离心泵内不稳定流动的试验及数值模型研究

发布时间：2019-04-24 00:10

【摘要】：本文的研究工作是在国家自然科学基金项目“低比转数离心泵驼峰现象的不稳定流动机理研究”(No.51079062)资助下展开。随着社会进步和科学技术的发展,离心泵的运行稳定性和可靠性越来越受到重视,而泵内部的非定常流动情况是决定运行稳定性的关键因素之一。为了更好地理解和研究离心泵的内部流动情况,本文从其内部不稳定流动的角度出发,采用试验和数值模拟相结合的方法,探索其叶轮内不稳定流动的发生和发展规律。同时针对离心叶轮流道内摩擦损失大、逆压梯度高和叶片曲率大等特点,在SST k-ω湍流模型的基础上提出了一种基于旋转和曲率修正的非线性湍流模型。基于OpenFOAM软件建立了一套适用于离心叶轮流道特点的数值模型。本文的主要工作和创造性成果有： 1.总结了离心泵PIV测试技术、压力脉动测试技术、振动测试技术的国内外研究现状；归纳了线性涡粘性模型的研究现状及不足,阐述了显式代数雷诺应力方程模型结合二方程湍流模型求解是工程上计算旋转和曲率流场的一种趋势。 2.首次采用PIV技术探索了一离心叶轮流道内不稳定流动涡的发生、发展规律,定量分析了不稳定流动对性能曲线的影响规律,揭示了不稳定流动对叶轮流道内绝对速度的影响规律,研究结果表明：(1)不稳定流在0.6QBEP工况开始产生,直到0.4QBEP工况得到发展,最后在0.1QBEP时几乎扩展到整个叶轮流道；叶轮旋转的过程中,靠近蜗壳隔舌处的叶轮流道内的流动最不稳定,也是最先出现分离涡的流道；随着流量的降低,附着于叶片工作面的分离涡逐渐增多、汇聚,不断发展的漩涡向流道出口移动的同时,也偏向于流道中心。(2)平均出口绝对速度圆周分量Vu2/U2随着流量的增加先升高后降低,在0.1QBEP到0.6QBEP之间出现驼峰现象；从0.6QBEP到1.0QBEP,平均出口绝对速度圆周分量和扬程均随着流量增加稳定下降；不稳定流动是导致离心泵性能曲线出现驼峰或平坦现象的主要原因。(3)绝对速度圆周分量vu随着流道半径的增加,呈先升高后降低的趋势；在不同工况下,vu的整体变化规律基本相似,其大小与流量成反比。绝对速度径向分量vm随着流道半径的增加,基本呈先下降后上升的趋势；在不同工况下,vm的整体大小与流量成正比。 3.采用HSJ2010水力机械综合测试仪和高频动态压力传感器对离心泵叶轮出口圆周方向的压力脉动特性进行了试验研究。获得了流道内不稳定流动和叶轮出口压力脉动之间的关系。研究结果表明：(1)“射流-尾迹”结构诱导的叶频脉动和叶轮流道内流动的不对称性诱导的轴频脉动是压力脉动的主要成分；(2)“射流-尾迹”结构引起的周期性压力脉动幅值随着叶轮与蜗壳壁面(正对叶轮出口的蜗壳壁面)间距的增加而逐渐衰弱,叶轮出流对压力脉动的影响逐渐减弱；(3)在叶轮出口处的压力脉动特征频域中存在一个100Hz～145Hz的宽带频率,大约介于4倍轴频到叶频之间,该宽频幅值随着不稳定涡尺度的增强逐渐变大。 4.采用INV3020C数据采集系统、DASP-V10软件以及ICP型振动加速度传感器对离心泵不稳定流动下的振动特征进行了试验研究。总结了离心泵叶轮流道内的不稳定流动现象对振动的影响规律,发现了振动信号与压力脉动信号在频域特征具有一定的相关性,彼此的主要激励频率均分布在轴频和叶频；对于振动信号而言,其在100Hz～145Hz之间(大约介于4倍轴频到叶频之间)同样存在一个由不稳定涡引起的宽频振动。 5.针对离心叶轮流道强旋转、大曲率的特点,在开源软件OpenFOAM平台上,首先用代数雷诺应力方程模型求解雷诺应力和涡粘性系数,然后用SST k-ω模型中考虑旋转和曲率改进的k方程和w方程进行封闭求解,最后用扩展内禀旋转张量对模型中的平均旋转张量进行修正,从而实现对SST k-ω湍流模型的旋转和曲率改进,并首次开发了一套适用于计算旋转和曲率流场的非线性湍流模型(EASMRC)程序。用旋转直通道和90°弯管进行了计算检验。结果表明,改进后的非线性湍流模型与原模型相比,计算结果更接近试验值。 6.首次将改进模型分别应用于OpenFOAM的MRFSimpleFoam和pimpleDyMFoam求解器中,并对研究模型进行了稳态和瞬态计算。将EASMRC计算结果与OpenFOAM的SST k-ω计算结果、CFX的SST k-ω计算结果、外特性测试结果、PIV测试结果、压力脉动测试结果进行了对比,结果表明：从外特性上看,EASMRC模型总体上与试验值更接近；从内流场上看,EASMRC在预测分离涡的发生、发展方面更接近PIV测量结果；从压力脉动特性上看,EASMRC计算的压力脉动幅值、时域结果以及频域结果与测量结果最接近。
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【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH311

【参考文献】