斜流泵小流量工況下內部流場數(shù)值計算及實驗研究.pdf

1、斜流泵是一種兼具軸流泵和離心泵優(yōu)點的泵型，在水利工程、農業(yè)排灌、城市給排水等方面都有廣泛應用。在斜流泵內，葉輪葉片的葉頂端面和轉輪室內壁面之間存在間隙。由于該葉頂間隙的存在，流體在葉片壓力面與吸力面間壓差的作用下從壓力面經過葉頂間隙流向吸力面所形成葉頂泄漏流，以及由于葉輪與導葉的動靜干涉等作用而引起的壓力脈動，對泵的安全運行、噪聲振動、過流部件的磨損等都有重要影響。尤其是在小流量工況下，斜流泵性能曲線甚至可能會出現(xiàn)馬鞍區(qū)，使得其運行穩(wěn)定

2、性和振動條件更加惡劣。
　　本文的研究對象為比轉速為ns=829的斜流泵的等比例縮放模型，基于CFX數(shù)值模擬，并結合實驗研究手段，得到了斜流泵內部流場流動特性，并從時域和頻域兩方面對其進行壓力脈動分析，且系統(tǒng)分析了斜流泵葉項泄漏渦結構特性，本文的主要工作及所得的成果如下:
　　(1)分別研究了葉頂間隙為0mm、0.25mm、1.0mm、1.5mm及2.0mm，5種不同葉頂間隙下以及葉片數(shù)為3和4情況下的斜流泵性能及內部流場情

3、況。結果發(fā)現(xiàn)，隨著葉頂間隙值的增大，斜流泵的揚程和效率均減小，揚程曲線甚至出現(xiàn)了正斜率現(xiàn)象，間隙從0增大到1.0mm的過程中，特性曲線上正斜率逐漸消失;而從1.0mm增大至2.0mm時曲線上的正斜率又逐漸明顯;當間隙增大到一定程度后，間隙值的增大不會對斜流泵性能曲線帶來很大影響。分析了間隙對葉片壓力面和吸力面靜壓的影響，小流量工況下壓力面進口近葉頂處和輪轂處以及設計流量工況下的進口處易發(fā)生空化，間隙對葉頂附近區(qū)域影響較大。對葉輪進出口軸

4、面速度的分析表明了間隙值和葉片數(shù)對葉輪進口的軸面速度影響較小，而對葉輪出口的影響較大。捕捉到了葉頂間隙渦，在小間隙時，間隙渦以及泄漏流不是特別明顯;隨著間隙的增大，間隙泄漏流動及泄漏渦愈加明顯，還在間隙內出現(xiàn)了葉頂分離渦;泄漏渦位置隨著流量的增大而向下游運動并伴隨著壓力值的降低，葉輪葉片數(shù)的變化對泄漏渦的影響不是特別大。分析瞬態(tài)泄漏流和泄漏渦的不穩(wěn)定性演化，隨著葉片移動，主流和泄漏流、當?shù)亓鞯佬孤u系以及當?shù)亓鞯佬孤┝骱蜕霞壛鞯佬孤┝鏖g

5、的相互作用加劇了流場的不穩(wěn)定性，使得更加復雜的渦系出現(xiàn)。
　　(2)基于結構化網格，采用大渦模擬方法(LES)對不同幾何條件下的斜流泵模型進行了非定常數(shù)值模擬計算，獲得了小流量工況和設計工況下的計算結果。對不同幾何條件下，不同軸向監(jiān)測位置點的壓力脈動進行了時域和頻域數(shù)值分析比較，發(fā)現(xiàn)越偏離設計工況，間隙越大時壓力脈動周期性越差，次頻成分增加;各工況下葉輪進口的主頻都為葉頻，小流量工況下從葉輪進口到導葉出口，主頻向低頻移動且分頻范圍

6、很廣。
　　(3)對不同運行工況下的斜流泵進行了外特性測量實驗和壓力脈動特性實驗，在葉輪進口、葉輪中間、葉輪出口、導葉進口、導葉中間以及導葉出口分別設置壓力脈動監(jiān)測點，利用PCB動態(tài)壓力傳感器進行壓力數(shù)據(jù)采集。對所得壓力相應的時域和頻域情況進行了分析對比。由壓力脈動時域圖可知，各監(jiān)測點處都具有明顯的周期性壓力脈動，各工況下葉輪進口到葉輪出口處存在3個波峰和波谷，位于導葉中間和導葉出口的監(jiān)測點在小流量工況下出現(xiàn)5個波峰和波谷。由頻率

7、分析可知，葉輪進口到葉輪出口處監(jiān)測點的壓力脈動主頻都為葉頻，葉輪進口頻率主要集中在(0～9)Fz內，葉輪出口的頻率范圍主要在(0～6) Fz內;導葉中間和出口處，大流量工況下的壓力脈動主頻變?yōu)檩S頻，小流量下主頻分布在(3～6) Fz范圍內，依舊存在頻率為葉頻的較大分頻。
　　(4)通過PIV實驗手段，分析了葉輪內部不同工況、不同拍攝斷面上的速度和渦量場的分布。發(fā)現(xiàn)在葉輪進口到出口拍攝面上，流量低于0.4Qopt時，由于受到上級泄漏