混流泵內(nèi)流場壓力脈動特性研究

　　基于RANS方程和SST湍流模型，應(yīng)用SIMPLEC算法，對混流泵內(nèi)流場進行非定常數(shù)值模擬，分析了不同流量工況和不同轉(zhuǎn)速工況時混流泵內(nèi)4個代表性監(jiān)測面上壓力脈動的時域和頻域特性。取非定常計算的功率平均值與試驗值對比，證明該數(shù)值模型可較準確描述泵內(nèi)流場特征。結(jié)果表明:混流泵內(nèi)最大壓力脈動在葉輪進口，從輪轂到輪緣脈動幅值遞增；在葉輪進口和葉輪出口壓力脈動頻率主要為葉輪葉頻，而導(dǎo)葉中間和導(dǎo)葉出口壓力脈動頻率與流量工況相關(guān)；偏離最優(yōu)工況越遠脈動越大，偏小流量對葉輪進口壓力脈動影響明顯；不同轉(zhuǎn)速時最優(yōu)工況壓力脈動頻率成分相似，脈動幅值隨轉(zhuǎn)速增加而增加。

　　混流泵在農(nóng)田灌溉、防澇排洪、城市供水等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。由于轉(zhuǎn)動葉輪與靜止導(dǎo)葉之間的相對運動、葉片導(dǎo)邊的水流沖擊、葉片隨邊的脫流、局部空化等都會引起混流泵內(nèi)出現(xiàn)壓力脈動，其主要危害是使機組振動加劇和噪聲增大。為了改善混流泵運行的穩(wěn)定性和安靜性，很有必要對混流泵內(nèi)流場的壓力脈動特性進行深入研究。

　　泵內(nèi)流場壓力脈動的試驗研究具有測量困難、周期長、成本高等不利因素，壓力脈動特性的相似理論尚未完善使得模型試驗結(jié)果往往不能對實尺裝置有效指導(dǎo)。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)的專家采用數(shù)值計算手段對離心泵、軸流泵的非定常流場開展了一定研究，而對混流泵壓力脈動的研究則相對較少。

　　本文對混流泵內(nèi)三維非定常湍流進行數(shù)值模擬，以揭示混流泵內(nèi)流場的壓力脈動規(guī)律，為混流泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和噪聲控制提供參考。

1、計算對象和監(jiān)測點選取

　　研究對象為比轉(zhuǎn)數(shù)ns=445的混流泵，其主要參數(shù)為:葉輪葉片數(shù)z=6，導(dǎo)葉葉片數(shù)z1=11，設(shè)計流量系數(shù)KQ=Q/(n0D3)=0.93，揚程系數(shù)KH=H/(n20D2)=0.35，Q為流量，n0為轉(zhuǎn)速，D為混流泵標稱直徑，H為揚程。在葉輪進口、葉輪出口、導(dǎo)葉中間和導(dǎo)葉出口4個截面上各設(shè)置了5個壓力監(jiān)測點，沿徑向均勻布置，如圖1所示。

圖1 壓力監(jiān)測點的布置

結(jié)論

　　(1)混流泵葉輪進口壓力脈動最大，這是影響機組穩(wěn)定和安靜運行的關(guān)鍵。葉輪進口和葉輪出口壓力脈動幅值從輪轂到輪緣遞增，優(yōu)化葉輪輪緣是改善壓力脈動的有效手段。

　　(2)混流泵葉輪進口和葉輪出口壓力脈動主要頻率為葉輪葉頻；在最優(yōu)工況和小流量工況，導(dǎo)葉中間和導(dǎo)葉出口的壓力脈動以低頻為主，而大流量工況依然是葉輪葉頻占主導(dǎo)。為防止機組共振，應(yīng)避免結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)與壓力脈動頻率接近或成整數(shù)倍。

　　(3)運行偏離最優(yōu)工況時混流泵內(nèi)流場壓力脈動增大，偏小流量對葉輪進口壓力脈動影響明顯。不同轉(zhuǎn)速時的最優(yōu)工況混流泵內(nèi)壓力脈動成分相似，壓力脈動隨轉(zhuǎn)速增大而增大。