低比速離心泵小流量工況內部非穩(wěn)態(tài)流動特性研究.pdf

1、本文的研究是在國家自然科學基金“帶分流葉片離心泵流固耦合誘導振動特性研究”(51009072)和國家科技支撐計劃項目“百萬千瓦級核電離心泵關鍵技術研究”(2011BAF14B04)的資助下完成的。
　　低比速離心泵具有小流量、高揚程的特點，在給水排水、石油化工、農業(yè)工程、能源工程和航空航天等領域有著廣泛的應用。工程實際中，低比速離心泵常在偏工況的小流量下運行，常伴有駝峰，其水力性能、運行可靠性及穩(wěn)定性均會降低，因此對小流量下低比速

2、離心泵內部流場的分析顯得尤為重要。本文采用理論研究、數值模擬和PIV(ParticleImage Velocity)測量相結合的研究方法，對IS50-32-160低比速離心泵小流量下非穩(wěn)態(tài)流動特性進行了詳細的分析，主要研究內容和成果如下:
　　1.系統(tǒng)總結了采用PIV試驗和數值模擬技術對離心泵內各種非穩(wěn)態(tài)現象研究的國內外進展;歸納了流體力學中基本控制方程的基本形式及幾種非直接數值模擬方法;介紹了本次試驗所采用PIV裝置的具體參數和

3、試驗步驟。
　　2.對0.6Qd和1.0Qd工況進行了PIV試驗，分析了不同相位下絕對速度與相對速度圖。研究結果表明:葉輪內絕對速度和相對速度均隨著半徑的增大逐漸增大，同一半徑處速度從壓力面向吸力面變化不大;不同相位下的絕對速度與相對速度分布總體趨勢一致，隨著葉片與隔舌夾角的減小，葉輪進口的絕對速度值逐漸減小，相對速度值逐漸增大;0.6Qd工況速度梯度大于1.0Qd工況，更加容易發(fā)生非穩(wěn)態(tài)流動現象。
　　3.進行了網格無關性

4、驗證，通過改變整體網格數量并首次改變葉輪網格數量，并分析了四種網格塊結構對計算結果的影響，得到了最經濟和適用于本方案的網格;對比分析了三種湍流模型在0.6Qd和1.0Qd設計流量下的模擬精度。研究結果表明:整體網格數量的增加對葉輪內絕對速度的影響較大，對蝸殼內絕對速度影響較小;葉輪網格結構的變化不僅會影響到葉輪內速度，而且對蝸殼內速度分布也有較大的影響;不同湍流模型預測泵內部速度場存在差異，綜合考慮選取基于SST模型的分離渦模型(Det

5、ached Eddy Simulation，DES)最優(yōu)。
　　4.采用DES模型對0.4Qd、0.5Qd和0.6Qd三種小流量工況進行了非定常數值計算，研究結果表明:靠近隔舌的流道內均存在漩渦，漩渦從壓力面開始產生，隨著葉片向隔舌靠近，葉輪出口的漩渦逐漸增大，而隨著其遠離隔舌，流道內的渦逐漸減小并向吸力面移動。隨著流量的減小，隔舌對葉輪內相對速度的干擾作用加強，尤其是葉輪出口處的速度分布，加劇了流道內速度分布的不均勻性及“射流-

6、尾跡”結構?？剖狭葱D作用在流動過程中一直起著主導作用，且隨著流量減小科氏力作用增強。通過對葉輪出口絕度速度、葉輪進出口速度環(huán)量及泵內部損失的分析找到了造成0.4Qd及0.5Qd揚程下降的主要原因是葉輪內的流動損失。
　　5.對葉輪和蝸殼監(jiān)測點壓力信號進行了頻域分析，發(fā)現了監(jiān)測點的主要頻率峰值在0～400Hz之間，葉輪內的主要脈動頻率為軸頻及其倍頻，脈動強度在軸頻最大，葉頻最小;蝸殼內監(jiān)測點主要脈動頻率為葉頻及其倍頻，葉頻下脈動