小流量工况离心泵不稳定流动及空化特性研究
离心泵是现代工业和生活中实现能量转换和流体运输的重要设备，在石油化工、医学制药等方面都得到广泛应用。随着科技不断发展，离心泵逐渐向高转速、高效率、高稳定性的方向发展以满足国家经济发展与能源环境的需求。然而在实际工程应用中，离心泵往往会偏离设计工况运行，尤其是小流量工况。在小流量工况下，离心泵内会产生叶轮进口回流、旋转失速、脱流、粘性尾流及间隙流动等多种不稳定流动现象，引起压力场和速度场的剧变，诱导强烈的振动噪声。小流量下的不稳定流动会导致泵内空化更容易发生，空泡的产生和溃灭会破坏流体的连续性，使得流动不稳定增强，降低泵的水力性能。因此，对小流量工况离心泵不稳定流动及空化特性开展研究，对提高偏工况下的运行效率、稳定性和可靠性具有重要意义。本文结合理论分析、数值模拟与试验研究方法，对小流量工况离心泵不稳定流动及空化特性开展研究，分析了离心泵内由流量变化引起的不稳定流动及其诱导压力脉动特性，提出离心泵小流量下不稳定流动监测方法，对离心泵小流量下空化发生发展特性进行分析，研究回流空化与叶片空化对流动不稳定性的影响。本文主要研究内容和主要结论如下： （1）总结国内外离心泵小流量下不稳定流动特性及空化流动特性的相关研究现状，提出课题研究意义。对离心泵进行全流道数值模拟，对比分析由数值模拟与试验测试所得的泵外特性曲线及空化特性曲线。结果表明数值模拟结果与试验测试结果的吻合性较好，验证了数值计算方法的准确性。 （2）对小流量下离心泵不稳定流动特性进行了研究。研究发现小流量下离心泵内的回流主要发生在叶轮进口、叶片吸力面附近及叶轮出口等部位。随着流量逐渐降低，叶轮进口回流沿着管壁向进口管路上游延伸。在流量低于0.277Qd（Qd=50.6m3/h）时，泵内出现旋转失速，泵内压力脉动幅值迅速增大。同时，运用Ω涡识别法对失速工况下流场中涡结构进行识别，发现叶轮流道中存在无规律分布的小尺度涡，蜗壳内螺旋段的涡结构随着液体流动方向向蜗壳出口运动，对下游弱涡区形成撞击。 （3）研究了不同流量下离心泵进出口压力脉动特性。对不同流量下泵进出口处的压力脉动特性进行分析，建立了小流量下离心泵不稳定流态及其诱导外部特征信号之间的对应关系。研究发现随着流量的降低，泵进出口压力脉动幅值逐渐增大。运用小波分析方法进行时频域分析，结果表明在不同流量下泵进出口的压力脉动主频均为叶频，而泵出口压力脉动对由流量变化引起的不稳定流动更为敏感，更适合于极小流量工况下不稳定流动的监测。 （4）对0.4Qd流量下离心泵空化流动特性进行数值计算与分析。结果表明，小流量工况下，离心泵空化对泵扬程的影响较小。随着空化的发展，靠近隔舌的叶片前缘最先出现空化现象。空化发展到一定程度时，叶轮内空泡体积增长率较大。泵进口管路扩散段管壁附近出现回流空化，此处产生的空泡形态极具不稳定性，随着叶轮旋转逐渐向叶轮延伸游移，空泡尾部发生断裂。叶片上游吸力侧附近的附着型空泡随着空化余量降低逐渐向叶片工作面和流道中部延伸，空泡形态较为稳定。 （5）分析了0.4Qd流量下离心泵回流空化和叶片空化对流动不稳定性的影响。研究发现，在未空化时离心泵叶轮进口、叶片吸力面及隔舌附近的叶轮出口就已存在不均匀回流漩涡。随着空化发展，叶轮进口湍流强度呈现先增大后减小的变化趋势，回流强度降低引发回流空化减弱。叶片前缘附着型空穴尾迹区的低压分布会导致流道内漩涡数量增加，尺度增大，对流道造成堵塞。在泵扬程断裂工况时，大面积空泡占据流道，叶轮出口压力分布紊乱，出口尾流向工作面迁移并产生反向漩涡，导致扬程急剧下降。
离心泵;流动不稳定性;空化特性;压力脉动
西华大学
硕士
动力工程及工程热物理
卢加兴
2022
中文
TH311
2022-11-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）