程等1 4 5 】采用冻结转动部件法研究了一离心泵内的动静耦合流动情况。 结果表明，沿圆周方向，蜗壳进口的速度和压力呈明显的周期性波动，动静干扰使得蜗壳 进口流动不均匀。陈党民等【4 6 。4 8 】不仅对一部分流泵进行了非定常流动数值计算，而且对蜗 壳壁面的静压以及外特性进行了试验研究，验证了非定常计算结果能够比较真实的反映泵 内部的流动情况，结果还表明，蜗壳与叶轮的动静干涉作用在一定程度上会使瞬时效率发 生变化，该结论为进一步提高部分流泵的效率、减少水力损失提供了理论依据。 2 0 0 6 年，袁寿其等【4 9 】采用p i v 技术和数值模拟的方法，详细分析了不同工况下复合 叶轮内部的速度分布规律。耿少娟等【5 0 】采用非定常数值模拟的方法分析了三种不同叶轮 形式的离心泵内部的流动情况，结果表明，具有长短叶片结构的叶轮可以改善二次流流场。 张兄文等洲也对一离心泵非定常流动进行了数值研究，结果表明，叶片和蜗舌之间的角 度在一定程度上影响蜗壳内的静压，蜗壳内的动压主要是受“射流尾迹 结构的影响。 结果还表明，大流量点时，蜗壳内的静压沿流动方向逐渐降低，而在小流量点时，静压则 逐渐升高。 2 0 0 7 年，崔宝玲等5 2 】采用三维定常n s 方程和s a 湍流模型分析了不同的叶轮结构 对低比转速高速离心泵内部流动的影响。王福军等【5 3 】采用大涡模拟方法重点研究了一轴 流泵内部的压力脉动情况，最大压力脉动位于轴流泵的叶轮进口前，压力脉动的幅值从叶 r 浙江理工大学硕士学位论文 轮进口到出v i 逐渐增大，越偏离设计点，压力脉动越剧烈。研究表明，叶片通过频率为主 要压力脉动频率，导叶出1 2 1 之后的压力脉动主要是以低频为主。 2 0 0 8 年，丛国辉等【5 4 】在一双吸离心泵蜗壳周向不同位置设置了六个监测点，对其压 力脉动进行了数值分析。结果表明，压力脉动的幅值随着流量的变化而变化，在设计点工 况下，压力脉动幅值相对较小，在o 6 倍设计流量点下，压力脉动的最大幅值相对于设计 工况点下增大了2 1 9 ，1 2 倍设计流量点压力脉动则增大了2 0 5 。 2 0 0 9 年，袁寿其等吲采用试验的方法，对离心泵内的压力脉动和流动噪音进行了研 究。作者采用高频压力传感器和水听器采集出1 2 1 的脉动压力信号和流动噪声信号，如图 1 2 所示。结果表明，压力脉动的主要频率为叶片通过频率，噪音的一个重要的噪音源就 是壳体的振动，在小流量以及设计点下，可以认为流动噪音是由压力脉动产生的，而在大 流量点附近，除此之外还要考虑汽蚀等作用。 ；l 黝絮出口撬幽 、j 、 ， 查堕篓 脉动静压溯孔 l j l 擂动泣兰 fl _ 、 豳ie 渊目辫强l 蕊 l 。“ 图1 2 压力脉动和流动噪音测点位置不意图 2 0 0 9 年，学者【5 6 5 8 1 分别对一普通离心泵、一单级单吸蜗壳式离心泵以及一双蜗壳双 吸离心泵进行了数值分析。赵斌娟等【5 9 石o 】采用粒子图像测速仪( p ) 对一双流道泵内部的 速度分布进行了试验研究，试验中的测量断面为泵蜗壳前后盖板中间垂直于转轴的平面， 结果表明，该试验测试效果良好，与普通叶片泵相比，双流道泵进口的处的流动状态相差 还是比较大的。此外，董晓岚等【6 1 】在设计工况下对蜗壳和叶轮流道内非定常流动的规律 也进行了研究。 2 0 1 0 年，陈向阳等【6 2 】对一具有3 0 0m w 级的核电站主泵内的压力脉动进行了研究， 在分析的过程中，分别在三个交界面上布置了五个监测点来分析压力脉动的主要来源，为 解决该种类型泵的振动问题提供一定的依据。研究结果表明，泵入1 3 段和叶轮段的脉动频 率尤其明显，压力脉动在静止的导叶之后则相对较弱。在此期间，作者【6 3 删分别也对双叶 片泵和一新型的灯泡贯流泵内部的非定常流场和压力脉动进行了非定常流数值分析。 2 0 11 年，作者 6 5 - 6 8 1 分别对一漩涡泵、高速部分流泵、两级双吸离心泵以及水泵水轮 9 浙江理工大学硕士学位论文 机内部的压力脉动进行了数值模拟计算。中国农业大学的姚志峰【删对一双吸离心泵内部 的压力脉动进行了试验研究，如图1 3 所示，作者在泵的吸水室和压水室的壁面分别布置 了几个压力脉动传感器。结果表明，泵内部存在着叶频脉动、轴频脉动以及低频脉动，吸 水室中的压力脉动主要为轴频脉动和低频脉动，压水室中的压力脉动则主要为叶频脉动。 吸水室 压水室 图1 3 监测点位置示意图 1 2 3 小结 通过以上分析可以发现对离心泵内部非定常流场的研究，国外学者的研究主要集中在 某一种类型泵的数值模拟以及实验方面，通过实验与数值模拟对比研究泵内部非定常流动 场及压力场，从而得出泵内部非定常流动的机理。国内学者对离心泵内部非定常流场的研 究大部分主要集中在数值模拟阶段，部分学者也进行了实验研究。所有这些数值研究结果 有助于理解各种类型泵内的动静干涉作用，使我们较为全面地了解泵的运行工况和几何参 数对内部流场的影响规律，这对泵的水力设计和性能预测都极有意义。但是国内外学者的 研究工作基本上是针对较大流量、较低扬程、较低转速以及大多采用普通叶轮离心泵，在 研究动静转子之间的动静干涉所产生的压力脉动时，所得出的结论基本上为泵内部压力脉 动的主要频率成分为叶片通过频率与叶片数的乘积及其谐波，这在每个普通叶轮中都是显 而易见的，这些规律是否也适用于复合叶轮，目前学者很少涉及，而且对小流量、高扬程 的低比转速离心泵内部非定常流场的研究也很少。因此，有必要对该方面进行研究。 1 3 本文主要研究内容 本文采用数值模拟软件f l u e n t 研究了4 叶片普通叶轮、8 叶片复合叶轮以及1 2 叶片复合 叶轮的低比转速离心泵内部的非定常流动特性，并对其外特性进行了试验测试。本文具体 内容如下： ( 1 ) 利用p r o e 三维实体造型软件对三种形式叶轮的低比转速离心泵整机进行实体造 型，包括进水管路、诱导轮、叶轮、前后盖板间隙以及蜗壳五部分。然后将各个整机模型 1 0 浙江理工大学硕士学位论文 导入f l u e n t 软件的前处理软件g a m b i t 中，进行网格划分和边界条件的定义。 ( 2 ) 采用f l u e n t 提供的滑移网格模型( s m 模型) 对三台离心泵内部进行了三维不可 压非定常湍流场的数值模拟。在数值计算过程中，在蜗壳壁面设计监测点对蜗壳壁面的压 力脉动进行了监测。 ( 3 ) 针对数值模拟得到的离心泵内部流场的非定常流动特性进行了分析，主要分析了 不同时刻离心泵内部的速度分布和压力分布，并且重点研究了由于非定常流动引起的蜗壳 壁面的压力脉动问题。获得了各个监测点压力脉动的时域图，并通过f f t 变换分析其频域 特性，从而得到叶片数对离心泵内部压力脉动的影响规律。 ( 4 ) 通过数值模拟对三种叶轮的离心泵的外特性进行了预测，主要包括流量一扬程曲线 和流量一效率曲线，而且对三种叶轮形式的离心泵的外特性进行了试验研究。将数值模拟 结果和试验研究结果进行对比分析，总结了离心泵内部非定常流动的主要特点，为改进该 低比转速离心泵泵的结构，降低运行时的汽蚀、噪声和振动提供一定的理论依据。 浙江理工大学硕士学位论文 第二章模型的建立及数值方法 离心泵的三维几何模型 本文研究对象为低比转速离心泵，设计参数为流量q = 1 5m 3 h ，扬程4 - - 1 5m ，转速 n = 2 9 0 0r p m ，比转速愧= 2 8 。该离心泵重要的过流部件包括诱导轮、叶轮和蜗壳，这里的 诱导轮采用变螺距诱导轮，因为变螺距诱导轮具有较小的叶片安放角，可以使诱导轮减少 进口回流损失和提高汽蚀性能，同时较大的出口叶片安放角可使诱导轮产生较高的出口扬 程从而满足离心轮进口的能量要求，如图2 1 所示。 图2 1 变螺距诱导轮 作为供能装置的叶轮是离心泵的关键的过流部件，其主要作用是将原动机的机械能直 接传给液体，以提高液体的静压能和动压能( 主要提高静压能) 。本文所研究离心泵的