離心泵流體激振計(jì)算分析及控制策略.pdf

1、本文以比轉(zhuǎn)速為63的單級(jí)單吸離心泵為研究對(duì)象，通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬，研究了泵的上游管路存在90度彎管時(shí)，不同轉(zhuǎn)速和流量下泵的外特性、壓力脈動(dòng)特性和內(nèi)部流場(chǎng)的特征。研究了采用不同方式改變?nèi)~輪與隔舌之間間隙對(duì)泵內(nèi)外特性和壓力脈動(dòng)特性的影響。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴以90度彎管及其上游和下游管路的流動(dòng)區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，研究不同入流速度、不同管路直徑和不同彎管中心線半徑下90度彎管下游管路內(nèi)流體非定常特性的特征。結(jié)果表明：高雷諾數(shù)下，

2、彎管內(nèi)發(fā)生邊界層分離是影響彎管下游流動(dòng)狀態(tài)的主要因素。分離點(diǎn)后生成的大尺度擬序結(jié)構(gòu)主宰當(dāng)?shù)氐牧鲃?dòng)狀態(tài)并沿下游方向傳播、消散。分離點(diǎn)的位置不隨入流速度和管路直徑而發(fā)生明顯改變。入流速度和彎管曲率影響著彎管下游管路內(nèi)部的流動(dòng)特征和壁面壓力波動(dòng)特性。小曲率90度彎管下游管路的壓力波動(dòng)明顯低于大曲率彎管。⑵對(duì)比分析了泵在最佳工況運(yùn)行時(shí)，直管入流和彎管入流條件下泵外特性、壓力脈動(dòng)特性和流場(chǎng)特征的差異。分析了當(dāng)彎管距離葉輪的距離不同時(shí)，入流管路的流

3、動(dòng)特征和泵外特性的差異以及泵內(nèi)部流動(dòng)特征的變化。結(jié)果表明：葉輪和彎管下游的流動(dòng)相互影響。例如，當(dāng)彎管距泵入口距離L等于0時(shí)，彎管小半徑處流動(dòng)區(qū)域的邊界層分離受到了抑制。彎管入流時(shí)泵的揚(yáng)程和效率高于直管入流時(shí)的狀態(tài)，其中揚(yáng)程最高提升了2%，效率最高提升了1.2個(gè)百分點(diǎn)。彎管與葉輪的距離不同，泵不均勻入流的流動(dòng)特征不同。彎管入流不會(huì)對(duì)壓水室和葉輪徑向力的均值產(chǎn)生明顯的影響，但是壓水室徑向力脈動(dòng)幅值則隨彎管與葉輪的距離不同而改變。彎管距泵入口

4、距離L等于3倍泵入口直徑時(shí)壓水室徑向力脈動(dòng)幅值為直管入流時(shí)的82%。⑶研究了直管入流時(shí)不同轉(zhuǎn)速和流量下泵的壓力脈動(dòng)特性。首先將外特性的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比對(duì)，并分析了數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生差異的因素。然后對(duì)徑向力特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：葉輪和壓水室徑向力的的無(wú)量綱化值隨流量系數(shù)近似呈線性變化。葉輪與壓水室徑向力的最低值出現(xiàn)在最佳工況及其相似工況點(diǎn)。隔舌壓差的變化與徑向力不同。隔舌壓差的最低值出現(xiàn)在0.8倍最佳工況點(diǎn)及其相似工

5、況點(diǎn)附近。徑向力和隔舌壓差均以葉頻及其倍頻為主要頻率。頻譜特性隨泵的轉(zhuǎn)速和流量不同而改變。隔舌壓差的頻譜特性隨工況的改變與徑向力相比略有不同。如在設(shè)計(jì)流量下改變轉(zhuǎn)速后，徑向力部分頻次的能量有所升高，而隔舌壓差則有所降低。隔舌壓差與隔舌上游和下游流動(dòng)參數(shù)的相關(guān)性分析表明，在最佳工況下，隔舌壓差與其下游的流動(dòng)存在一定的相關(guān)性。而當(dāng)流量為0.8倍最佳工況時(shí)，這一相關(guān)性已經(jīng)不再明顯。⑷分析了當(dāng)泵的入流管路存在彎管時(shí)，不同轉(zhuǎn)速和流量下泵外特性和壓

6、力脈動(dòng)特性的變化。著重對(duì)比了直管入流和彎管入流泵壓力脈動(dòng)特性的差異。結(jié)果表明：除了在最佳工況和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的0.8Qopt工況，彎管入流與直管入流在外特性和隔舌壓差幅值上沒(méi)有明顯的差異。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的0.8Qopt工況，彎管入流的隔舌壓差脈動(dòng)幅值是直管入流時(shí)的三倍；揚(yáng)程略有下降，效率下降了0.5個(gè)百分點(diǎn)。不同入條件下，葉輪和壓水室徑向力的均值以及脈動(dòng)幅值在不同工況下沒(méi)有明顯的差異。當(dāng)泵的運(yùn)行偏離最佳工況，泵入流中小尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)壓水室的影

7、響依然存在。并且改變了不同工況下徑向力和隔舌壓差的脈動(dòng)特征以及泵內(nèi)流場(chǎng)的特征。隔舌壓差與隔舌上游和下游流動(dòng)參數(shù)的相關(guān)性分析表明，當(dāng)流量達(dá)到0.4Qopt時(shí)，與隔舌區(qū)域壓力變化相關(guān)的流動(dòng)進(jìn)一步擴(kuò)展至壓水室下游的流動(dòng)區(qū)域。⑸葉輪和壓水室徑向力脈動(dòng)幅值、隔舌壓差脈動(dòng)幅值以及泵的效率隨壓水室基圓直徑 D3的增加而逐漸下降。當(dāng)葉輪與隔舌間隙2c/D2大于5%，泵效率的下降速度逐漸高于徑向力脈動(dòng)幅值的下降速度。通過(guò)改變隔舌徑向位置來(lái)改變?nèi)~輪與隔舌之