新型側流道泵內部流動數(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基金重點項目“水力機械空化特性及對策”（51239005）和國家建設高水平大學公派研究生項目（201408320163）的資助下開展的。
　　側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，由葉輪一側有一個橫截面為半圓形的側流道而得名，通常具有超低比轉數(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，應用越來越廣

2、泛。但是，側流道泵內部流動復雜，水力效率相對較低，本文在旋渦泵設計的基礎上研發(fā)出一種命名為SCP35.2_IMb15_Z24的開式側流道泵，并對其優(yōu)化設計，為開發(fā)水力性能更優(yōu)、應用領域更寬的側流道泵提供依據。本文的主要工作和創(chuàng)造性成果有：
　?。?）利用CFD對側流道泵內部流動進行了分析，指出側流道泵內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流道中，最終從出口流出；葉輪中的徑向漩渦影響側流道泵的性能，而縱向漩渦則

3、有利于流體在葉輪與側流道中的交換。
　?。?）研究了側流道泵徑向葉片吸力面形狀對側流道泵性能的影響，具體分析了葉片吸力面三角形底角對側流道泵性能的影響。在一定范圍內，葉片吸力角越大，側流道泵性能越好，尤其是側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量流量獲得的一種側流道泵性能的理論評價方法，在無試驗條件下驗證數(shù)值計算結果的可靠性。
　　（3）討論了不同葉片吸力角葉輪流道內速度矢量分布特點，從內部流

4、動形式分析了葉片吸力角對側流道泵性能的影響。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，這部分流體恰好流入下一個葉片流道，然后繼續(xù)向側流道中流動，完成下一個能量交換。
　?。?）首次討論了開式側流道泵內部湍流流動強度特性，分析了側流道泵內壓力和速度分布規(guī)律，并對不同方案側

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

6、至側流道中斷處之外的其他位置上壓力脈動規(guī)律幾乎相同，側流道上監(jiān)測點壓力脈動在整個旋轉周期內的規(guī)律基本相同。從葉輪與側流道上監(jiān)測點的頻域特性來看，葉輪流道和側流道內主要壓力脈動激振頻率相同，均為軸頻的整數(shù)倍，說明葉輪和側流道之間的交換作用產生相應的壓力脈動，脈動頻率與流體在葉輪和側流道之間的交換次數(shù)有關，這是側流道泵內部壓力脈動區(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。
　?。?）利用熱力學第二定律，借鑒了一種基于熵產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，定性分析了側流道泵內部流動損失特點。葉輪流道內的損失主要出現(xiàn)在葉輪內緣至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。在側流道內，流動損失主要出現(xiàn)在流道進口、流道中間靠近內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)域內能量轉化程度越大，側