斜流泵启动过程瞬态非定常内流特性及实验研究

发布时间：2020-11-09 05:19

　　 斜流泵快速启动过程表现出区别于稳态过程的特殊性质,其瞬态工作特性可为泵系统提供瞬时流体动力,但瞬态效应引起的水力激振、冲击负载和空化破坏将对泵装置和管路系统的安全稳定运行带来严重影响。因此,研究斜流泵启动过程瞬态水力特性和内流机理,建立斜流泵适用于瞬态工作环境的设计、优化和应用方法具有重要的理论意义和工程应用价值。 目前,斜流泵瞬态流动的研究理论十分缺乏。本文在斜流泵稳态工况非定常流动特性研究的基础上,优化设计具有较好稳态水力性能和汽蚀性能的研究模型,建立准稳态、瞬态启动内部流动的数值计算方法和叶轮转子动态特性的耦合模型,搭建斜流泵瞬态启动性能测试实验台。采用数值计算和实验研究相结合的方法,对斜流泵瞬态外特性和内部瞬态流动机理进行研究,为斜流泵瞬态工作过程中的非定常流动控制和优化提供理论依据。 1.采用二元理论优化设计了2种斜流泵模型,并通过稳态数值计算方法对斜流泵模型在不同转速下的外特性和汽蚀性能进行预测分析。由于方案a的无量纲外特性和汽蚀性能均优于方案b。因此,将具有良好稳态水力性能的方案a模型作为本文启动过程瞬态内流特性研究的水力模型。 2.采用准稳态数值计算方法分别对斜流泵模型在750、1150、1450r/min(?)急态转速下的外特性和内流场进行分析,并数值预测了1450r/min稳态转速下不同工况点的外特性和内流场分布。由于准稳态数值计算方法忽略了叶片旋转加速对外特性的影响,数值预测的瞬态外特性结果与实验瞬态外特性存在较大差别。对比准稳态工况与稳态转速不同流量下的内部非定常流动,准稳态工况内流场呈现一定的相似性,内部流动结构明显区别于稳态工况因流量变化引起的周期性非定常流动。 3.针对准稳态数值方法预测斜流泵启动过程瞬态水力特性准确性差的问题,建立了斜流泵启动过程瞬态性能的数值计算方法。提出采用滑移交界面对斜流泵启动过程进行数值模拟,通过CEL表达式控制叶轮加速度,通过改变变量赋值来达到不同的启动效果,瞬态数值计算方法预测的瞬态外特性与实验结果吻合较好,相比准稳态数值计算的内流场,瞬态数值计算方法解析的内部流动因考虑叶轮旋转加速度和流体惯性力的影响表现出更强烈的非定常性,并由此带来不同于准稳态工况的瞬态外特性。 4.基于瞬态流动的数值计算结果,首次采用双向交替流固耦合方法对斜流泵启动过程中的叶轮流场和结构场进行联合求解,获得了斜流泵启动过程瞬态效应对叶轮应力和应变的影响规律。叶轮旋转加速度带来的瞬时水流冲击对叶轮轮毂处造成了更大的应力集中,最大等效应力呈现几何倍数增长。动应力和变形量随转速变化趋势为斜流泵叶轮的瞬态水力特性优化设计及可靠运行提供理论参考。 5.建立斜流泵瞬态性能测试实验台,进行了瞬态外特性、PIV内流测量和瞬态压力脉动测量。通过改造进口管结构首次实现了对斜流泵垂直轴截面进口流场的PIV拍摄。实验得到的外特性结果、瞬态的速度矢量场和压力脉动数据为斜流泵瞬态流动机理的探索提供了真实有效数据,同时为检验数值计算方法的正确性提供参考。 6.研究结果表明,斜流泵瞬态流动的PIV测试和压力脉动结果与瞬态外特性实验结果较为吻合,斜流泵启动过程的瞬态效应是叶轮加速度、管阻特性、流体惯性与内部流动结构共同作用的结果,瞬态内部流动结构的演化直接表现为扬程、负载的瞬态冲击与瞬时流量的滞后效应。瞬态无量纲扬程曲线偏离稳态无量纲曲线,说明启动过程的瞬态水力特性不具有相似性,准稳态方法不适用于揭示斜流泵瞬态工作过程的内流特性。在获取瞬时流体动力的同时,瞬态效应对叶轮造成的水力冲击应该进行有效控制。本文的研究内容和结论可以为应用于瞬态工作过程中的水力机械的设计与优化提供理论参考和依据。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2012
【中图分类】：TH38
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 研究现状
        1.2.1 离心泵启动过程瞬态特性研究现状
        1.2.2 斜流泵启动过程瞬态特性研究现状
    1.3 与本文相关的研究方法
        1.3.1 非定常流动数值计算方法
        1.3.2 流固耦合方法
        1.3.3 内部流动PIV测试方法
    1.4 主要研究目标与研究内容
        1.4.1 研究目标
        1.4.2 研究内容
第2章 斜流泵设计与稳态性能优化
    2.1 基本设计理论
        2.1.1 轴对称流动涡线方程及其特性
    2.2 确定选型参数
    2.3 叶轮的水力设计
        2.3.1 基本参数的确定
        2.3.2 确定轴面尺寸
        2.3.3 叶轮轴面投影图的绘制及其流道过流性能检查
        2.3.4 轴面流线的绘制
        2.3.5 叶片厚度的确定
        2.3.6 叶片进、出口角的确定
    2.4 空间导叶的水力设计
        2.4.1 空间导叶设计基本原则
        2.4.2 空间导叶设计程序
    2.5 水力模型稳态性能优化
        2.5.1 稳态外特性性能优化分析
        2.5.2 网格划分与边界条件
        2.5.3 外特性计算结果与分析
        2.5.4 汽蚀性能计算结果与分析
    2.6 本文研究模型设计
    2.7 本章小结
第3章 斜流泵准稳态流动特性的数值计算
    3.1 准稳态数值计算方法
    3.2 计算模型
        3.2.1 三维实体造型
        3.2.2 计算网格的生成方法
        3.2.3 控制方程及湍流模型
        3.2.4 数值算法与边界条件
        3.2.5 网格无关性分析
    3.3 准稳态计算工况点参数确定
        3.3.1 稳态工况下的外特性
        3.3.2 确定准稳态计算边界参数
    3.4 斜流泵准稳态内部流动数值计算结果
        3.4.1 定常数值计算
        3.4.2 非定常计算
    3.5 本章小结
第4章 斜流泵启动过程瞬态特性数值计算
    4.1 启动过程理论计算模型
        4.1.1 启动过程瞬态理论扬程
        4.1.2 瞬时效率
        4.1.3 瞬时转动角速度
        4.1.4 管路特性
    4.2 启动过程瞬态数值计算方法
        4.2.1 物理模型
        4.2.2 计算方法
        4.2.3 边界条件
        4.2.4 时间步长选择
    4.3 瞬态计算结果
        4.3.1 瞬态计算方法验证
        4.3.2 不同启动加速度对瞬态特性的影响
        4.3.3 不同管阻对瞬态特性的影响
    4.4 本章小结
第5章 斜流泵启动过程叶轮转子流固耦合振动机理
    5.1 流固耦合系统理论及求解方法
        5.1.1 模态分析理论
        5.1.2 流体方程的ALE描述
        5.1.3 弹性结构动力方程的求解方法
    5.2 流固耦合求解系统的结构
    5.3 流固耦合求解过程的建立
        5.3.1 计算模型及网格划分
        5.3.2 流固耦合计算的实现过程
    5.4 稳态转速为1450r/min设计工况下的流固耦合结果
        5.4.1 有预应力的模态求解结果
        5.4.2 稳态非定常流固耦合结果
    5.5 启动过程瞬态流固耦合结果
        5.5.1 瞬时变形分析
        5.5.2 瞬时动应力分析
    5.6 本章小结
第6章 斜流泵启动过程瞬态特性的PIV与压力脉动试验
    6.1 实验目的和意义
    6.2 试验系统的搭建
        6.2.1 硬件系统
        6.2.2 实验测量参数采集与控制系统
        6.2.3 PIV内流测试系统
        6.2.4 HSJ2010水力机械综合测试仪
    6.3 试验方法
        6.3.1 外特性试验方法
        6.3.2 PIV试验方法
        6.3.3 压力脉动试验方法
    6.4 试验内容
    6.5 试验结果和分析
        6.5.1 性能试验
        6.5.2 PIV试验
        6.5.3 压力脉动试验
    6.6 实验小结与误差分析
        6.6.1 实验小结
        6.6.2 误差分析
第7章 总结与展望
    7.1 工作总结与讨论
    7.2 发展展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间取得的科研成果

【参考文献】

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本文编号：2875949