斜流泵小流量工況下內(nèi)部流場數(shù)值計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、斜流泵是一種兼具軸流泵和離心泵優(yōu)點(diǎn)的泵型，在水利工程、農(nóng)業(yè)排灌、城市給排水等方面都有廣泛應(yīng)用。在斜流泵內(nèi)，葉輪葉片的葉頂端面和轉(zhuǎn)輪室內(nèi)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(jīng)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(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉等作用而引起的壓力脈動(dòng)，對(duì)泵的安全運(yùn)行、噪聲振動(dòng)、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(huì)出現(xiàn)馬鞍區(qū)，使得其運(yùn)行穩(wěn)定

2、性和振動(dòng)條件更加惡劣。
　　本文的研究對(duì)象為比轉(zhuǎn)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(jié)合實(shí)驗(yàn)研究手段，得到了斜流泵內(nèi)部流場流動(dòng)特性，并從時(shí)域和頻域兩方面對(duì)其進(jìn)行壓力脈動(dòng)分析，且系統(tǒng)分析了斜流泵葉項(xiàng)泄漏渦結(jié)構(gòu)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(nèi)部流場情

3、況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著葉頂間隙值的增大，斜流泵的揚(yáng)程和效率均減小，揚(yáng)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(shí)曲線上的正斜率又逐漸明顯;當(dāng)間隙增大到一定程度后，間隙值的增大不會(huì)對(duì)斜流泵性能曲線帶來很大影響。分析了間隙對(duì)葉片壓力面和吸力面靜壓的影響，小流量工況下壓力面進(jìn)口近葉頂處和輪轂處以及設(shè)計(jì)流量工況下的進(jìn)口處易發(fā)生空化，間隙對(duì)葉頂附近區(qū)域影響較大。對(duì)葉輪進(jìn)出口軸

4、面速度的分析表明了間隙值和葉片數(shù)對(duì)葉輪進(jìn)口的軸面速度影響較小，而對(duì)葉輪出口的影響較大。捕捉到了葉頂間隙渦，在小間隙時(shí)，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(dòng)及泄漏渦愈加明顯，還在間隙內(nèi)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(yùn)動(dòng)并伴隨著壓力值的降低，葉輪葉片數(shù)的變化對(duì)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(dòng)，主流和泄漏流、當(dāng)?shù)亓鞯佬孤u系以及當(dāng)?shù)亓鞯佬孤┝骱蜕霞?jí)流道泄漏流間

5、的相互作用加劇了流場的不穩(wěn)定性，使得更加復(fù)雜的渦系出現(xiàn)。
　　(2)基于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用大渦模擬方法(LES)對(duì)不同幾何條件下的斜流泵模型進(jìn)行了非定常數(shù)值模擬計(jì)算，獲得了小流量工況和設(shè)計(jì)工況下的計(jì)算結(jié)果。對(duì)不同幾何條件下，不同軸向監(jiān)測位置點(diǎn)的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了時(shí)域和頻域數(shù)值分析比較，發(fā)現(xiàn)越偏離設(shè)計(jì)工況，間隙越大時(shí)壓力脈動(dòng)周期性越差，次頻成分增加;各工況下葉輪進(jìn)口的主頻都為葉頻，小流量工況下從葉輪進(jìn)口到導(dǎo)葉出口，主頻向低頻移動(dòng)且分頻范圍

6、很廣。
　　(3)對(duì)不同運(yùn)行工況下的斜流泵進(jìn)行了外特性測量實(shí)驗(yàn)和壓力脈動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)，在葉輪進(jìn)口、葉輪中間、葉輪出口、導(dǎo)葉進(jìn)口、導(dǎo)葉中間以及導(dǎo)葉出口分別設(shè)置壓力脈動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)，利用PCB動(dòng)態(tài)壓力傳感器進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)采集。對(duì)所得壓力相應(yīng)的時(shí)域和頻域情況進(jìn)行了分析對(duì)比。由壓力脈動(dòng)時(shí)域圖可知，各監(jiān)測點(diǎn)處都具有明顯的周期性壓力脈動(dòng)，各工況下葉輪進(jìn)口到葉輪出口處存在3個(gè)波峰和波谷，位于導(dǎo)葉中間和導(dǎo)葉出口的監(jiān)測點(diǎn)在小流量工況下出現(xiàn)5個(gè)波峰和波谷。由頻率

7、分析可知，葉輪進(jìn)口到葉輪出口處監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)主頻都為葉頻，葉輪進(jìn)口頻率主要集中在(0～9)Fz內(nèi)，葉輪出口的頻率范圍主要在(0～6) Fz內(nèi);導(dǎo)葉中間和出口處，大流量工況下的壓力脈動(dòng)主頻變?yōu)檩S頻，小流量下主頻分布在(3～6) Fz范圍內(nèi)，依舊存在頻率為葉頻的較大分頻。
　　(4)通過PIV實(shí)驗(yàn)手段，分析了葉輪內(nèi)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(jìn)口到出口拍攝面上，流量低于0.4Qopt時(shí)，由于受到上級(jí)泄漏