多級離心泵整機流場三維非穩(wěn)態(tài)湍流壓力脈動特性分析
為了探究離心泵內部非穩(wěn)態(tài)流動引起的壓力脈動現(xiàn)象及其特性，以某型多級離心泵為對象，建立了流場三維有限元網(wǎng)格.采用Fluent仿真技術，選用RNGk-ε湍流模型對離心泵流場進行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算，通過設置監(jiān)測點，得到了不同位置處在每個時間步長下的壓力值.運用FFT方法，對葉輪及蝸殼等主要流道監(jiān)測點的壓力脈動進行頻譜分析，結果表明葉輪和蝸殼內的壓力脈動主要集中在葉頻及其倍頻處，并且葉輪與蝸殼之間動靜干涉對壓力脈動有較大的影響.
離心泵在船舶與海洋工程中具有廣泛的應用，提高其設計效率、降低其運行振動和噪聲，對綠色船舶設計具有很大的現(xiàn)實意義.
流體激勵力是離心泵主要振源之一，研究其對機腳振動影響變得尤為重要，從離心泵流體誘導振動入手，已經(jīng)對流體產(chǎn)生的振動進行了一定研究.非穩(wěn)態(tài)壓力脈動的研究，主要有實驗和數(shù)值模擬2種方法.
上述研究有助于理解泵內葉輪和蝸殼、導葉等靜止部件的相互作用，比較準確地計算和預測了動靜干擾引起的壓力脈動的頻率和振幅等特性.多級離心泵因為結構復雜，還未見對其非穩(wěn)態(tài)湍流壓力脈動特性的數(shù)值研究.因此本文針對多級離心泵中的壓力脈動問題，利用RNGk-ε湍流模型和滑移網(wǎng)格方法對某型多級離心泵進行設計工況下整機三維非穩(wěn)態(tài)湍流數(shù)值計算，并利用FFT方法對計算結果進行頻譜分析.通過在不同位置設置監(jiān)測點監(jiān)測壓力脈動，以揭示離心泵內的壓力脈動特性，分析流激振動的來源，為解決泵的振動問題提供依據(jù).
1、計算區(qū)域及方法
1.1、計算區(qū)域及網(wǎng)絡
設計工況下，泵的運行參數(shù)為:流量24m3/h，出口壓力0.46MPa，轉速1460r/min.3級葉輪葉片數(shù)依次為10、6、6.計算區(qū)域為包括吸水室，3級葉輪和蝸殼，壓水室的全部流道.考慮到計算區(qū)域的復雜性，文中首先利用Proe對多級離心泵進行三維實體建模，然后將實體模型導入HyperMesh中進行布爾運算，得到多級離心泵的整機實體模型如圖1所示.
圖1 整機實體模型
泵內流道非常復雜，因此采用適應性非常強的四面體非結構化網(wǎng)格.葉輪的幾何形狀及其中的流體流動非常復雜，而且是運動部件，因此葉輪葉片表面需要做較細致的網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格數(shù)對數(shù)值計算結果的準確性和所要求的計算資源影響非常大，因此選擇出口壓力進行網(wǎng)格靈敏度分析.
圖2為網(wǎng)格數(shù)變化對出口壓力預測的影響.從中可以發(fā)現(xiàn)，當網(wǎng)格數(shù)為2011334(圖中虛線所示)時，出口壓力預測結果準確，并且計算用時比較合理，因此選擇這個網(wǎng)格數(shù)進行數(shù)值計算.計算網(wǎng)格模型如圖3所示.
圖2 網(wǎng)格數(shù)對出口壓力預測的影響
圖3 計算網(wǎng)格模型
1.2、計算方法
首先對泵整機流場進行穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算，在相同條件下，將穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算的結果作為非穩(wěn)態(tài)計算的初始值.在每一級葉輪和蝸殼間分別形成滑移網(wǎng)格的條件，計算葉輪和蝸殼的相互干涉，得到整機內的非穩(wěn)態(tài)流動特征.
非穩(wěn)態(tài)計算采用全隱式時間格式，選擇RNGk-ε湍流模型，壁面上取無滑移邊界條件，用標準壁面函數(shù)處理.采用SIMPLEC算法求解壓力速度耦合方程組，控制方程對流項的離散采用二階迎風格式，擴散項、源項的離散采用二階中心差分格式.代數(shù)求解采用亞松弛迭代，頻域采用快速傅里葉變換.泵的進口處采用速度進口邊界條件，假定進口處速度均勻并垂直于進口斷面，給定速度初值;泵出口處滿足充分發(fā)展的假定，采用壓力出口邊界條件，認為出口靜壓值不變.
數(shù)值計算得到各個監(jiān)測點在每個時間步長下的壓力值，將這些壓力值進行快速傅里葉變換(FFT)后得到壓力脈動的頻域特性.
結論
文中對某型多級離心泵整機流場進行了設計工況下的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算，得到了各級葉輪流道和隔舌區(qū)的壓力脈動特性，揭示了多級離心泵內重要的非穩(wěn)態(tài)特征.
1)在葉輪流道內，不同半徑處壓力脈動頻率和幅值分布不同.不同結構形式的葉輪壓力脈動頻率和幅值分布也不同.上下游不同過流元件對葉輪流道內的壓力脈動分布也有影響.
2)葉輪和蝸殼的動靜干涉對流體造成不穩(wěn)定流動，產(chǎn)生了較大的壓力脈動，壓力脈動的主要頻率為葉頻及其倍頻.
3)通過不同測點壓力脈動的頻譜特征，分析出多級離心泵內壓力脈動的振源所在，以便根據(jù)頻譜的分布特點合理選擇多級離心泵的葉輪形式及葉片數(shù)、轉速等參數(shù)，合理設計泵的主要部件的固有模態(tài)，這對與振動噪聲相關的性能改進具有很大的指導意義.
