離心泵進(jìn)口回流流場(chǎng)特性及其控制研究.pdf

1、本文在國(guó)家杰出青年基金項(xiàng)目“離心泵基礎(chǔ)理論和節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號(hào):50825902)、國(guó)家自然科學(xué)基金“離心泵內(nèi)部非定常流動(dòng)誘導(dǎo)振動(dòng)和噪聲機(jī)理”(編號(hào):50979034)和江蘇省科技計(jì)劃項(xiàng)目“離心泵葉輪進(jìn)出口回流的生成機(jī)理及流動(dòng)規(guī)律”(編號(hào):BK2009218)的資助下開(kāi)展工作。
　　 水泵在小流量工況下運(yùn)行時(shí),葉輪進(jìn)口處不可避免地會(huì)產(chǎn)生回流。回流的存在不但消耗能量而且使得進(jìn)口流場(chǎng)中出現(xiàn)流量和壓力脈動(dòng),進(jìn)而誘導(dǎo)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。

2、回流會(huì)引起產(chǎn)生漩渦汽蝕,降低水泵的運(yùn)行可靠性。本文通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究,系統(tǒng)分析了回流產(chǎn)生的因?yàn)?回流流場(chǎng)的速度及壓力分布,壓力脈動(dòng)特點(diǎn)和回流漩渦在葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的發(fā)展變化過(guò)程及其動(dòng)態(tài)特性等。同時(shí),提出了在進(jìn)口處注入高壓水的回流控制方案,并對(duì)其控制效果進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證。主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)有:
　　 1.本文通過(guò)理論分析,探討了回流產(chǎn)生的因?yàn)?認(rèn)為造成葉輪進(jìn)口回流的兩個(gè)必要因素是流道內(nèi)的流動(dòng)分離和與主流方向垂直的強(qiáng)

3、壓力梯度。產(chǎn)生回流的關(guān)鍵因素不是葉輪進(jìn)口處的液流角,而是葉輪流道喉部的平均相對(duì)速度與葉片進(jìn)口邊頂端的相對(duì)速度之比?；亓魇紫劝l(fā)生在葉片壓力面頂端,在離心力的作用下,回流區(qū)主要集中在前蓋板處。
　　 2.采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行了不同工況下離心泵內(nèi)部三維湍流流場(chǎng)的數(shù)值模擬,對(duì)回流發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中流場(chǎng)的特性進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)速度分布,壓力分布和漩渦形態(tài)的分析發(fā)現(xiàn):模型泵回流發(fā)生的關(guān)鍵流量點(diǎn)為0.7Qd；回流發(fā)生后,隨流量的減小,回流

4、強(qiáng)度增加,回流漩渦的體積變大,堵塞部分流道；葉輪進(jìn)口截面和流道進(jìn)口處的軸面回流速度、進(jìn)水管內(nèi)的預(yù)旋強(qiáng)度增加,預(yù)旋在進(jìn)水管中的影響距離變大；進(jìn)水管內(nèi)由于預(yù)旋產(chǎn)生的低壓區(qū)面積隨回流強(qiáng)度的增加而變大,低壓區(qū)域在進(jìn)水管內(nèi)呈螺旋形分布。
　　 3.采用大渦模擬方法,對(duì)發(fā)生進(jìn)口回流的各工況流場(chǎng)進(jìn)行了非定常計(jì)算,在流場(chǎng)不同位置處設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn),采集并分析了各點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)。首次結(jié)合流場(chǎng)各截面靜壓分布和漩渦強(qiáng)度隨時(shí)間變化的情況,提出了回流漩渦

5、的動(dòng)態(tài)特性分析方法。分析結(jié)果表明:監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)均在葉片通過(guò)頻率處出現(xiàn)峰值,并且波峰處的峰值隨流量的減小而逐漸增大；小流量工況下,回流漩渦對(duì)流場(chǎng)的影響更加明顯,由于流動(dòng)分離和湍流的作用,在低于軸頻的頻段出現(xiàn)了寬頻脈動(dòng)增強(qiáng),流量越小,寬頻脈動(dòng)增強(qiáng)越強(qiáng)烈；回流漩渦隨葉輪一起繞進(jìn)水管中心線旋轉(zhuǎn),且不同流量下出現(xiàn)的漩渦數(shù)量和漩渦強(qiáng)度不同；當(dāng)流道掃過(guò)蝸殼出水?dāng)嗝鏁r(shí),流道進(jìn)口回流初生,在一個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),回流完成從初生、發(fā)展、衰減到消失的全過(guò)

6、程。隨著各流道內(nèi)相對(duì)速度和壓力梯度的變化,流道進(jìn)口回流漩渦呈現(xiàn)不同形態(tài)。
　　 4.對(duì)進(jìn)口回流進(jìn)行了試驗(yàn)研究,通過(guò)可視化試驗(yàn),利用高速攝影儀拍攝不同工況不同時(shí)刻下的進(jìn)水管流場(chǎng),從而分析進(jìn)水管流場(chǎng)的速度分布。并利用壓力變送器采集進(jìn)水管不同位置處的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):回流會(huì)在離心泵進(jìn)水管內(nèi)造成預(yù)旋,隨著流量的減小,預(yù)旋在進(jìn)水管中的影響距離增大。流量為0時(shí),進(jìn)水管內(nèi)會(huì)形成柱狀渦帶；流量為0～0.6Qd時(shí),進(jìn)水管內(nèi)的壓力脈動(dòng)峰值變化