深井离心泵内部非定常流动的压力脉动特性分析.docx

第 27 卷第 10 期农 业 工 程 学 报Vol.27 No.10442011 年10 月Transactions of the CSAEOct. 2011深井离心泵内部非定常流动的压力脉动特性分析（江苏大学流体机械工程技术研究中心，镇江 212013）摘要：为了分析深井离心泵内部的非定常压力脉动特性，该文基于标准 k- 湍流模型和滑移网格模型，应用 SIMPLEC算法，在 CFD 软件 Fluent 中对深井离心泵内部全流场进行三维非定常数值计算，得到了额定工况下流道内不同位置的压力脉动特性，并通过快速傅里叶变换进行了频域分析。结果表明，网格数对数值计算结果影响较大；在叶轮出口与导叶进口交界处，叶轮叶片与导叶叶片的动静耦合是产生压力脉动的原因；压力脉动周期与叶轮叶片数相关，导叶叶片数对压力脉动周期影响较小；叶片通过频率是影响压力脉动的主要因素。该文为改善泵体结构，进一步提高深井离心泵的使用可靠性提供了依据。关键词：离心泵，数值分析，非定常，压力脉动，CFDdoi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.10.008中图分类号：S277.9；TH311文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-10-0044-06周 岭，施卫东，陆伟刚，等. 深井离心泵内部非定常流动的压力脉动特性分析J. 农业工程学报，2011，27(10)：4449.Zhou Ling, Shi Weidong, Lu Weigang, et al. Analysis on pressure fluctuation of unsteady flow in deep-well centrifugal pumpJ.Transactions of the CSAE, 2011, 27(10): 4449. (in Chinese with English abstract)0引言变化情况，并对泵进出口压力脉动进行了预测和测量。Rodriguez 等8对离心透平泵内动静干涉引起的振动频域深井离心泵在农田排灌、农村的人畜饮用水、工厂、矿山、自来水公司、地质勘探、铁路、地热开发和油田等领域都有广泛应用1-2。由于深井离心泵长期吊置于深井中工作，检查维修困难，为此，对其工作时的可靠性和稳定性要求较高。在泵内部，由于叶轮和导叶的非定常时序性相互干涉，即动静干涉（RSI），会导致泵内压力随时间快速脉动，内部流场瞬时变化，严重时会出现泵体强烈震动、产生噪声、叶片疲劳和轴承损坏等问题3。泵体内部的非定常流动特性一直是国内外相关学者的研究热点。Arndt 和 Tsuhamoto 等4-5的研究表明，在导叶式离心泵中，叶轮与导叶的动静干扰使叶轮出口流场产生压力脉动，且在叶轮与导叶之间的径向间隙较小时产生较大的压力脉动。Gonzalez 等6对双吸离心泵进行了非定常数值模拟和试验，结果表明泵体内部的压力脉动会引起径向力的周期性波动，产生较大的振动和噪声。Zhang 等7基于 CFD 数值计算和试验，讨论了离心泵内进行了研究，并分析了引起振动的原因。在国内方面，西安交大陈党民等9采用滑移网格技术对部分流泵进行了整机非定常流动数值计算，分析了叶轮、蜗壳内典型的非定常流动规律。中国农业大学王福军等10运用大涡模拟对轴流泵不同工况下的压力脉动进行了数值模拟。南京工业大学邵春雷11等分析了蜗壳式离心泵不同蜗壳截面上的压力脉动规律。江苏大学施卫东、张德胜等12-13基于 CFD 对高效轴流泵内部定常和非定常流动特性进行了研究。总的来说，由于泵体内部的流场分布十分复杂，其内部动静干涉机理仍处于理论计算和实验研究阶段。本文针对采用流道式导叶的 150QJ20 型深井离心泵，采用 Fluent 提供的滑移网格模型（SM 模型）对深井离心泵内部非定常流动进行数值模拟，对泵体内部不同位置的压力脉动进行了研究，着重分析叶轮与导叶的动静干涉作用对泵体内部流场分布的影响，为改善泵体结构，进一步提高深井离心泵的使用稳定性提供了依据。叶轮和导叶的动静干涉引起的非定常径向力和轴向力的1水力模型收稿日期：2011-02-19修订日期：2011-06-081.1 基本参数基金项目：国家科技人员服务企业行动项目（2009GJC30002）；浙江省重大科技专项重大工业项目（2010C01032）和江苏省高等学校优秀科技创新团队计划（苏教科（2009）10 号）作者简介：周 岭（1985），男，河南南阳人，博士生，主要从事泵的研究。镇江 江苏大学流体机械工程技术研究中心，212013。Email: 通信作者：施卫东（1964），男，江苏南通人，研究员，博导，主要从本文选用的 150QJ20-75/5-7.5 型深井离心泵的基本设计参数如下：Q=20 m3/h、扬程 H=75 m（5 级）、转速n=2 850 r/min、额定功率 P=7.5 kW、比转速 ns=102。叶轮叶片为扭曲叶片，叶片数为 8。导叶为流道式导叶，叶片数为 9。叶轮与导叶的三维实体造型是在 Pro/E3.0 中完成的，其轴面图及实体模型如图 1 所示。事流体机械与工程研究。镇江212013。Email: 江苏大学流体机械工程技术研究中心，周岭，施卫东，陆伟刚，李辉，裴冰第 10 期周岭等：深井离心泵内部非定常流动的压力脉动特性分析451.3 监测点的布置为了深入分析深井离心泵内部不同位置的压力脉动，在计算区域内布置了 12 个监测点，进而获取各个监测点压力值的瞬时变化。监测点的位置如图 4 所示。a. 轴面图图 4监测点位置Fig.4Locations of monitoring points in cross-section2数值计算b. 实体模型图 1叶轮Fig.1 Impellera. 轴面图2.1 网格无关性分析本文的网格生成在前处理软件 Gambit2.2 中完成，Gambit 被认为是最优秀的商用 CFD 软件前置处理器之一14，在全流域内采用非结构化四面体网格划分。理论上讲，随着模型的网格数的增加，由网格引起的求解误差会逐渐缩小，直至消失。但考虑到计算机的配置及计算时间，网格数也不能过多。针对上述水力模型，本文选择了 5 种不同的网格数量进行了数值模拟，其结果如表 1 所示。表 1 网格无关性分析Table 1 Grid sensitively analysis网格尺寸/mm1.82进口段网格数叶轮网格数导叶网格数出口段网格数网格数总计305 920333 796749 903606 4911 996 110163 761217 016473 174325 1581 179 109115 520168 372334 504232 593850 98996 044119 343225 978191 041632 40669 55984 876185 811154 434494 680b. 实体模型效率 /%扬程 H/m65.748917.643565.748217.641165.745417.640666.541017.775866.361617.7082图 2导叶Fig.2 Diffuser1.2 计算区域选取原 5 级深井离心泵模型中的首级进行数值计算，首级叶轮的进口为无旋流动，产生扬程较高，压力脉动最为剧烈。计算区域包含进口段、叶轮、导叶、出口段四个部分。其装配关系如图所 3 示。图 3计算区域Fig.3 Flow domain从表 1 中可以看出，在网格尺寸小于 1.4 mm、即网格数大于 110 万以后，随着网格数的增加，数值模拟的结果显示的扬程和效率波动非常小，呈现较为稳定的状态，计算结果对网格的相关性很小，因此综合计算机的配置，选用网格尺寸 1.4 mm 来进行网格划分并进行相关后续研究。2.2 数值计算方法数值计算在 Fluent 6.2 中完成，湍流模型采用标准k 模型，采用 SIMPLEC 算法求解二阶迎风格式离散差分方程。壁面采用无滑移边界条件，近壁区域采用标准壁面函数处理，进口采用速度进口边界条件，出口设定为自由出流。采用滑移网格模型对叶片与导叶动静干涉进行数值模拟，将叶轮区域设置为 Fluent 提供的滑移网格坐标系，导叶区域设置为静止坐标系。代数方程迭代计算采取亚松弛，设定收敛精度为 10-6。462.3 时间步长的确定时间步长的确定需满足下列库朗数准则15农业工程学报2011 年Co =v tl 50（1）其中， v 为估计的平均速度的绝对值，l 取网格最小尺寸。若数值计算中收敛不好，可以适当减小库朗数。为此，综合考虑后选取时间步长为t=5.847810-5 s，即叶轮每旋转 1为 1 个时间步长，叶轮每旋转一圈需要 360个时间步长。对于本模型，经过 1 440 个时间步长，即叶轮旋转 4 圈后，压力满足周期性要求，计算收敛。并定义此时刻为 t=0，选取之后的 360 个时间步长（叶轮旋转一圈）为非定常分析区间。3数值计算结果分析通过数值计算，得到了不同位置各个监测点的静压。为了准确地衡量并比较压力脉动的大小，定义压力系数为c p =p p12（2）其中， p 为监测点所在位置的静压，Pa； p 为叶轮旋转一周的平均静压，Pa； u 为叶轮圆周速度，m/s。3.1 进口段的压力脉动图 5进口段监测点压力脉动及频域分布为了便于作图表明压力脉动的趋势，选择半个旋转周期（180）进行分析，定义 为叶轮叶片转动角度。图5a 显示了泵进口段轴向位置上三个不同监测点的压力脉动，P1 和 P2 位置的压力脉动表现出明显的类似于正弦波的周期性，而 P3 处的脉动略微紊乱。半个叶轮旋转周期出现了 4 个波峰，则一个叶轮旋转周期有 8 个波峰，这与叶轮叶片数一致，即压力脉动的周期为 T=45。且波峰位置排序为：P1P2P3，波动幅值排序亦为：P1P2P3，这进一步说明压力脉动信号来自叶轮或叶轮后方，且在向泵进口传递的过程中逐渐衰减。压力脉动时域数据通过快速傅里叶变换（FFT），可以获得谐波分量的幅值，得到的了对应的压力脉动频域分布。本文中叶轮的转速为 n=2 850 r/min，则转频为47.5 Hz，叶轮叶片数为 z=8，则叶片通过频率（即叶频，BPF）为 380 Hz。在流体的压力脉动中，叶轮叶片对流体的影响频率应为转频的 z 倍及其谐波。从图 5b 的压力脉动频域中可以看出，进口段的压力脉动的主频均为380 Hz，即叶频的一倍频。3.2 叶轮出口的压力脉动图 6a 显示了叶轮出口的 3 个监测点的压力脉动，相比进口段，叶轮出口的压力脉动较为紊乱，其中 P4 处脉动最为剧烈。波峰位置排序为：P6P5P4，波动幅值排序亦为：P6P5P4，说明压力脉动信号来自叶轮出口处。在叶轮出口与导叶进口交界处，叶轮叶片与导叶叶片的动静耦合是产生压力脉动的原因。从图 6b 频域图中可以看出，叶轮出口处的压力脉动的主频为 380 Hz，次主频为 760 Hz，均为叶频的整数倍。Fig.5 Pressure and frequency fluctuation at monitoring points ofinlet section图 6叶轮出口监测点压力脉动及频域分布Fig.6 Pressure and frequency fluctuation at monitoring points ofimpeller outlet第 10 期周岭等：深井离心泵内部非定常流动的压力脉动特性分析473.3 导叶内部的压力脉动图 7a 显示了流道式导叶内部监测点的压力脉动，3个监测点的波峰位置排序为：P9P8P7，波动幅值排序亦为：P9P8P7，说明压力脉动信号在导叶内部逐渐衰减。从频域图中可以看出，3 个监测点的主频均为 380 Hz（即叶频的一倍频），P7、P8 处的次主频为 760 Hz（即叶频的二倍频），但 P9 处的次主频为 95 Hz，即转频的二倍频。这说明在流体进入导叶后，随着导叶逐渐将流体的速度能转化为压力能，静压逐渐增加，叶频对压力脉动的影响逐渐消弱，而转频的影响逐渐凸显出来。力脉动，较其它监测点，脉动更为紊乱。究其原因，可能是数值计算中设置的出口边界条件为自由出流。从频域图中可以看出，随着逐渐靠近泵出口，叶频的影响逐渐减小。图 8出口段监测点压力脉动及频域分布Fig.8 Pressure and frequency fluctuation at monitoring points ofoutlet section3.5 静压分布的变化图 9 显示了叶轮旋转至不同角度时叶轮与导叶中截图 7导叶内监测点压力脉动及频域分布Fig.7 Pressure and frequency fluctuation at monitoring points ofthe diffuser3.4 出口段的压力脉动图 8a 显示了出口段轴向位置上三个不同监测点的压注：T 为压力脉动的周期。面处的静压分布。随着叶轮的旋转，静压发生较为明显的周期性变化。在 3T/5 时刻，叶轮流道与导叶流道接近吻合，进入导叶的水流较为顺畅，导叶流道内静压较小。随着叶轮叶片的旋转，叶轮流道与导叶流道逐渐错开，导叶流道内的静压分布发生周期性变化。图 9静压分布的变化Fig.9 Static pressure evolution48农业工程学报2011 年4结论approachesC/ASME 2002 Joint U.S.-European FluidsEngineering Division Conference, FEDSM2002, 257(2B):针对采用流道式导叶的 150QJ20 型深井离心泵，采761768.用 Fluent 提供的滑移网格模型，对深井离心泵内部非定常流动进行数值模拟，对泵体内部不同位置的压力脉动进行了研究，得到结论如下：1）在进行数值模拟过程中，网格无关性研究不可或缺，网格数目过少会导致计算结果不准确。2）深井离心泵内部压力脉动产生于叶轮出口与导叶进口交界处，压力脉动信号在向两侧传递的过程中逐渐衰减，叶频是影响压力脉动的主要因素。压力脉动周期与叶轮叶片数相关，导叶叶片数对其无明显影响。当叶轮流道与导叶流道接近吻合的时候，导叶流道内静压较小。3）通过快速傅里叶变换可以获取流道内不同位置压力脉动的频域图，对于改善泵体结构设计，避免发生流动噪声、共振断裂等工程实际问题有积极意义。789Zhang M, Tsukamoto H. 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