多級離心泵整機流場(chǎng)三維非穩態(tài)湍流壓力脈動(dòng)特性分析
為了探究離心泵內部非穩態(tài)流動(dòng)引起的壓力脈動(dòng)現象及其特性，以某型多級離心泵為對象，建立了流場(chǎng)三維有限元網(wǎng)格.采用Fluent仿真技術(shù)，選用RNGk-ε湍流模型對離心泵流場(chǎng)進(jìn)行非穩態(tài)數值計算，通過(guò)設置監測點(diǎn)，得到了不同位置處在每個(gè)時(shí)間步長(cháng)下的壓力值.運用FFT方法，對葉輪及蝸殼等主要流道監測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)進(jìn)行頻譜分析，結果表明葉輪和蝸殼內的壓力脈動(dòng)主要集中在葉頻及其倍頻處，并且葉輪與蝸殼之間動(dòng)靜干涉對壓力脈動(dòng)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(dòng)和噪聲，對綠色船舶設計具有很大的現實(shí)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(dòng)影響變得尤為重要，從離心泵流體誘導振動(dòng)入手，已經(jīng)對流體產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行了一定研究.非穩態(tài)壓力脈動(dòng)的研究，主要有實(shí)驗和數值模擬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(dòng)靜干擾引起的壓力脈動(dòng)的頻率和振幅等特性.多級離心泵因為結構復雜，還未見(jiàn)對其非穩態(tài)湍流壓力脈動(dòng)特性的數值研究.因此本文針對多級離心泵中的壓力脈動(dòng)問(wèn)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(jìn)行設計工況下整機三維非穩態(tài)湍流數值計算，并利用FFT方法對計算結果進(jìn)行頻譜分析.通過(guò)在不同位置設置監測點(diǎn)監測壓力脈動(dòng)，以揭示離心泵內的壓力脈動(dòng)特性，分析流激振動(dòng)的來(lái)源，為解決泵的振動(dòng)問(wèn)題提供依據.
1、計算區域及方法
1.1、計算區域及網(wǎng)絡(luò )
設計工況下，泵的運行參數為:流量24m3/h，出口壓力0.46MPa，轉速1460r/min.3級葉輪葉片數依次為10、6、6.計算區域為包括吸水室，3級葉輪和蝸殼，壓水室的全部流道.考慮到計算區域的復雜性，文中首先利用Proe對多級離心泵進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后將實(shí)體模型導入HyperMesh中進(jìn)行布爾運算，得到多級離心泵的整機實(shí)體模型如圖1所示.
圖1 整機實(shí)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(dòng)非常復雜，而且是運動(dòng)部件，因此葉輪葉片表面需要做較細致的網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格數對數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(jìn)行網(wǎng)格靈敏度分析.
圖2為網(wǎng)格數變化對出口壓力預測的影響.從中可以發(fā)現，當網(wǎng)格數為2011334(圖中虛線(xiàn)所示)時(shí)，出口壓力預測結果準確，并且計算用時(shí)比較合理，因此選擇這個(gè)網(wǎng)格數進(jìn)行數值計算.計算網(wǎng)格模型如圖3所示.
圖2 網(wǎng)格數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(chǎng)進(jìn)行穩態(tài)數值計算，在相同條件下，將穩態(tài)數值計算的結果作為非穩態(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，得到整機內的非穩態(tài)流動(dòng)特征.
非穩態(tài)計算采用全隱式時(shí)間格式，選擇RNGk-ε湍流模型，壁面上取無(wú)滑移邊界條件，用標準壁面函數處理.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(fēng)格式，擴散項、源項的離散采用二階中心差分格式.代數求解采用亞松弛迭代，頻域采用快速傅里葉變換.泵的進(jìn)口處采用速度進(jìn)口邊界條件，假定進(jìn)口處速度均勻并垂直于進(jìn)口斷面，給定速度初值;泵出口處滿(mǎn)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.
數值計算得到各個(gè)監測點(diǎn)在每個(gè)時(shí)間步長(cháng)下的壓力值，將這些壓力值進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)后得到壓力脈動(dòng)的頻域特性.
結論
文中對某型多級離心泵整機流場(chǎng)進(jìn)行了設計工況下的三維非穩態(tài)數值計算，得到了各級葉輪流道和隔舌區的壓力脈動(dòng)特性，揭示了多級離心泵內重要的非穩態(tài)特征.
1)在葉輪流道內，不同半徑處壓力脈動(dòng)頻率和幅值分布不同.不同結構形式的葉輪壓力脈動(dòng)頻率和幅值分布也不同.上下游不同過(guò)流元件對葉輪流道內的壓力脈動(dòng)分布也有影響.
2)葉輪和蝸殼的動(dòng)靜干涉對流體造成不穩定流動(dòng)，產(chǎn)生了較大的壓力脈動(dòng)，壓力脈動(dòng)的主要頻率為葉頻及其倍頻.
3)通過(guò)不同測點(diǎn)壓力脈動(dòng)的頻譜特征，分析出多級離心泵內壓力脈動(dòng)的振源所在，以便根據頻譜的分布特點(diǎn)合理選擇多級離心泵的葉輪形式及葉片數、轉速等參數，合理設計泵的主要部件的固有模態(tài)，這對與振動(dòng)噪聲相關(guān)的性能改進(jìn)具有很大的指導意義.
