Alford效应下混流泵内部非定常流动机理的研究

发布时间：2018-08-24 09:15

【摘要】：混流泵具有流量大、效率高、抗汽蚀性能强等特点,广泛应用于农田排灌、市政工程、石油化工、国防军工等领域,在国民经济建设和国防工程中发挥着重要作用。由于制造、装配、磨损等因素影响,混流泵运行过程中通常存在偏心,而叶轮的偏心运转将使得叶顶间隙沿圆周方向分布不均并导致各叶片所受负载不等和周向压力分布不均,由此产生了一种垂直于叶轮偏心方向的横向流体激振力,即Alford力。间隙激振力能够加强转子涡动,诱使叶轮发生自激振动。因此,研究 Alford效应‖下混流泵内部的非定常流动特性对提高混流泵的运行稳定性和性能具有重要的意义。本文在国家自然科学基金项目大型混流泵Alford效应下的稳定性研究(项目编号:51409127)‖等的资助下完成。通过对一台导叶式混流泵的等比例缩放模型,基于数值模拟和试验研究相结合的方式,研究了混流泵在偏心运行过程中的内部流动特性,分析了混流泵非均匀轮缘间隙流场结构和压力脉动的时域和频域响应、影响叶轮径向流体激振力的相关因素。研究的主要内容和取得的成果如下:(1)建立了二维偏心直叶片叶轮的旋转模型,采用动网格方法通过自编二维偏心叶轮涡动旋转的UDF程序,求解了不同涡动频率比和不同偏心距下二维偏心直叶片叶轮的内流场。同时,运用动网格方法,分析了混流泵偏心叶轮不同轴截面位置处的静压分布和速度场分布。研究结果表明,涡动频率比和偏心距对二维涡动流场产生较大影响。涡动频率比的增加,流场压力和速度场分布不均衡程度增大,流道中出现更多旋涡、回流等二次流动,流动损失增加。随着偏心距的增加,叶片轮缘小间隙方向高压区也随之增大,叶片吸力面前缘处的低压区沿圆周方向呈不规则分布,流道内低速区面积不断增大,加剧了叶轮流道内流场的不稳定性。(2)基于多区域动态滑移方法‖模拟了Alford效应下混流泵非均匀轮缘间隙定常流场,重点分析了不同偏心距下混流泵外特性、叶片表面静压分布和湍动能分布以及轮缘间隙流场的流线分布。研究结果表明,当混流泵叶轮出现偏心时,在设计流量工况附近混流泵的扬程略有降低,效率下降明显,相比不偏心混流泵效率,偏心混流泵的效率下降了约6.5%。随着偏心距增大,压力分布的整体趋势变化不大,但偏心一侧的叶片出口轮缘处高压区明显增大;叶片轮缘处的湍动能区域明显增多,在偏心一侧叶片的下级叶片轮缘也出现了高湍动能区。随着偏心距的增加,大间隙叶片轮缘泄漏涡尺度不断增大,严重干涉主流运动,小间隙轮缘泄漏流影响有所减小,但泄漏流周向分布呈现不均衡趋势。从整体上看,非均匀轮缘间隙增加了能量损耗,影响了混流泵的效率。(3)基于混流泵非均匀轮缘间隙的非定常数值计算,获取了混流泵叶轮内部不同监测点处的压力脉动以及不同偏心距参数和不同涡动频率比下叶轮所受Alford力的分布。研究结果表明,在不同偏心距参数下,从叶轮进口到装置出口,各个监测点处的压力脉动频域幅值先增大后减小,在叶轮附近的监测点,压力脉动系数频域幅值均较高。沿着流体流动方向,不同偏心距参数下各监测点处的压力波动频率幅值迅速增加,分频成分增多。不同偏心距参数下叶轮叶片轮缘所受的Alford力平均值相差不大,随着流量工况偏离设计流量工况,偏心叶轮所受的Alford力的平均值明显增加;在相同涡动频率比下,偏心距越大叶轮所受的Alford力越大,混流泵转子系统运行越不稳定。(4)建立混流泵非均匀轮缘间隙流场的试验测量系统,通过试验测量分析了不同偏心距参数下混流泵的能量性能,并基于DANTEC公司的商业PIV系统试验研究了混流泵叶轮和导叶动静干涉区的流场,探索混流泵偏心叶轮内部的流体流动状态。研究结果表明,随着偏心距增大,混流泵效率下降非常明显,设计流量工况点附近的扬程也存下降趋势。非均匀轮缘间隙造成了叶轮内流场的紊乱,叶轮流道内的回流、涡流等二次流现象增多,尤其对靠近转轮室端壁区的流场影响较大,易形成强度较高、尺度较大的旋涡结构,造成能量损失。随着偏心距增加,非均匀轮缘间隙流场的不稳定程度随着增加,导致流场进一步恶化,进而造成了混流泵效率的显著下降。随着流量增加,旋涡结构的产生位置也由拍摄截面中部向转轮室端壁区和叶轮轮毂方向移动。
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【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH313

【参考文献】