高比轉數(shù)混流泵非定常流場壓力脈動特性

　　為了研究高比轉數(shù)混流泵內(nèi)部流場的壓力脈動情況，采用大渦模擬方法對泵內(nèi)三維非定常湍流場進行數(shù)值模擬，通過對監(jiān)測點數(shù)據(jù)的分析得到了葉輪進口、葉輪出口、導葉中間和導葉出口4 個截面的壓力脈動的時域和頻域情況，探討了產(chǎn)生壓力脈動的主要決定因素，同時也對不同流量下的壓力脈動情況進行了對比. 研究表明: 這4 個截面的壓力脈動幅值從輪轂到輪緣均逐漸增大; 葉輪進口截面壓力脈動時域圖規(guī)律性不明顯，葉輪出口截面時域圖在整個周期內(nèi)呈現(xiàn)4個小周期，葉輪轉動頻率控制著葉輪進出口的壓力脈動，且其影響隨著流體遠離葉輪而逐漸減弱; 在導葉中間截面和導葉出口截面，葉輪對流體壓力脈動的影響逐漸減小，壓力脈動以低頻振動為主，脈動幅值也大為減小; 在不同流量下的壓力脈動表現(xiàn)為小流量下幅值較大以及流量對主要頻率影響較小，大流量工況下壓力脈動情況要優(yōu)于小流量工況.

　　眾所周知，旋轉葉輪與靜止導葉的非定常時序干擾、偏離最優(yōu)工況時葉片的出口回流、局部空化及氣蝕等因素，都會導致混流泵內(nèi)部流動出現(xiàn)不連續(xù)性，進而引起流場內(nèi)液體壓力隨時間快速地脈動，即出現(xiàn)所謂的壓力脈動現(xiàn)象. 壓力脈動嚴重時會導致泵體振動加劇，同時還可引發(fā)進一步的局部空化，甚至在某些情況下會引起機器共振，產(chǎn)生危害. 因此，出于降低噪聲和提高運動穩(wěn)定性的需要，研究泵內(nèi)部非定常流場壓力脈動特性有著重要的意義.

　　國內(nèi)外學者對壓力脈動進行了相關研究. Solis等通過改變?nèi)~輪形狀和徑向尺寸，采用雷諾時均N - S 方程和SST k - w 兩相湍流模型進行三維非定常湍流計算，以減小壓力脈動對離心泵的影響.Berten 等通過CFD CFX10 技術和水下駐波試驗，對多級離心泵內(nèi)動靜干擾引起的三維非定常湍流進行了計算，得出動靜干擾誘發(fā)壓力脈動的特點.劉陽等對離心泵壓力脈動進行了全面闡述，總結了3 種不同的壓力動. 施衛(wèi)東等對軸流泵全流場進行三維非定常數(shù)值模擬和試驗研究，得到軸流泵在不同工況和不同導葉數(shù)時內(nèi)部流場的壓力脈動特性. 但對于高比轉數(shù)混流泵內(nèi)壓力脈動情況還缺少相關研究.

　　文中在三維定常湍流計算的基礎上，對模型泵進行全流道三維非定常大渦湍流模擬，從而預測葉輪進口、葉輪出口、導葉中間和導葉出口4 個截面的壓力脈動，并利用FFT 變換對各個計算點的壓力數(shù)據(jù)進行分析，探討混流泵全流道內(nèi)壓力脈動產(chǎn)生的主要決定因素等，同時對不同流量下的壓力脈動進行對比，為了解混流泵的內(nèi)部流動提供重要理論依據(jù).

　　1、模型基本參數(shù)及計算區(qū)域

　　1.1、基本參數(shù)

　　高比轉數(shù)混流泵模型泵設計參數(shù): 流量Q =1 300 m3 /h; 揚程H = 6 m; 轉速n = 1 450 r /min; 比轉數(shù)ns = 830.文中進行數(shù)值模擬的模型泵的葉輪、導葉葉片數(shù)組合型式為4 + 7( 葉輪+ 導葉) .

　　1.2、計算區(qū)域

　　圖1 為模型泵的計算區(qū)域. 進行數(shù)值模擬計算時，把模型泵劃分為4 個計算區(qū)域，即喇叭管、葉輪、導葉、彎管部分.

圖1 模型泵的計算區(qū)域

　　結論

　　1) 大渦模擬流動理論準確地預測了混流泵的外特性. 計算結果與試驗結果較吻合，這說明大渦模擬計算方法具有較高的精度，對研究壓力脈動具有可行性.

　　2) 葉輪進口、葉輪出口、導葉中間和導葉出口4 個截面的壓力脈動幅值從輪轂到輪緣都是增大的，且輪緣處的幅值是輪轂處的2 倍以上. 因此，對葉輪輪緣等相關結構參數(shù)進行優(yōu)化，是改善混流泵內(nèi)壓力脈動特性的重要途徑.

　　3) 在葉輪流道區(qū)域，壓力脈動主要是由葉輪轉動頻率決定，壓力脈動的周期與葉輪的葉片數(shù)相關，導葉葉片數(shù)對其無明顯影響. 隨著流體不斷遠離葉輪，葉輪對壓力脈動的影響逐漸減小. 這說明葉輪進口處是影響整機運行穩(wěn)定性的關鍵，在混流泵的設計中應予以重視.

　　4) 偏離設計工況時，壓力脈動明顯增大，且小流量工況下增幅大于大流量工況. 因此，混流泵應盡量避免在偏離設計工況下運行.