混流泵內流場(chǎng)壓力脈動(dòng)特性研究

　　基于RANS方程和SST湍流模型，應用SIMPLEC算法，對混流泵內流場(chǎng)進(jìn)行非定常數值模擬，分析了不同流量工況和不同轉速工況時(shí)混流泵內4個(gè)代表性監測面上壓力脈動(dòng)的時(shí)域和頻域特性。取非定常計算的功率平均值與試驗值對比，證明該數值模型可較準確描述泵內流場(chǎng)特征。結果表明:混流泵內最大壓力脈動(dòng)在葉輪進(jìn)口，從輪轂到輪緣脈動(dòng)幅值遞增；在葉輪進(jìn)口和葉輪出口壓力脈動(dòng)頻率主要為葉輪葉頻，而導葉中間和導葉出口壓力脈動(dòng)頻率與流量工況相關(guān)；偏離最優(yōu)工況越遠脈動(dòng)越大，偏小流量對葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)影響明顯；不同轉速時(shí)最優(yōu)工況壓力脈動(dòng)頻率成分相似，脈動(dòng)幅值隨轉速增加而增加。

　　混流泵在農田灌溉、防澇排洪、城市供水等領(lǐng)域都有廣泛應用。由于轉動(dòng)葉輪與靜止導葉之間的相對運動(dòng)、葉片導邊的水流沖擊、葉片隨邊的脫流、局部空化等都會(huì )引起混流泵內出現壓力脈動(dòng)，其主要危害是使機組振動(dòng)加劇和噪聲增大。為了改善混流泵運行的穩定性和安靜性，很有必要對混流泵內流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行深入研究。

　　泵內流場(chǎng)壓力脈動(dòng)的試驗研究具有測量困難、周期長(cháng)、成本高等不利因素，壓力脈動(dòng)特性的相似理論尚未完善使得模型試驗結果往往不能對實(shí)尺裝置有效指導。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)的專(zhuān)家采用數值計算手段對離心泵、軸流泵的非定常流場(chǎng)開(kāi)展了一定研究，而對混流泵壓力脈動(dòng)的研究則相對較少。

　　本文對混流泵內三維非定常湍流進(jìn)行數值模擬，以揭示混流泵內流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)規律，為混流泵的結構優(yōu)化和噪聲控制提供參考。

1、計算對象和監測點(diǎn)選取

　　研究對象為比轉數ns=445的混流泵，其主要參數為:葉輪葉片數z=6，導葉葉片數z1=11，設計流量系數KQ=Q/(n0D3)=0.93，揚程系數KH=H/(n20D2)=0.35，Q為流量，n0為轉速，D為混流泵標稱(chēng)直徑，H為揚程。在葉輪進(jìn)口、葉輪出口、導葉中間和導葉出口4個(gè)截面上各設置了5個(gè)壓力監測點(diǎn)，沿徑向均勻布置，如圖1所示。

圖1 壓力監測點(diǎn)的布置

結論

　　(1)混流泵葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)最大，這是影響機組穩定和安靜運行的關(guān)鍵。葉輪進(jìn)口和葉輪出口壓力脈動(dòng)幅值從輪轂到輪緣遞增，優(yōu)化葉輪輪緣是改善壓力脈動(dòng)的有效手段。

　　(2)混流泵葉輪進(jìn)口和葉輪出口壓力脈動(dòng)主要頻率為葉輪葉頻；在最優(yōu)工況和小流量工況，導葉中間和導葉出口的壓力脈動(dòng)以低頻為主，而大流量工況依然是葉輪葉頻占主導。為防止機組共振，應避免結構的固有模態(tài)與壓力脈動(dòng)頻率接近或成整數倍。

　　(3)運行偏離最優(yōu)工況時(shí)混流泵內流場(chǎng)壓力脈動(dòng)增大，偏小流量對葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)影響明顯。不同轉速時(shí)的最優(yōu)工況混流泵內壓力脈動(dòng)成分相似，壓力脈動(dòng)隨轉速增大而增大。