高比轉數混流泵非定常流場(chǎng)壓力脈動(dòng)特性
為了研究高比轉數混流泵內部流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)情況，采用大渦模擬方法對泵內三維非定常湍流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬，通過(guò)對監測點(diǎn)數據的分析得到了葉輪進(jìn)口、葉輪出口、導葉中間和導葉出口4 個(gè)截面的壓力脈動(dòng)的時(shí)域和頻域情況，探討了產(chǎn)生壓力脈動(dòng)的主要決定因素，同時(shí)也對不同流量下的壓力脈動(dòng)情況進(jìn)行了對比. 研究表明: 這4 個(gè)截面的壓力脈動(dòng)幅值從輪轂到輪緣均逐漸增大; 葉輪進(jìn)口截面壓力脈動(dòng)時(shí)域圖規律性不明顯，葉輪出口截面時(shí)域圖在整個(gè)周期內呈現4個(gè)小周期，葉輪轉動(dòng)頻率控制著(zhù)葉輪進(jìn)出口的壓力脈動(dòng)，且其影響隨著(zhù)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(dòng)的影響逐漸減小，壓力脈動(dòng)以低頻振動(dòng)為主，脈動(dòng)幅值也大為減小; 在不同流量下的壓力脈動(dòng)表現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(dòng)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(shí)序干擾、偏離最優(yōu)工況時(shí)葉片的出口回流、局部空化及氣蝕等因素，都會(huì )導致混流泵內部流動(dòng)出現不連續性，進(jìn)而引起流場(chǎng)內液體壓力隨時(shí)間快速地脈動(dòng)，即出現所謂的壓力脈動(dòng)現象. 壓力脈動(dòng)嚴重時(shí)會(huì )導致泵體振動(dòng)加劇，同時(shí)還可引發(fā)進(jìn)一步的局部空化，甚至在某些情況下會(huì )引起機器共振，產(chǎn)生危害. 因此，出于降低噪聲和提高運動(dòng)穩定性的需要，研究泵內部非定常流場(chǎng)壓力脈動(dòng)特性有著(zhù)重要的意義.
國內外學(xué)者對壓力脈動(dòng)進(jìn)行了相關(guān)研究. Solis等通過(guò)改變葉輪形狀和徑向尺寸，采用雷諾時(shí)均N - S 方程和SST k - w 兩相湍流模型進(jìn)行三維非定常湍流計算，以減小壓力脈動(dòng)對離心泵的影響.Berten 等通過(guò)CFD CFX10 技術(shù)和水下駐波試驗，對多級離心泵內動(dòng)靜干擾引起的三維非定常湍流進(jìn)行了計算，得出動(dòng)靜干擾誘發(fā)壓力脈動(dòng)的特點(diǎn).劉陽(yáng)等對離心泵壓力脈動(dòng)進(jìn)行了全面闡述，總結了3 種不同的壓力動(dòng). 施衛東等對軸流泵全流場(chǎng)進(jìn)行三維非定常數值模擬和試驗研究，得到軸流泵在不同工況和不同導葉數時(shí)內部流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)特性. 但對于高比轉數混流泵內壓力脈動(dòng)情況還缺少相關(guān)研究.
文中在三維定常湍流計算的基礎上，對模型泵進(jìn)行全流道三維非定常大渦湍流模擬，從而預測葉輪進(jìn)口、葉輪出口、導葉中間和導葉出口4 個(gè)截面的壓力脈動(dòng)，并利用FFT 變換對各個(gè)計算點(diǎn)的壓力數據進(jìn)行分析，探討混流泵全流道內壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的主要決定因素等，同時(shí)對不同流量下的壓力脈動(dòng)進(jìn)行對比，為了解混流泵的內部流動(dòng)提供重要理論依據.
1、模型基本參數及計算區域
1.1、基本參數
高比轉數混流泵模型泵設計參數: 流量Q =1 300 m3 /h; 揚程H = 6 m; 轉速n = 1 450 r /min; 比轉數ns = 830.文中進(jìn)行數值模擬的模型泵的葉輪、導葉葉片數組合型式為4 + 7( 葉輪+ 導葉) .
1.2、計算區域
圖1 為模型泵的計算區域. 進(jìn)行數值模擬計算時(shí)，把模型泵劃分為4 個(gè)計算區域，即喇叭管、葉輪、導葉、彎管部分.
圖1 模型泵的計算區域
結論
1) 大渦模擬流動(dòng)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(shuō)明大渦模擬計算方法具有較高的精度，對研究壓力脈動(dòng)具有可行性.
2) 葉輪進(jìn)口、葉輪出口、導葉中間和導葉出口4 個(gè)截面的壓力脈動(dòng)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(guān)結構參數進(jìn)行優(yōu)化，是改善混流泵內壓力脈動(dòng)特性的重要途徑.
3) 在葉輪流道區域，壓力脈動(dòng)主要是由葉輪轉動(dòng)頻率決定，壓力脈動(dòng)的周期與葉輪的葉片數相關(guān)，導葉葉片數對其無(wú)明顯影響. 隨著(zhù)流體不斷遠離葉輪，葉輪對壓力脈動(dòng)的影響逐漸減小. 這說(shuō)明葉輪進(jìn)口處是影響整機運行穩定性的關(guān)鍵，在混流泵的設計中應予以重視.
4) 偏離設計工況時(shí)，壓力脈動(dòng)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.
