离心泵隔舌空化非定常流动特性及其诱导压力脉动研究
离心泵被广泛运用于各个领域，保障其安全稳定运行的重要性不言而喻。离心泵隔舌空化在发生发展过程中，不仅会导致泵水力性能的下降，还会诱导产生振动和噪声，更严重的是会造成材料的破坏，严重威胁泵的安全稳定运行。本文采用理论分析、试验研究和数值计算方法对离心泵隔舌空化非定常流动特性及其诱导产生的压力脉动特性展开研究。首先通过对比由试验和数值计算得到的离心泵外特性曲线和空化特性曲线来验证数值计算方法的可靠性。随后通过定常数值计算明确隔舌空化发生的工况及其随着装置空化余量降低的发展过程。再通过非定常数值计算获取隔舌空化非定常流动特性与其诱导产生的压力脉动特性。最后通过数值计算对五组不同蜗壳壁面粗糙度下泵内空化流动进行模拟，分析蜗壳壁面粗糙度对隔舌空化的影响。本文的主要研究内容及创新性成果如下： （1）离心泵不同流量及不同装置空化余量下泵内空化流动数值模拟。对离心泵全流道水体模型进行结构化网格划分，通过数值计算获得了离心泵外特性曲线与空化特性曲线，并通过试验验证了数值计算方法的可靠性。结果表明，离心泵在大流量工况运行时，泵内更容易发生空化，而隔舌空化仅发生在大流量工况。隔舌空化在发生后，会随着装置空化余量降低而进一步恶化，但当隔舌空化发展到一定程度后，不再随着装置空化余量降低发生更明显的变化。 （2）隔舌空化属于旋涡空化。离心泵在大流量工况下，经过叶轮做功后的流体在隔舌处冲角增大，导致隔舌处流动分离，从而形成强剪切湍流，发生旋涡空化。离心泵隔舌处空泡发展过程与隔舌处分离涡发展过程密切相关，分离涡的中心低压区促使了空泡的形成，而由分离涡造成的回射流则导致了空泡的脱落。因此空泡的脱落频率与分离涡脱落频率一致，脱落周期均可分为三个阶段：形成、脱落、溃灭（破碎）。 （3）隔舌处空泡和分离涡发展过程都与叶片在叶轮中相对位置有关。叶片叶尖正对隔舌时，隔舌处存在较大尺度分离涡和较大体积空化云。当叶片逐渐远离隔舌时，分离涡开始脱落，且涡核尺寸逐渐减小直至消失。同时，隔舌处空泡开始脱落，且体积逐渐减小直至溃灭。当相邻叶片叶尖移动到正对隔舌时，隔舌处又形成较大尺度分离涡和较大体积空化云。隔舌处分离涡和空泡脱落频率均为叶频fd。 （4）离心泵扩散管内湍流强度分布主要取决于尾迹涡和分离涡。受分离涡非定常脱落的影响，扩散管内湍动能分布与分离涡不同时刻所在位置有关，具体表现为分离涡脱落过程中，分离涡附近区域湍动能升高。此外，扩散管从入口到出口的整体湍动能先增强后减弱。 （5）从隔舌到扩散管出口位置的所有监测点压力脉动信号周期一致。由于分离涡运动需要时间，因此位于隔舌外侧的监测点的脉动周期与隔舌内侧及隔舌头部的监测点相比存在“时间滞后”现象。由于隔舌内侧存在流动滞止区，同时其距离分离涡形成位置相对较远，因此隔舌内侧的压力值远大于其他区域。随着隔舌空化的发生发展，隔舌附近及下游扩散管内各监测点压力值均出现降低，同时部分监测点的高压值区间变化更为明显。 （6）隔舌附近及扩散管内压力脉动主频均由叶频及其谐波分量构成。隔舌内侧监测点在2fd处具有较高幅值，这与其所在位置所受叶轮-蜗壳动静干涉效应相对更强有关。各监测点在fd处幅值随着隔舌空化的发生发展基本表现为逐渐降低，同时在0-300Hz的低频段出现宽频脉动。 （7）蜗壳壁面粗糙度对泵性能、隔舌附近湍动能和隔舌空化程度均具有重要影响。泵扬程和效率随着壁面粗糙度的升高而呈现出非线性降低，在壁面粗糙度升高过程中，泵性能变化逐渐减小。而随着粗糙度增大，湍动能升高，隔舌空化程度加剧。湍动能升高区域和隔舌空化发生区域分布相对应，这表明粗糙度的增大，增强了湍流强度，进而促进了隔舌空化的发展。
离心泵;隔舌空化;非定常流动特性;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）