離心泵多設計方案下內流PIV測試及其非定常全流場數值模擬.pdf

1、本文系國家自然基金(編號：50649029)和高校博士點基金(編號：20050299006)資助項目。 離心泵是應用最廣泛的流體機械之一，其中低比轉速離心泵一直存在效率不高，汽蝕性能較差，內部流動不穩(wěn)定等問題。隨著現代流場測試技術及CFD技術的發(fā)展，對離心泵開展PIV內部流動測試及動靜耦合的非定常全流場數值模擬是當前國內外泵領域研究的重點和熱點。本文通過對離心泵內部非定常流動現象和特點的分析，提出開展多種設計方案下的離心泵內部三

2、維非定常全流場的數值模擬及PIV試驗的對比研究，旨在較全面細致地了解不同設計方法設計的離心泵全流場流動的結構特點，捕獲非定常流動特征，為離心泵優(yōu)化設計提供理論基礎，并實現離心泵性能的準確預測。本文主要研究工作和創(chuàng)造性成果有： 1.在全面系統(tǒng)分析國內外離心泵內部流場實驗和數值模擬研究進展的基礎上，對離心泵內部流動現象進行了較全面深入的分析，并針對離心泵內部三維粘性湍流流動的計算模型和計算方法進行了討論。 2.采用先進的PI

3、V技術，開展了離心泵內部流動的PIV測試研究。自行搭建了離心泵專用PIV試驗臺，針對離心泵葉輪結構特點，設計并制造了滿足PIV測試要求的模型泵。首次對采用不同設計方法所設計出的四種方案離心泵葉輪內部流場進行了多工況下PIV測試的對比研究，結果表明：采用低比速設計法設計的葉輪流道內相對速度基本沿葉片型線方向流動，葉片吸力面無尾流現象存在；采用常規(guī)設計方法設計的葉輪，流道進口處葉片對流體排擠嚴重，易形成氣泡；采用較短短葉片設計的葉輪流道內流

4、體由吸力面流向壓力面，葉片進口處存在明顯旋渦區(qū)，且隨流量的增加旋渦區(qū)逐漸縮??；采用較長短葉片設計的葉輪內相對速度分布較紊亂，長葉片和短葉片吸力面處均存在明顯旋渦區(qū)。 3.首次對采用不同設計方法所得五種方案離心泵內部流場進行了單個葉輪、葉輪蝸殼動靜耦合的定常流動和非定常流動的數值模擬對比研究。采用RANS雷諾時均方程進行數值求解，以RNG к-ε湍流模型來封閉雷諾應力項，應用SIMPLEC算法進行不可壓縮流動壓力場的求解，實現了對

5、五種設計方案下葉輪內部流場的三維粘性湍流數值模擬。通過與PIV實驗測試結果的對比分析，驗證了所建數學模型的準確性。通過對設計流量工況及非設計流量工況下五種方案葉輪內部流動速度、壓力、湍動能分布的對比分析，發(fā)現：低比速設計的葉輪流道內流體基本沿葉片型線方向流動，較大流速出現在葉片吸力面附近，葉輪出口吸力面?zhèn)葻o低速尾流區(qū)存在，與PIV測試結果一致；常規(guī)設計方法設計的葉輪，在葉片吸力面出口處存在低速尾流區(qū)，葉片壓力面距頭部1/3處出現一較大范

6、圍的低速旋渦區(qū)，使主流區(qū)的速度明顯增大；長短葉片葉輪葉片進口壓力面附近存在明顯的低速旋渦區(qū)，流體從長葉片吸力面橫向流向壓力面，與PIV測試結果一致；由于短葉片的存在防止了尾流的產生和發(fā)展，長葉片吸力面出口未出現低速尾流區(qū)；當短葉片向長葉片吸力面偏置時，平衡了短葉片兩側流道內的流動，流動更為均勻。通過對五種葉輪設計方案的分析和評估，為最終進行離心泵葉輪優(yōu)化水力設計提供理論基礎。 4.基于分塊耦合及局部加密的方法生成三維非結構化網格

7、，采用凍結轉動部件法及多重參考坐標系模型，對離心泵包括蝸殼在內的全三維流場進行了定常數值模擬，結果表明：蝸殼進口速度和壓力沿周向分布呈明顯的周期性波動特征，葉輪出口射流和尾流區(qū)的存在與否及所處位置與泵的流量及葉輪結構形式有很大關系，進一步證實了離心泵內從葉輪到蝸殼整個流場的強非對稱流動特征。通過不同設計方案及不同流量工況下的數值模擬對比分析，揭示了葉輪和蝸殼之間的動靜干涉對流場的影響。通過對多個設計方案不同流量工況下的數值模擬，數值預測

8、了離心泵的性能曲線，并與外特性實驗曲線進行對比，進一步驗證了本文數值模擬的準確性和性能預測的可行性，為離心泵的性能優(yōu)化提供了途徑。 5.由于離心泵內的非定常流動能引起泵內部和出口的壓力脈動，進而誘導產生噪聲和振動，不同設計方案離心泵的非定常特性也不同。本文針對不同的設計方案，采用滑移網格的非定常CFD方法實現了整機全三維非定常流場的數值模擬，揭示了離心泵內部流動周期性波動特性和非穩(wěn)定流動特征。蝸殼隔舌附近的壓力波動幅值最大，蝸殼

9、出口斷面上的壓力波動幅值最??；小流量工況下，各方案的瞬時揚程波動不大，隨流量的增大瞬時揚程波動幅值明顯增大；低比速設計的葉輪瞬時揚程波動較大，常規(guī)設計的葉輪瞬時揚程波動最??；采用長短葉片的葉輪，短葉片偏向吸力面時瞬時揚程波動最小。首次從非定常流動角度對不同設計方法所得葉輪進行了對比評估，并為進一步進行離心泵內部流動誘導噪聲和誘導振動研究提供了基礎。 6.本文首次系統(tǒng)地進行了離心泵多設計方案的外特性實驗、PIV測試和不同層次的數值