畢禎¹李仁年^1,2 黎義斌^1,2 肖麗倩¹

1　蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院　甘肅　蘭州　730050

2　甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　甘肅　蘭州　730050

摘要:為了揭示旋渦泵內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和非定常壓力脈動(dòng)特性，研制具有開式葉輪和閉式流道結(jié)構(gòu)的多級(jí)旋渦泵，基于RNGk-ω湍流模型、SIMPLEC算法與塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)旋渦泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證。通過外特性數(shù)值預(yù)測(cè)驗(yàn)證了該旋渦泵能夠滿足設(shè)計(jì)參數(shù)的要求?；贑FD數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)旋渦泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：隨著流量逐漸增大，旋渦泵揚(yáng)程呈現(xiàn)陡降的趨勢(shì)，同時(shí)葉輪葉片的做功能力變差，葉片對(duì)液體的增壓能力逐漸降低。在葉輪吸入口和壓出口兩側(cè)的葉片流道內(nèi)部，其速度分布和湍動(dòng)能分布變化梯度較大,其它葉片流道內(nèi)部速度分布和湍動(dòng)能分布較為相似。葉輪流道內(nèi)部葉頂區(qū)域中間流道內(nèi)存在1個(gè)低速區(qū)，隨著流量的逐漸增大，低速區(qū)越來越小。葉輪流道內(nèi)部葉根區(qū)域中間流道內(nèi)存在1個(gè)速度梯度密集區(qū)，該區(qū)域湍動(dòng)能較大，即葉片流道的葉根區(qū)域存在較大的損失耗散區(qū)，隨著流量的逐漸增大，該損失耗散區(qū)越來越小。分析旋渦泵各特征位置的壓力脈動(dòng)特性發(fā)現(xiàn)，在葉輪葉片不同監(jiān)測(cè)位置和閉式流道不同監(jiān)測(cè)位置，壓力脈動(dòng)頻率特性較為明顯，即此處會(huì)誘發(fā)較為明顯的水力振動(dòng)和噪聲。結(jié)果揭示了旋渦泵內(nèi)部流場(chǎng)和性能的影響機(jī)理，為旋渦泵的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞:旋渦泵；開式葉輪；閉式流道；壓力脈動(dòng)；數(shù)值分析

Numericalanalysisofinternalflowcharacteristicandpressurefluctuationofmultistagevortexpump

BIZhen¹,LIRennian^1,2,LIYibin^1,2,XIAOLiqian¹

（1 School of Energy and Power Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou,Gansu 730050，China；

2 KeyLaboratory of Fluid Machinery and Systems of Gansu Province，Lanzhou，Gansu 730050，China)

Abstract:In order to reveal pressure fluctuationcharacteristics of internal fluid field’s structures in vortex pump, a multistage side pump with unshrouded impellers and closed runners was developed. Based on RNG k-ω turbulence model, SIMPLEC algorithm and structural grid, numerical simulations and experimental tests of the vortex pump were conducted. The external characteristic predictions indicated that the pump performance meet design requirements. Based on numerical simulation techniques, the internal flow field in the vortex pump was simulated. The results show that the vortex pump’s head has the tendency of plunge and at the same time blade power capacity becomes worse, blade pressurizing ability to liquid decreases gradually.Inside the blade runner of impeller inlet and outlet, degrees of velocity and turbulence energy distribution change sharply, velocity and turbulence energy distributions in other blade runners are very much alike. Inside the middle of impeller blade tip flow channel exists a low velocity region and the region becomes smaller and smaller with the flow rate increasing gradually. Inside the middle of impeller blade root flow channel exists a concentration zone of velocity gradient, in which the turbulence kinetic energy is larger, namely there exists a larger dissipation loss area in impeller blade root flow channel, and it is becoming smaller with the increasing of flow rate. Analysis of pressure fluctuation characteristics in vortex pump′s characteristic locations found that at different monitoring locations of impeller blades and closed runners, pressure fluctuation frequency characteristics are more obvious, where obvious hydraulic vibration and noise can be induced. The results reveal the impact mechanism of internal fields and performance of vortex pump, which pro-vides a theoretical basis for vortex pump’sdesign.

Keywords:vortexpump；unshroudedimpeller；closedrunner；pressurefluctuation；numericalsimulation

旋渦泵是一種小流量、高揚(yáng)程的葉片泵，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及航空航天領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用^`1-3`。鑒于多級(jí)旋渦泵結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，試驗(yàn)方法難以準(zhǔn)確測(cè)量葉輪葉片和流道內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，因而CFD數(shù)值模擬成為研究葉頂間隙內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律的主要手段^`4-5`，國(guó)內(nèi)外對(duì)旋渦泵內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理已開展了深入而系統(tǒng)的研究^`6-11`。王春林等^`12`分析了分離室內(nèi)旋渦形成的原因；金玉珍等^`13`建立了小流量高揚(yáng)程離心旋渦泵氣液混輸揚(yáng)程的計(jì)算方法；COLE等^`14`提出單輪雙級(jí)旋渦泵，對(duì)提高旋渦泵的氣蝕性能及綜合性能具有理論意義。但在多級(jí)旋渦泵壓力脈動(dòng)方面相關(guān)文獻(xiàn)仍然較少，缺乏其特性與機(jī)理的探討，因此有必要對(duì)多級(jí)旋渦泵壓力脈動(dòng)特性做進(jìn)一步深入的研究分析。

文中主要針對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)泵的氣液混輸，提出低比轉(zhuǎn)數(shù)離心旋渦泵的葉輪設(shè)計(jì)方法，采用誘導(dǎo)輪、復(fù)合離心葉輪和開式旋渦葉輪串聯(lián)組合的葉輪結(jié)構(gòu)型式，自行研制HTB-560型低比轉(zhuǎn)數(shù)離心旋渦泵，設(shè)計(jì)以清水為介質(zhì)的泵閉式試驗(yàn)裝置，以清水代替兩相混合介質(zhì)研究樣泵單相性能的變化規(guī)律。采用數(shù)值計(jì)算和外特性試驗(yàn)結(jié)合的方法，研究多級(jí)旋渦泵內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和水力性能的影響，同時(shí)為獲得旋渦泵內(nèi)壓力脈動(dòng)特性，選取第一級(jí)泵進(jìn)行了非定常計(jì)算，為設(shè)計(jì)高效低噪聲多級(jí)旋渦泵葉輪提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型及數(shù)值計(jì)算方法

1.1 三維模型

文中研究對(duì)象為多級(jí)旋渦泵,其設(shè)計(jì)參數(shù):額定流量Q=1.2m³/h，額定揚(yáng)程H=35m，η≥20％。因具有一定自吸性能，運(yùn)行期間可能會(huì)出現(xiàn)氣液混合的現(xiàn)象，最高時(shí)液相的流量為0.8m³/h，其余均為氣相?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)要求，該泵設(shè)計(jì)為多級(jí)自吸旋渦泵，為了滿足自吸和氣液混輸?shù)哪芰Γ摫玫霓D(zhuǎn)速為n=1480r/min，葉輪選用開式葉輪，閉式流道半圓形斷面。根據(jù)設(shè)計(jì)要求計(jì)算得到主要幾何參數(shù)為泵進(jìn)口直徑D_s=32mm，泵出口直徑D_d=25mm，葉輪葉片最大直徑D₂=100mm，最小直徑D₂=63mm，葉輪葉片寬度b=8mm，葉片數(shù)Z=24，葉片厚度δ=4m。

多級(jí)旋渦泵整機(jī)計(jì)算域由進(jìn)口段、一級(jí)葉輪、一級(jí)中段、二級(jí)葉輪、二級(jí)中段、三級(jí)葉輪、三級(jí)中段及出口段組成，總裝配圖如圖1所示。

圖1　多級(jí)旋渦泵總裝圖

Fig.1　Assemblydrawingofmultistagevortexpump

單級(jí)旋渦泵采用了第一級(jí)中的水力部件。根據(jù)旋渦泵水力圖和結(jié)構(gòu)圖，采用Pro/E5.0軟件完成全流道的三維建模，計(jì)算域如圖2所示。

1.2 湍流模型

多級(jí)旋渦泵內(nèi)不可壓縮流體的三維非定常湍流控制方程采用雷諾平均動(dòng)量方程:

式中:ρ為流體密度；-ρμ′_iμ′_j為平均雷諾應(yīng)力；μ_t為湍流黏性系數(shù),是湍動(dòng)能k和湍流耗散率系數(shù)ε的函數(shù)；δ_ij為克羅內(nèi)克爾數(shù).采用RNGk-ε雙方程模型使雷諾平均方程封閉，其形式為

式中:S_ij為應(yīng)變率張量分量；R為ε方程中的附加源項(xiàng)，表示平均應(yīng)變率對(duì)ε的影響，S為量綱一的應(yīng)變率；模型參數(shù)C_μ=0.0845，C_1ε=0.42，C_2ε=1.68，α_k=1.0，α_ε=0.769,β=0.012，η₀=4.38。

1.3 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

對(duì)于模擬間隙流動(dòng)等復(fù)雜區(qū)域的流動(dòng)問題,與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相比，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有生成速度快、網(wǎng)格質(zhì)量高以及能夠有效捕捉物理結(jié)構(gòu)表面等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于旋渦泵的間隙和局部尖角區(qū)域，考慮到間隙尺度與主流區(qū)域特征尺寸差異較大，采用網(wǎng)格生成軟件ICEMCFD,對(duì)整機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格生成。在計(jì)算域內(nèi)，葉輪采用高質(zhì)量的塊結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，進(jìn)口段、中段和出口段采用四面體網(wǎng)格；由于旋渦泵存在葉片間隙和中段尖角等局部微小結(jié)構(gòu)，所以對(duì)葉片間隙處的葉頂區(qū)域網(wǎng)格區(qū)進(jìn)行了局部加密，并對(duì)中段尖角等局部網(wǎng)格加密和網(wǎng)格拓?fù)鋬?yōu)化處理，獲得了高質(zhì)量的整體網(wǎng)格質(zhì)量。通過網(wǎng)格無關(guān)性(如表1所示)和時(shí)間步長(zhǎng)獨(dú)立性驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于7.3×10⁶時(shí),泵的計(jì)算揚(yáng)程值趨于穩(wěn)定，獲得最經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)格數(shù)。據(jù)此，單級(jí)旋渦泵和多級(jí)旋渦泵的計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)分別為3.4×10⁶和8.2×10⁶。

表1　網(wǎng)格無關(guān)性檢查

Tab.1　Gridsindependencecheck

1.4 數(shù)值計(jì)算方法

采用固定于旋轉(zhuǎn)葉輪上的相對(duì)參考系，轉(zhuǎn)速為1480r/min，旋渦泵內(nèi)部流場(chǎng)為三維不可壓穩(wěn)態(tài)黏性湍流流場(chǎng),建立相對(duì)坐標(biāo)系下時(shí)均連續(xù)方程和動(dòng)量方程。采用RNGk-ε湍流模型對(duì)三級(jí)旋渦泵進(jìn)行定常計(jì)算以模擬旋渦泵內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其次采用SSTk-ω湍流模型對(duì)單級(jí)旋渦泵進(jìn)行非定常計(jì)算以獲得旋渦泵壓力脈動(dòng)特性.流場(chǎng)求解中，壓力與速度耦合采用SIMPLEC算法，采用二階迎風(fēng)格式離散基本方程組，迭代進(jìn)行求解。代數(shù)方程迭代計(jì)算采取亞松弛,設(shè)定收斂精度為10^-4。計(jì)算收斂精度和結(jié)果的準(zhǔn)確性受邊界條件選取的影響較大，所以設(shè)葉輪進(jìn)口為壓力進(jìn)口條件，進(jìn)口參考?jí)毫υO(shè)為101325Pa；出口設(shè)置為質(zhì)量出口條件。固壁面設(shè)為無滑移壁面，即壁面上各速度分量均為零，對(duì)近壁面的湍流流動(dòng)按標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理，開式葉輪與閉式流道間交互面采用滑移網(wǎng)格技術(shù)。

2 性能預(yù)測(cè)和外特性試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 外特性試驗(yàn)裝置

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性并盡量節(jié)約試驗(yàn)成本，在蘭州理工大學(xué)開式試驗(yàn)臺(tái)只針對(duì)單級(jí)旋渦泵進(jìn)行外特性試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖3所示。泵臥式安裝在試驗(yàn)臺(tái)泵段，并以泵出口所在平面為基準(zhǔn)面進(jìn)行試驗(yàn)。泵軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和軸功率由轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀測(cè)量，泵揚(yáng)程由進(jìn)出口壓力表測(cè)量。試驗(yàn)泵的工作介質(zhì)為常溫清水。試驗(yàn)系統(tǒng)及采用的儀器儀表均符合國(guó)家B級(jí)試驗(yàn)臺(tái)精度要求。

圖3　閉式試驗(yàn)臺(tái)示意圖

Fig.3　Sketchofmultistagevortexpump

2.2 外特性數(shù)值分析

為與試驗(yàn)對(duì)比，首先進(jìn)行單級(jí)旋渦泵的外特性預(yù)測(cè)，分別選取6個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到外特性預(yù)測(cè)曲線和試驗(yàn)曲線如圖4所示。其中橫坐標(biāo)Q/Q_opt為實(shí)際流量與額定工況流量之比，即流量相對(duì)值。

圖4　單級(jí)旋渦泵模型的外特性預(yù)測(cè)與試驗(yàn)

Fig.4　Simulatingandexperimentalexternalcharacteristicsofsingle-stagevortexpump

由圖4可知額定工況時(shí)，試驗(yàn)得到單級(jí)旋渦泵揚(yáng)程為14.5m，效率為23.3％。數(shù)值計(jì)算得到多級(jí)旋渦泵總揚(yáng)程為37.2m，總效率為22.7％。通過對(duì)比單級(jí)旋渦泵的外特性模擬值和試驗(yàn)值，并考慮到數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)之間的誤差，認(rèn)為該多級(jí)旋渦泵能夠滿足設(shè)計(jì)參數(shù)的要求。另外，考慮到該多級(jí)旋渦泵結(jié)構(gòu)形式為開式葉輪和閉式流道的結(jié)構(gòu)配置，所以具有較好的自吸性能和氣液混輸特性，其中氣液兩相流中氣相體積百分比不大于15％時(shí)，揚(yáng)程降低小于6m，效率降低小于3％。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 多級(jí)旋渦泵內(nèi)部流場(chǎng)分析

為了能夠直觀地表現(xiàn)旋渦泵內(nèi)部流場(chǎng)特征，提取葉輪中間截面的靜壓分布、速度分布和湍動(dòng)能分布規(guī)律，分別在小流量工況(0.8Q_opt)、大流量工況(1.2Q_opt)、額定工況(1.0Q_opt)下對(duì)比不同斷面的靜壓分布、速度分布與湍動(dòng)能分布。旋渦泵內(nèi)部速度分布直觀地表現(xiàn)在葉輪和蝸殼形狀影響下泵內(nèi)部流動(dòng)特性，湍動(dòng)能表示湍流脈動(dòng)的程度，其大小和空間不均勻性也在一定程度上表明了脈動(dòng)擴(kuò)散和黏性耗散損失的大小及其發(fā)生范圍，湍動(dòng)能值越大，說明此處旋渦耗散較大，反之，說明此處旋渦耗散較小。

由于旋渦泵各級(jí)葉輪的流場(chǎng)分布趨勢(shì)一致，故選取具有代表性的次級(jí)葉輪對(duì)旋渦泵內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析。圖5-13分別為0.8Q_opt工況、額定工況和1.2Q_opt工況下，次級(jí)旋渦泵不同工況下內(nèi)部流場(chǎng)靜壓分布、速度分布和湍動(dòng)能分布規(guī)律。通過對(duì)比不同工況下葉輪中間斷面的靜壓分布、速度分布規(guī)律，表明在額定工況下，葉輪中間斷面的靜壓分布、速度分布規(guī)律最佳；在大流量工況下，葉輪中間斷面的湍動(dòng)能最佳，即隨著流量的增加，葉輪中間斷面的水力損失有顯著降低。

圖5　0.8Q_d工況下次級(jí)旋渦泵葉輪中間斷面靜壓分布

Fig.5　Staticpressuredistributionofsecondarystagepumpimpelleratmid-section nunder0.8Q_d

圖6　0.8Q_d工況下次級(jí)旋渦泵葉輪中間斷面速度分布

Fig.6　Velocitydistributionofsecondarystagepumpimpelleratmid-sectionnunder0.8Q_d

圖7　0.8Q_d工況下次級(jí)旋渦泵葉輪中間斷面湍動(dòng)能分布

Fig.7　Turbulentkineticenergydistributionofsecondarystagepumpimpelleratmid-sectionUnder0.8Q_d

圖8　額定工況下次級(jí)旋渦泵葉輪中間斷面靜壓分布

Fig.8　Staticpressuredistributionofsecondarystagepumpimpelleratmid-sectionsunderratedworkingconditions

圖9　額定工況下次級(jí)旋渦泵葉輪中間斷面速度分布

Fig.9　Velocitydistributionofsecondarystagepumpimpelleratmid-sectionsunderratedworkingconditions

圖10　額定工況下次級(jí)旋渦泵葉輪中間斷面湍動(dòng)能分布

Fig.10　Turbulentkineticenergydistributionofsecondarystagepumpimpelleratmid-sectionsunderratedworkingconditions

圖11　1.2Q_d工況下次級(jí)旋渦泵葉輪中間斷面靜壓分布

Fig.11　Staticpressuredistributionofsecondarystagepumpimpelleratmid-sectionsunder1.2 Q_d

圖12　1.2Q_d工況下次級(jí)旋渦泵葉輪中間斷面速度分布

Fig.12　Velocitydistributionofsecondarystagepumpimpelleratmid-sectionsunder1.2 Q_d

圖13　1.2Q_d工況下次級(jí)旋渦泵葉輪中間斷面湍動(dòng)能分布

Fig.13　Turbulentkineticenergydistributionofsecondarystagepumpimpelleratmid-sectionsunder1.2Q_d

3.2 壓力脈動(dòng)特性

1)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在單級(jí)旋渦泵中選取1枚葉片，在其輪轂處、輪緣處、壓力面與吸力面的中間流線上共選取4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)IP1-IP4，在蝸殼圓角處、中段中心線上分別選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)VP1、VP2，蝸殼進(jìn)、出口處各取1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為MP和OP。監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布位置如圖14所示。

圖14　壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

Fig.14　Locationsofmonitoringpoints

為將各點(diǎn)壓力值轉(zhuǎn)化為量綱為一的壓力系數(shù)進(jìn)行頻譜分析，定義壓力系數(shù)為

式中：p為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的靜壓；p為1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均靜壓；U2為葉輪出口圓周速度。

2)壓力脈動(dòng)數(shù)值分析

在額定工況下，對(duì)旋渦泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并分析壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域特性及頻域特性，如圖15所示。由圖可以看出,由于葉輪的周期性旋轉(zhuǎn)，壓力脈動(dòng)呈現(xiàn)出明顯的周期性變化規(guī)律。對(duì)比葉輪葉片上不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖,葉輪葉片流道根部IP1、葉片流道壁面中部IP2，IP3以及葉片流道的葉頂區(qū)域IP4的壓力脈動(dòng)存在較高的幅值特性，且脈沖波為負(fù)值，壓力系數(shù)最大值為-300，即表明旋渦泵葉輪葉片上壓力脈動(dòng)幅值均較大，易誘發(fā)的較為明顯的振動(dòng)和噪聲現(xiàn)象。

圖15　額定工況下葉片監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域特性

Fig.15　Pressurefluctuationcharacteristicintimedomainofimpeller

圖16所示為蝸殼流道內(nèi)VP1、VP2、MP、OP這4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域圖。數(shù)值分析表明，監(jiān)測(cè)點(diǎn)VP1、VP2和OP的壓力脈動(dòng)時(shí)域分布規(guī)律相同，其幅值均與IP1、IP2、IP3和IP4相近。類似的，閉式流道內(nèi)部VP1、VP2、OP的壓力系數(shù)存在較高的負(fù)波動(dòng)特性，且脈沖波為負(fù)值，壓力系數(shù)最大值為-300，即表明旋渦泵閉式流道內(nèi)部壓力脈動(dòng)幅值均較大，易誘發(fā)較為明顯的振動(dòng)和噪聲現(xiàn)象。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)MP遠(yuǎn)離葉輪做功區(qū)域，其葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的周期性波動(dòng)效應(yīng)對(duì)其影響較弱，所以點(diǎn)MP的壓力脈動(dòng)時(shí)域分布的幅值較小，可以忽略不計(jì)。

圖16　額定工況下蝸殼監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)域特性

Fig.16　Meridionalvelocitydistributionofimpeller

圖17分別為葉輪葉片監(jiān)測(cè)點(diǎn)IP1、IP2、IP3、IP4和閉式流道附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)VP1、VP2、OP、MP壓力脈動(dòng)頻域特性。數(shù)值分析表明，在同一頻率范圍內(nèi)部，葉輪葉片監(jiān)測(cè)IP1、IP2、IP3的壓力脈動(dòng)幅值變化較小，而IP4的壓力脈動(dòng)幅值變化較大，這主要是因?yàn)?/span>IP4監(jiān)測(cè)點(diǎn)受到葉輪葉片尾跡區(qū)域和蝸殼的動(dòng)靜干涉效應(yīng)的影響，使得此處液流的混滲作用較為明顯，由此產(chǎn)生較大的脈動(dòng)效應(yīng)。同樣的，對(duì)于閉式流道的壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)VP1、VP2、OP、MP，在同一頻率范圍內(nèi)部，葉輪葉片監(jiān)測(cè)點(diǎn)VP1、VP2、OP的壓力脈動(dòng)幅值變化較大，而MP的壓力脈動(dòng)幅值基本無變化，這主要是因?yàn)楸O(jiān)測(cè)點(diǎn)MP處于閉式流道過渡段和下一級(jí)葉輪葉片進(jìn)口過渡段中間位置，此時(shí)葉輪出口的射流區(qū)域和流道進(jìn)口的尾跡區(qū)域的動(dòng)靜干涉效應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)MP位置的影響較小，使得此處液流的非定常效應(yīng)不明顯，由此在寬頻范圍內(nèi)產(chǎn)生微弱的脈動(dòng)效應(yīng),此壓力脈動(dòng)可以忽略不計(jì)。

圖17　各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖

Fig.17　Pressurefluctuationfrequencydomaincharacteristicsofallmonitoringpoints

4 結(jié)論

1)性能預(yù)測(cè)表明,額定工況下,多級(jí)旋渦泵揚(yáng)程為37.2m，效率為22.7％?？紤]到數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)的誤差，表明多級(jí)旋渦泵能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

2)數(shù)值模擬分析表明，隨著流量逐漸增大，旋渦泵揚(yáng)程呈現(xiàn)陡降的趨勢(shì)，同時(shí)葉輪葉片的做功能力變差，葉片對(duì)液體的增壓能力逐漸降低。在葉輪吸入口和壓出口兩側(cè)的葉片流道內(nèi)部，其速度分布和湍動(dòng)能分布規(guī)律變化梯度較大，其它葉片流道內(nèi)部速度分布和湍動(dòng)能分布較為相似。葉輪流道內(nèi)部葉頂區(qū)域中間流道內(nèi)存在1個(gè)低速區(qū),隨著流量的逐漸增大，低速區(qū)越來越小。葉輪流道內(nèi)部葉根區(qū)域中間流道內(nèi)存在1個(gè)速度梯度密集區(qū),該區(qū)域湍動(dòng)能較大，即葉片流道的葉根區(qū)域存在較大的損失耗散區(qū)，隨著流量的逐漸增大，該損失耗散區(qū)越來越小。

3)分析旋渦泵各特征位置的壓力脈動(dòng)時(shí)域特性和頻域特性，表明在葉輪葉片不同監(jiān)測(cè)位置和閉式流道不同監(jiān)測(cè)位置，壓力脈動(dòng)頻率特性較為明顯，即此處容易誘發(fā)較為明顯的水力振動(dòng)和噪聲。上述結(jié)果揭示了多級(jí)旋渦泵內(nèi)部流場(chǎng)和性能的影響機(jī)理，為多級(jí)旋渦泵的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51369015)；甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(145RJZA047)作者簡(jiǎn)介:畢禎(1990—),男,山西榆次人,碩士研究生([email protected]),主要從事流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理研究與流場(chǎng)分析.黎義斌(1977—),男,甘肅臨洮人,副教授,博士研究生(通信作者,[email protected]),主要從事流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)特性研究。

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