导叶式混流泵压力脉动特性研究

发布时间：2017-06-10 11:14

  本文关键词：导叶式混流泵压力脉动特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：混流泵的结构和性能介于传统的离心泵和轴流泵之间,目前被广泛应用于国民经济的很多领域。混流泵在实际运行当中,由于叶轮与导叶的动静干涉作用而引起的压力脉动,是导致混流泵机组的不稳定运行以及结构振动加剧的主要水力因素之一,同时还有可能引发进一步的局部空化,甚至有可能诱发共振,严重威胁着混流泵的高效稳定运行。 本课题针对型号为250HW-32,比转速ns为500的导叶式混流泵,在进行了网格无关性以及时间步长无关性验证的基础上,开展了以下几个方面的工作： 1)基于三种不同湍流模型(standard k-ε、RNG k-ε和SST k-ω模型)以及采用多参考系模型(MRF)进行定常数值计算,并进行了混流泵外特性预测和内部流场分析； 2)基于RNG k-ε模型、滑移网格技术(moving mesh)进行了非定常数值计算,并将非定常和定常计算的混流泵外特性进行对比分析； 3)通过在导叶式混流泵流场中沿三个方向布置压力脉动监测点的方式,分别针对不同监测点位置(进水管、过渡流道、空间导叶以及出水管)和运行工况,开展非定常压力脉动特性研究,并进行了相应的时域、频域以及流场分布情况的对比分析； 4)分别针对不同叶轮叶片数、叶轮与导叶之间的间隙以及导叶叶片数建立三维导叶式混流泵计算模型,采用在流场中布置压力脉动监测点的方式,进行了非定常数值计算,并对流场中各监测点的压力脉动值进行了时域和频域分析； 通过研究及对数据的分析得出以下主要结论： 1)就外特性而言,当流量系数Ψ取值在0.6～0.75范围内时,RNG k-ε和SST k-ω模型准确的反应出了混流泵流量-扬程曲线的正斜率特性,更加适合于该混流泵的外特性预测。就内部流场而言,在设计工况附近,3种湍流模型计算的叶片表面静压的分布情况和变化趋势较为接近,均能满足混流泵数值模拟要求；在非设计工况下,SST k-ω模型表现出较好的适用性和计算的可靠性。 2)就定常与非定常数值计算比较而言,两者所得的混流泵外特性相对误差较小,因此,针对压力脉动特性的研究采用非定常计算的方法,同时可以采用定常计算的方法进行外特性预测。 3)从泵的进口到出口：压力脉动的主频始终为叶频,并逐渐出现了部分高频和低频脉动成分；压力脉动的幅值先增大后减小,在过渡流道内达到最大；压力脉动的波形和流场分布沿着圆周方向存在较好的周期性；时域、频域分析结果与流场分布情况之间存在一致性,压力脉动的产生正是由于流场中高压区与低压区的交替出现,叶片进口边、出口边掠过的区域及叶片进口边的前延部分、叶片出口边的尾迹部分压力脉动的幅值较大；进水管内压力脉动的波形较为稳定且幅值衰减较快,其幅值随着半径的增加而逐渐增大；过渡流道内开始出现了较为明显的二次波峰和波谷现象；空间导叶及出水管内压力脉动波充分混掺且幅值衰减较慢,二次波峰和波谷现象减弱； 4)不论运行工况如何变化,压力脉动的主频始终为叶频；进水管内压力脉动的幅值随着流量的增加而减小；过渡流道、空间导叶以及出水管中出现了叶频、轴频和高频三种压力脉动成分,随着运行工况的不同,上述三个区域内三种频率成分的脉动幅值变化不尽相同； 5)随着叶轮叶片数从3枚增加到5枚,混流泵扬程逐渐增大,最优工况和大流量工况下效率随叶片数的增多而升高,小流量工况下,叶轮叶片数为4枚时效率较高；叶轮与导叶之间的间隙对混流泵的扬程影响不大,但是为保证较高的效率需要选取适中的间隙(d=0.45b2)；设计工况下,导叶叶片数对混流泵扬程和效率影响不大,大流量工况下,扬程和效率随着导叶叶片数的增加逐渐降低,小流量工况下,随着导叶叶片数的增加,混流泵扬程逐渐降低,而效率先增加后减小。 6)随着叶轮叶片数的增加,叶轮进口处和出口处压力脉动的主频始终为叶频,其幅值逐渐减小,而次频幅值变化规律不同；随着叶轮与导叶之间间隙的增加,过渡流道内压力脉动波形差别不大,幅值先增大后减小。随着导叶叶片数的增多,导叶进口处压力脉动的频率不变,幅值先逐步增加后急剧减小。
【关键词】：混流泵 数值计算 非定常 湍流模型 压力脉动 空间导叶 叶片数 频谱分析
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH313
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-13
• 第1章 绪论13-19
• 1.1 研究的背景及意义13
• 1.2 混流泵的结构与特点13-15
• 1.3 混流泵的研究现状15-17
• 1.4 压力脉动的研究现状17-18
• 1.5 主要研究内容18
• 1.6 创新点18-19
• 第2章 泵内流动数值计算方法及压力脉动的相关理论19-39
• 2.1 导叶式混流泵的三维建模19-21
• 2.2 数值计算方法概述21-30
• 2.2.1 流动控制方程22-24
• 2.2.2 旋转区域中流动问题的建模24-25
• 2.2.3 湍流模型25-27
• 2.2.4 边界条件27-29
• 2.2.5 求解控制29
• 2.2.6 收敛精度的选择29
• 2.2.7 混流泵性能参数的计算方法29-30
• 2.3 导叶式混流泵网格划分30-32
• 2.3.1 计算域网格划分30-31
• 2.3.2 网格无关性31-32
• 2.4 混流泵压力脉动的分类32-33
• 2.5 混流泵压力脉动的产生33-36
• 2.5.1 湍流压力脉动33-34
• 2.5.2 叶频压力脉动34-36
• 2.6 压力脉动的分析方法36-37
• 2.6.1 时域法36-37
• 2.6.2 频域法37
• 2.7 本章小结37-39
• 第3章 导叶式混流泵内外特性分析39-51
• 3.1 混流泵模型参数39-40
• 3.2 混流泵外特性分析40-43
• 3.2.1 基于不同湍流模型的混流泵外特性40-42
• 3.2.2 定常与非定常计算混流泵外特性对比42-43
• 3.3 混流泵内部流场分析43-50
• 3.3.1 基于不同湍流模型的静压分布43-45
• 3.3.2 混流泵全流道内部流场分布45-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第4章 导叶式混流泵典型区域压力脉动特性研究51-70
• 4.1 压力脉动采样频率的确定51-53
• 4.2 压力脉动监测点位置的选取53-55
• 4.3 进水管压力脉动分析55-59
• 4.3.1 沿直径方向55-56
• 4.3.2 沿圆周方向56-59
• 4.4 过渡流道压力脉动分析59-62
• 4.4.1 沿直径方向59-60
• 4.3.2 沿圆周方向60-62
• 4.5 空间导叶及出水管压力脉动分析62-65
• 4.6 全流域压力脉动对比分析65-66
• 4.7 运行工况对压力脉动的影响66-69
• 4.7.1 时域分析66-67
• 4.7.2 频域分析67-69
• 4.8 本章小结69-70
• 第5章 导叶式混流泵几何参数对压力脉动的影响70-80
• 5.1 数值模型及网格划分70-72
• 5.2 叶轮叶片数对压力脉动的影响72-75
• 5.2.1 外特性分析72
• 5.2.2 时域分析72-73
• 5.2.3 频域分析73-75
• 5.3 叶轮与导叶体之间的间隙对压力脉动的影响75-77
• 5.3.1 外特性分析75
• 5.3.2 时域分析75-76
• 5.3.3 频域分析76-77
• 5.4 导叶叶片数压力脉动的影响77-79
• 5.4.1 外特性分析77
• 5.4.2 时域分析77-78
• 5.4.3 频域分析78-79
• 5.5 本章小结79-80
• 结论与展望80-82
• 1、结论80-81
• 2、展望81-82
• 参考文献82-86
• 致谢86-87
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录87

【参考文献】

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本文编号：438293