低比轉數混流泵壓力脈動(dòng)特性的數值模擬
為了研究動(dòng)靜干涉對混流泵內部流動(dòng)非定常壓力脈動(dòng)特性的影響，在混流泵進(jìn)口截面、動(dòng)靜耦合面以及出口截面取若干壓力脈動(dòng)監測點(diǎn)，采用RNG k - ε 湍流模型和滑移網(wǎng)格技術(shù)，對混流泵全流場(chǎng)進(jìn)行三維非定常湍流計算. 計算了葉輪進(jìn)口截面、動(dòng)靜耦合面以及出口截面的壓力脈動(dòng)，利用快速傅里葉變換進(jìn)行分析，得到了不同特征截面的壓力脈動(dòng)的頻率和幅值，并進(jìn)行外特性試驗驗證。
結果表明: 從輪轂到輪緣，壓力脈動(dòng)最大幅值發(fā)生在葉輪出口輪緣側，而壓力脈動(dòng)最小幅值出現在葉片進(jìn)口輪轂側，葉輪進(jìn)口和葉輪導間輪緣處監測點(diǎn)的幅值約為輪轂處監測點(diǎn)幅值的2 倍; 從葉輪進(jìn)口到導葉出口位置，壓力脈動(dòng)呈現出逐漸增強的趨勢. 壓力脈動(dòng)最大值發(fā)生在導葉出口監測點(diǎn)，且存在一個(gè)低頻壓力脈動(dòng); 在60% ～ 85%設計流量工況范圍內，揚程-流量特性曲線(xiàn)出現正斜率不穩定特性，數值計算與試驗結果存在一定差異。
混流泵的比轉數ns通常處于300 ～ 600 范圍，具有閉式葉輪、半開(kāi)式葉輪以及可調葉片和不可調葉片等多種結構型式，是一種結構和性能介于離心泵和軸流泵之間的泵型，其應用范圍已逐漸向傳統的離心泵和軸流泵領(lǐng)域拓展. 由于混流泵具有結構緊湊、易啟動(dòng)以及效率高等突出優(yōu)點(diǎn)，使其在海水淡化裝置、電廠(chǎng)水循環(huán)、噴水推進(jìn)系統和核電站冷卻劑循環(huán)系統等具有廣泛的應用前景. 王福軍等采用大渦模擬亞格子湍流模型，研究了軸流泵內非定常不穩定流動(dòng)特性. 施衛東等采用雷諾時(shí)均動(dòng)量方程研究了高比轉數斜流泵和軸流泵內非定常壓力脈動(dòng)特性. Kato 等基于大渦模擬亞格子湍流模式研究了非設計工況下混流泵內不穩定流動(dòng)特性. 邴浩等在理論分析的基礎上，對速度矩分布規律進(jìn)行參數化表述，并總結歸納出葉輪設計過(guò)程中速度矩分布參數選擇的規律. Miyabe 等通過(guò)提取壓力脈動(dòng)測試信號，揭示了小流量工況下混流泵的不穩定運行特性是由于沿葉輪入口到導葉出口的大尺度回流現象; 常書(shū)平等認為在葉輪進(jìn)口與出口處，壓力脈動(dòng)主要受葉輪葉頻控制，從輪轂到輪緣脈動(dòng)幅值逐漸增大，噴水推進(jìn)器內最大壓力脈動(dòng)發(fā)生在葉輪進(jìn)口。
混流泵內非定常壓力脈動(dòng)是引起機組振動(dòng)及噪聲的主要原因之一. 近年來(lái)，隨著(zhù)混流泵機組的應用越來(lái)越廣泛，混流泵水力激振等影響機組穩定運行的問(wèn)題越來(lái)越突出，采用CFD 技術(shù)對混流泵內壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行研究是有效的方法之一。目前國內外研究多結合CFD 數值模擬、流動(dòng)測試技術(shù)與壓力脈動(dòng)特征信號提取等研究混流泵內非定常湍流壓力脈動(dòng)特性.文中應用RNG k - ε 湍流模型對混流泵進(jìn)行全流道三維非定常湍流計算，并將外特性性能預估結果與試驗結果對比以驗證數值方法的可靠性，在此基礎分析不同特征截面的壓力脈動(dòng)特性。
1、非定常數值計算方法
1. 1、非定常湍流計算方法
對混流泵進(jìn)行三維非定常湍流數值模擬，計算中在葉輪與靜止部件間形成網(wǎng)格滑移面，模擬進(jìn)口管和葉輪、葉輪和導葉之間的兩級動(dòng)靜干涉，以獲得混流泵葉輪及導葉非定常流動(dòng)特征. 非定常計算采用二階隱式時(shí)間推進(jìn)法，湍流模型采用RNG k - ε湍流模型，壁面采用標準壁面函數進(jìn)行處理. 混流泵內不可壓縮流體的三維非定常湍流控制方程采用雷諾時(shí)均動(dòng)量方程表示，即
結論
基于雷諾時(shí)均方程和RNG k - ε 湍流模型對設計工況下低比轉數混流泵進(jìn)行了非定常數值模擬，將非定常性能預測結果與試驗結果進(jìn)行了對比，并在此基礎上對比了混流泵內非定常壓力脈動(dòng)特性，得到結論如下：
1) 基于雷諾時(shí)均方程和滑移網(wǎng)格技術(shù)，不能準確預估小流量工況下混流泵的H - Q 正斜率不穩定特性，但可以準確預估額定工況和大流量工況下的H - Q 特性曲線(xiàn)。
2) 沿葉輪的輪轂到輪緣，混流泵壓力脈動(dòng)的幅值呈逐漸增大的趨勢，壓力脈動(dòng)最大幅值出現在葉輪出口輪緣側，而壓力脈動(dòng)最小幅值位于在葉片進(jìn)口輪轂側，葉輪進(jìn)口和葉輪出口監測點(diǎn)壓力脈動(dòng)呈周期性變化，壓力波動(dòng)的穩定性較好。
3) 葉輪進(jìn)口監測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值沿徑向逐漸增大，葉輪出口和導葉出口監測點(diǎn)壓力脈動(dòng)較一致. 從葉輪進(jìn)口到導葉出口位置，壓力脈動(dòng)呈現出逐漸增強的趨勢. 由于導葉內非定常流動(dòng)誘發(fā)了較強的低頻壓力脈動(dòng)，導致壓力脈動(dòng)最大值發(fā)生在導葉出口監測點(diǎn)。
