小流量工况下离心泵压力脉动特性研究_郑路路.pdf

书书书小流量工况下离心泵压力脉动特性研究郑路路，陈芳，陈小平（河南工学院 机械工程学院，河南 新乡 ；河南省机电装备数字化设计与制造工程技术研究中心，河南 新乡 ；浙江理工大学 浙江省流体传动技术重点实验室，浙江 杭州 ）摘要：为了深入分析小流量工况下离心泵内非定常压力脉动特性，以一台比转速为 的离心泵为研究对象，对泵内非定常流动开展了数值计算，并获得了蜗壳内不同监测点的压力脉动数据。离心泵数值计算结果与试验数据的对比验证了数值计算结果的准确性。研究结果表明，小流量工况下泵内压力脉动特性更加显著，压力脉动的主频为叶片通过频率及其倍频。在小流量工况下压力脉动频域幅值最大，设计工况下压力脉动频域值明显衰减。工况下各监测点压力脉动频域幅值约为设计工况下的 倍。关键词：离心泵；压力脉动；非定常流动；数值计算中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言离心泵作为一种常用的能量转换装置，广泛应用于能源、电力化工、航空航天以及农业灌溉等领域。随着现代工业的高速发展，离心泵的综合性能以及运行的可靠性受到了越来越多的重视。叶轮与蜗壳之间的动静干涉是离心泵内显著的非定常流动现象，动静干涉引起的强烈压力脉动严重影响了离心泵运行的稳定性与安全性。因此，离心泵内压力脉动特性一直是该领域的研究重点。获得离心泵内压力脉动特性常用的有试验方法与数值计算方法。在试验方面，主要是通过泵壳表面安装的压力传感器，采集不同运行工况条件下离心泵内的压力脉动数据。谭林伟等为了分析不同转速工况下离心泵内压力脉动特性，采用了高频压力传感器获得了不同工况下泵内压力脉动的时、频域图，结果表明，随着转速的增大，叶轮与蜗壳间的干涉作用随之增强，压力脉动的周期性也更加显著。江伟等 研究了半高导叶对离心泵内压力脉动特性的影响，发现降低导叶高度可以显著降低隔舌及其下游处的压力脉动幅值。等 采用压力传感器采集了离心泵蜗壳壁面处的压力脉动数据，并对不同转速工况下压力脉动幅值与强度进行了分析，发现蜗壳出口处压力脉动的强度较大。相关学者采用数值计算的方法在离心泵内压力脉动特性方面也开展了大量的研究 。赵伟国等 研究了叶轮出口宽度对离心泵外特性以及压力脉动特性的影响，发现当叶轮出口宽度减小时，轴频峰值呈现增大的趋势，并在一定程度上引起流道的堵塞。等 采用数值计算与实验相结合的方法研究了不同流量工况下泵内压力脉动特性的分布，研究结果表明，随着流量减小，泵内压力脉动的强度随之增大。等 研究了高转速工况下离心泵内弱可压特性对压力脉动强度的影响，研究结果表明，随着流量的减小，弱可压特性对泵内压力脉动幅值有较大的影响，尤其是在 工况下。综上，虽然在离心泵内压力脉动特性方面已经开展了大量相关研究，并获得了一定的研究成果，但当前对小流量工况下泵内压力脉动特性的研究还不够充分。因此，本文采用数值计算的方法，主要针对小流量工况下泵内非定常流动特性及非定常压力脉动特性进行研究，并对小流量工况下压力脉动时、频域特征进行分析。第 卷第期 年月河南工学院学报 收稿日期：基金项目：河南省科技攻关项目（）；河南省高等学校重点科研项目（）；河南工学院博士科研启动基金（）第一作者简介：郑路路（），男，河南焦作人，讲师，博士，主要从事离心泵非定常流动特性研究。数值计算 离心泵基本参数及计算模型本文的研究对象为比转速为 的单级单吸离心泵，主要参数为：转速 ，扬程 ，效率，流量。为了确保离心泵内部流动数值计算结果的准确性，本文考虑了间隙流动对内流场的影响。因此，离心泵的计算域包括叶轮、蜗壳、前后泵腔、进口、出口区域。采用三维建模软件对离心泵的各计算组成部件进行建模，并对建好的模型进行装配，图为离心泵计算模型。图离心泵计算模型 数值计算方法对于本文所研究的离心泵，泵内流动可视为不可压缩的三维非定常流动，因此，其控制方程的表达式为：（）（）（）（）（）（）式中，表示流体密度，表示方向速度，表示广义源项。为了获得泵内精准的数值计算结果，本文采用的湍流模型为 模型，该湍流模型兼具了近壁面区流动的精确性和远场自由流动的可靠性。边界条件采用的是速度进口与自由出流。在定常计算时，近壁面处采用无滑移边界条件，各流域之间的数据交换通过交界面 来实现。离心泵定常计算的结果作为非定常数值计算的初始条件。为确保非定常数值计算的准确性，选取叶轮旋转 所需的时间作为非定常数值计算的时间步长，即 ，即一个叶轮旋转周期需要 个时间步长。离心泵计算网格为了获得离心泵内精确数值计算结果，本文采用结构化网格对离心泵的各部分进行网格划分，并且对泵内关键区域进行了网格局部加密处理。图为离心泵的网格示意图。离心泵进口延长段、出口延长段、泵腔、蜗壳以及叶轮的网格数分别为 ，、，、，、，以 及 ，。最终计算用离心泵网格总数约为 万。（）整体网格（）口环局部网格图离心泵网格示意图 监测点布置为了更加清晰地研究小流量工况下离心泵内部流动特性和压力脉动分布特性。在蜗壳内不同位置处设置了压力监测点、，并对监测点的压力脉动数据进行监测分析，具体监测点的分布示意如图所示。图泵内监测点位置示意图河南工学院学报 年第期数值计算结果分析 性能结果分析离心泵扬程和效率的计算公式如下：（）（）式中，表示离心泵出口总压，表示离心泵进口总压，表示流体密度，表示重力加速度，表示离心泵进出口高度差，表示扭矩，表示角速度。图为不同流量工况下离心泵扬程和效率的计算结果与实验结果。由图可知，离心泵的数值计算结果与实验结果能够较好地吻合，能够较准确地预测泵内部流动特性。图离心泵外特性数值计算试验结果对比 压力脉动特性分析图为不同流量工况下离心泵中心平面压力分布云图。由图可知，受叶轮与蜗壳间动静干涉作用的影响，蜗壳与叶轮内的压力分布不均匀，尤其是在 和 工况下，泵内压力分布不均匀现象更加突出。在泵运行过程中，叶轮持续对流体介质做功，随着半径的增大，叶轮流道内的压力也随之增大，并在叶轮出口处达到最大值。相比于设计工况，小流量工况下叶轮流道内压力变化梯度更加显著，尤其是在靠近流道出口区域叶片尾缘压力面处。叶轮共有个流道，其中距离隔舌最近的流道压力变化最为突出。蜗壳具备将流体的动能转换为压力能的作用，因此，蜗壳出口处的静压最大。就蜗壳内压力而言，相比于设计工况，小流量工况下蜗壳内压力明显较大，并呈现由蜗壳出口向上游流域扩散的分布特征。在 工况下发现，蜗壳内高压区与流道叶片尾缘高压区呈现相连接的现象。总体上，工况下泵内压力更加复杂。为了定量分析离心泵内非定常压力脉动特性，采用无量纲的压力脉动系数来对泵内不同监测点压力脉动特性进行研究，其中计算表达式为：?（）式中，表示监测点的瞬时压力，?表示平均压力，表示流体密度，表示叶轮出口的圆周速度。（）（）（）图不同流量工况下泵内压力分布云图图为不同流量工况下各监测点压力脉动频域分布图。由图可知，不同流量工况下各监测点压力脉动 的 主 导 频 率 为 叶 频 及 其 倍 频。整 体 上，在 工况下叶频及其倍频处压力脉动频域幅值最大。随着流量的增大，各监测点叶频及其倍频处压力脉动频域幅值开始锐减，尤其是在 工况下。对不同流量工况而言，叶频处压力脉动频域幅值最大，随着频率的增大压力脉动频域幅值开始显著衰减。相比之下，小流量工况下压力脉动频域值衰减较慢，工况下压力脉动幅值衰减最快，倍叶频与倍叶频处压力脉动频域值迅速减小。对各监测点而言，整体上 监测点压力脉动频域值最大，监测点压力脉动频域值最小，和 测点压力脉动幅值居中。各监测点压力脉动频域值的大郑路路，等：小流量工况下离心泵压力脉动特性研究小与泵内非定常流动特性、监测点的空间位置以及相对隔舌的位置有密切关联。（）（）（）图不同流量工况下各监测点压力脉动频域分布图表为不同流量工况下各监测点压力脉动最大幅值。由表可知，对各监测点而言，在小流量 工况下，压力脉动频域值最大。随着流量的增大，压力脉动频域值随之减小，在 工况下减到最小值。在 工况下，点压力脉动最大值约为设计工况的 倍，点压力脉动最大值约为设计工况的 倍，点压力脉动最大值约为设计工况的 倍，点压力脉动最大值约为设计工况的 倍。整体上，在 工况下各监测点压力脉动频域最大值约为设计工况的 倍。表不同工况下各监测点压力脉动最大幅值监测点压力脉动最大幅值 结论本文通过对一台比转速为 离心泵的非定常数值计算，重点分析了小流量工况下离心泵内压力分布以及压力脉动分布特性，得到主要结论如下：（）数值计算得到离心泵外特性曲线与试验结果能够较好吻合，验证了数值计算方法的可靠性，反映数值计算方法可以准确地捕捉到离心泵的内部流动特性。（）在小流量工况下，泵内压力分布更加复杂，蜗壳内高压区呈现向上游流域发展的趋势，并与叶轮流道出口的高压区相连接。（）在小流量工况下，泵内压力脉动特性最为显著。在 工况下，各监测点压力脉动频域值最大，约为设计工况的 倍。（责任编辑王磊）参考文献：，关醒凡现代泵理论与设计北京：中国宇航出版社，张玉良，朱祖超离心泵非稳定工况流动特性北京：机械工业出版社，朱祖超，林培锋，陈小平离心泵内部流动数值分析及应用北京：机械工业出版社，高波，王震，杨丽，等不同口环间隙离心泵性能及水力激励特性分析及试验农业工程学报，（）：周强，李宏坤，仲作文，等离心泵导叶流道进口处压力脉动研究工程热物理学报，（）：，（）：朱相源，赖芬，谢昌成，等离心泵动静干涉的试验及数值研究哈尔滨工程大学学报，（）：谭林伟，牛国平，施卫东，等不同转速下离心泵压力脉动的试验研究南通大学学报（自然科学版），（）：江伟，朱相源，田辉，等半高导叶对离心泵压力脉动影响的数值模拟与试验研究中南大学学报，（）：，河南工学院学报 年第期 ，：，：，（）：，（）：，：赵伟国，翟利静，咸丽霞，等叶轮出口宽度对离心泵性能及压力脉动的影响兰州理工大学学报，（）：，（）：，（）：，（）：，（，；，；，）：，：；郑路路，等：小流量工况下离心泵压力脉动特性研究