中比转速离心泵进口回流特性研究_袁建平.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金 项目 国家自然科学基金 江苏省自然科学基金 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 袁建平 男研究员博士生导师 年生 中比转速离心泵进口回流特性研究 袁建平 王振清 付燕霞 侯敬生 江苏大学流体机械工程技术研究中心江苏镇江 江苏大学能动学院江苏镇江 摘要离心泵运行在小流量工况下时进口会出现回流现象回流的发生会恶化叶轮进口的流动降低泵的性 能影响泵的运行可靠性为研究离心泵小流量工况下进口回流特性以 型离心泵为对象采用 软 件 基于 湍流模型对模型泵内部流场进行了定常非定常数值模拟获取 工况点下叶轮进口流动状态进口管内速度分布湍流分布及进口各截面压力分布并对叶轮进口处 及进口管内压力脉动信号进行频域分析得到以下结论回流出现时叶轮进口的流动状态可以分为螺旋状回流螺旋状入 流和轴向入流回流发生时具有明显的低频高幅脉动特征螺旋状回流的流动相比于轴线区域的轴向入流更加不稳定 搭建了闭式试验台对模型泵进行了外特性试验与压力脉动实验采集了压力脉动信号并针对主要频域进行相位分析 验证了数值模拟结果的正确性该研究为小流量回流工况下离心泵进口不稳定流动预测提供依据丰富了离心泵设计理 论对并为水力优化提供一定的参考 关键词离心泵数值模拟回流特性压力脉动 中图分类号 文献标志码 离心泵在小流量工况下运行时在叶轮进口和进 口管内会产生进口回流进口回流占据进口管大部分 面积排挤主流 诱导回流漩涡空化进一步加剧 泵内不稳定流动 降低泵的效率还会产生振动噪 声等严重危害离心泵的安全稳定运行在实际工程 中小流量下回流已成为威胁离心泵安全稳定运行的 一个重要因素目前针对离心泵运行在小流量工况 下回流特性的研究已成为国内外学者研究的热点与 难点近年来计算流体力学 在工业技术产品研发领域具有广泛的 运用并已成为离心泵等水力机械优化设计的重要 手段 为了进一步研究中比转速离心泵的回流不稳定特 性对模型泵小流量工况下进口回流现象进行数值模 拟分析了叶轮进口与进口管内流场信息和压力脉动 特性对进口回流发生的机理进行了探讨揭示进口回 流流场的特性及其发展规律并搭建闭式试验台对 模型泵进行了外特性试验与压力脉动实验对数值模拟 的结果进行了验证 三维模型和网格划分 三维造型 选取 型离心泵作为本次研究的对 象该模型泵的比转速 设计流量 设计扬程 额定转速 具体 参数如表所示通过商业软件 生成其三维造型 如图所示 表模型离心泵的几何参数 参数 数值 表中 为叶轮进口直径为叶轮出口直径 为泵出口直径为叶片数为叶轮出口宽度 图模型泵的三维造型 计算网格及其无关性分析 本研究中所采用的网格在 中生成采 用六面体结构网格进行划分并且对结构网格添加了 边界层使得 值最大值小于从而满足湍流模型 对于 的要求部分结构网格如图所示 为保证模拟的结果准确性同时也为不耗费过长 时间选取了网格数量分别为万万万 万和万的套网格进行数量无关性分析具 体模拟结果如表所示从表中可知第三套网格对 应的相对误差为 与试验值接近且随着网格数 继续增加误差值基本稳定为节省时间选取网格 进行后续计算 图离心泵六面体网格划分 表网格无关性分析 网格数万计算扬程 试验扬程 误差 计算流体力学 概述 相比于试验方法数值模拟方法克服了试验中的 众多限制能够获得的流场信息也远远多于试验并且 在保证结果可信的同时还节省了大量时间与成本因 此数值模拟逐渐被越来越多的学者所接受 湍流模型 本次数值模拟中所采用的湍流模型为 模 型它是对 模型进行改进后得到的相比 于 模型 模型中引入了主流的时 均应变率增加了平均应变率的影响因此 模型在保持了标准 模型计算量适中精度较高等 优点 模型该模型对 模型进 行改进后得到的在该模型中湍流生成和湍动能耗散 方程和标准 模型相同但是对应说明常数项进行了 修改因此对于定常不可压流动湍动能耗散方程变 换为 [] 式中 方程系数 表达式为 第期袁建平等中比转速离心泵进口回流特性研究 式中 方程系数表达式为 槡 式中 数值模拟方法 离心泵内为三维不可压黏性湍流流动控制方程 为质量守恒动量守恒方程和能量守恒方程控制方程 采用有限体积法进行离散对流项采用高分辨率格式 其他项采用中心差分格式 在 软件中模型泵的计算域进口边界 条件为总压入口出口边界条件为质量流量大小由相 应工况决定叶轮旋转形成的壁面设置为旋转边界 其转速为叶轮转速其他壁面设置为无滑移边界叶轮 和蜗壳动静部件之间的交接面设置为动静转子模式 收敛精度设置为 叶轮进口流动分析 本研究采用数值模拟软件 针对离心 泵在小流量下运行时叶轮进口和进口管内进口回流 现象对模型泵的定常特性进行研究为了便于叙述 选取了进口管内不同位置的截面并且命名为截面 截面分别距离叶轮进口面 各截 面具体位置如图所示 图不同截面相对位置 叶轮进口的流动分析 为了研究叶轮进口的流动状态选取 与 工况点下的叶轮进口速度流线图和叶轮轴面 速度矢量分布图进行研究 代表该模型泵的 最优工况点图为叶轮进口的三维速度流线图图 叶轮轴面速度矢量分布图 如图中所示对不同流量下叶轮进口的回流流 态进行描述在 工况下叶轮进口的流线较 为平顺主流入流充满整个进口管无回流现象出现 当流量降到 时叶轮进口管壁处出现了少量 不规则的流线对主流形成了轻微的排挤出现进口回 流现象当流量降到 时进口回流现象较为 明显并且回流延伸到了叶轮进口上游约两倍管径的 地方回流对主流产生了明显的排挤当流量继续降 到 时回流延伸到进口管约三倍的地方对主 流的排挤进一步加强综上所述回流强度随流量降 低而逐渐增强影响范围不断向上游扩大 图不同流量下速度流线分布图 图叶轮轴面速度矢量分布图 从图 中可以看出在 工况下叶片轴 面投影图内的速度矢量分布均匀无回流出现当流 量降低至 时如图所示在叶轮进口靠 近前盖板很小的范围内出现了少量与主流流动方向相 反的速度矢量结合之前的叶轮进口速度流线图可 知该工况下叶轮进口已经出现了少量不规则的流线 回流已经开始出现当流量降至 时如图 所示叶片进口前盖板附近出现了更多的逆向速度 矢量同时影响的范围扩大向叶片进口流道中心发 展当流量降到 时如图所示回流进 一步向叶片进口流道中心发展影响范围扩大 综上所述回流强度随流量降低而逐渐增强影响 范围不断向上游扩大回流出现的原因可能因为当 流量降低时轴面速度 减小流体质点相比在大流 量时在叶轮流道内的时间更长在离心力的作用下流 体质点会撞向前泵体固体壁面同时叶轮进口的压力 振 动 与 冲 击年第卷 不仅沿径向发生了改变沿轴向也发生了改变部分流 体形成了回流流动 进口管内湍流强度分布 为从能量角度研究研究进口回流向上游传递的特 性选取 工况下叶轮进口附近的 轴截面湍流强度分布进行分析如图所示 图进口管内湍流强度分布 从图中可以看出进口管中湍流强度随着流量 的降低而逐渐增强同时回流强度也在不断发展在 工况下进口管中湍流强度低并且分布均匀 说明进口管内的流动稳定叶轮进口为均匀入流但 是当流量降低到 时即回流开始出现时在叶 片进口外缘处湍流强度变大流动紊乱并且上下两部 分并不对称这可以看出回流在叶轮进口外缘处形 成并将从叶轮处获得的能量带回到进口管中当流 量降到 时回流影响的区域扩大叶轮进口附 近的流动变得更加不稳定同时回流占据了叶轮进口 附近大部分面积回流流体向上游延伸的过程中在 黏性作用下湍流强度逐渐减小当流量为 时不仅回流影响的区域更大而且湍流强度也明显增 加即叶轮进口的流动变得更加的紊乱 因此进口管中出现了较大的湍流强度分布并且 流量越小从叶轮返回到进口管的流体越多具有的能 量越大叶轮进口附近的流动越紊乱回流不仅具有 与主流流动相反的速度还带有与叶轮转向相同的旋 转速度导致流体在管壁附近形成螺旋状回流 不同圆柱面截面上的速度流线 为了进一步分析回流发生时叶轮进口区域的流动 状态在进口管内设置 两个圆柱 面分析圆柱面上的速度流线选取 流量下 的流动进行分析主流流动方向为从左往右流动因 此定义主流流动方向为正不同圆柱面上的速度流线 图如图所示 观察图中不同圆柱截面上的速度流线图可以 发现回流发生时不同圆柱截面上的流动状态不同在 的圆柱截面上受到回流影响的区域内叶轮 进口附近的速度矢量只具有正向的轴向速度和较小的 周向速度并且速度矢量与来流主流速度矢量大小更 加接近叶轮进口附近的流动呈现螺旋状入流流体 质点具有正向的轴向速度分量和与叶轮转向相同的周 向速度分量 圆柱面上叶轮进口附近的流 体流动呈轴向入流流体质点只具有与主流同向的正 向速度无周向速度 图不同圆柱截面的速度流线图 进口管内的速度分布 为研究发生进口回流在不同位置上的特性测量 了不同流量下各截面不同半径处测点的轴向速度与周 向速度并绘制了如图所示的曲线定义轴向速度 正方向为与主流流动方向相同的方向周向速度正方 向为与叶轮旋转方向相同的方向为测点到进口管轴 线的距离 为进口管半径为轴向速度为周向 速度 图不同流量下截面的轴向速度和周向速度分布 如图 所示为不同流量下截面上的轴向速度 分布图通过分析不同流量下的轴向速度分布可以看 出在 工况点不同半径处的轴向速度均为正 值只在 附近速度轻微下降 而其余回流发 第期袁建平等中比转速离心泵进口回流特性研究 生流量点下在 值为 内出现了速度值为 负的情况并且随着流量继续降低反向速度绝对值 越大这说明回流强度增强回流更剧烈 如图所示为不同流量下截面上的周向速度 分布图由不同流量下的周向速度分布可知在 未发生回流的工况下周向速度基本为 但 在回流发生工况下在 值为 内出现了较 大的周向速度并且周向速度随着流量降低而增大 以 工况为例在 处的周向速度值 几乎为 工况下同一位置处的倍 在 值 为 内测点的周向速度分量基本不变该区域 的流体所具有的周向速度分量很小随着测点半径的 增加周向速度分量迅速增大且不同测点之间的周向 速度分量差值越来越大 由图进口流动的分析结果可进一步验证了上节 中的研究结论即回流发生时叶轮进口附近的流动可 以分为 螺旋状回流即管壁附近的流动该区域的 流体轴向速度分量与主流方向相反并且带有很大的 与叶轮转向相同的周向速度分量 螺旋状入流及螺 旋状回流与轴向入流之间的流动该区域的流体轴向 速度分量与主流相同并且带有与叶轮转向相同的周 向速度分量 轴向入流即轴线附近的流动该区域 的流体只具有与主流流动方向相同的轴向速度分量 不带有周向速度分量 为研究特定流量下回流在轴向上向上游发展的特 性在 流量下选取截面截面截面即 叶轮进口回流区域中部回流区域尾部三个不同截 面绘制了不同截面上的轴向速度和周向速度分布图 如图所示 图 流量不同轴向位置的轴向速度和周向速度分布 如图 所示为 流量下不同位置的轴 向速度分量分布图从图中可以看出在 的值为 时截面上的反向速度 最大截面上 的反向速度 最小 并且在 处 约是 的倍可见越靠近叶轮进口逆向速度越大随着距 叶轮进口的距离逐渐增加流体所具有的逆向速度迅 速减小在 值在 内时截面上的正向速 度 最大截面上的正向速度 最小 可见受到回 流影响较为严重的截面和截面上靠近中心轴线附 近的速度相比截面处增加明显这说明回流的存在 对主流产生了排挤使得主流的过流面积减少速度增 加而截面上轴线附近的正向速度大于截面上的 原因是截面靠近叶轮进口此处的流动即受到叶轮 旋转的影响又受到叶轮进口回流流体的旋转分量干 扰因而进口管中的回流流动不对称对不同轴向位置 有不同的排挤效应 如图所示为 流量下不同位置的周 向速度分量分布图从图中可以看出截面处 的周向速度最大截面处的周向速度最小结合图 和图可知在固定流量下回流强度在轴向 上进口附近的流体运动受叶轮旋转的影响速度因而 存在一定的旋转分量因而在叶轮进口处达到最强但 是随着距离叶轮进口越远回流强度迅速衰减 进口管中的总压分布 为进一步研究回流对进口管内总压分布的影响 选取 流量下截面 截面上的总压分布 如图所示 图 工况下进水管中各个断面的总压分布 观察图中各截面上的总压分布可以发现截面 振 动 与 冲 击年第卷 上的总压分布均匀为同半径的圆形其它各截面由 于受回流的影响较大总压分布均呈边缘高中心压力 低并且越靠近叶轮进口这一特征越明显截面 未受到回流影响总压分布均匀截面上的总压分布 不均匀在轴线中心附近存在偏心的低压带而在管壁 边缘处出现了块明显的高压区域可见总压从管 壁到轴线逐渐降低在轴线附近达到最低这是因为 在回流发生时逆流流体出现在管壁附近并将从叶轮 处获得的能量带到进口管中因此管壁附近总压高 并且回流流体具有较大的与叶轮转向同向的周向速 度会导致叶轮进口附近发生预旋造成轴线区域的压 力降低综上所述回流会改变叶轮进口附近总压分 布使其成边缘高中心压力低的抛物线型分布 进口管内的压力脉动 对模型泵进行非定常数值模拟获取模型泵内不 同位置的压力脉动特性研究进口回流压力脉动特性 在非定常数值模拟中采用 湍流模型边 界条件仍然选择总压进口和质量流量出口为了捕捉 到进口回流动态特性同时获得最经济的计算时间步 长非定常计算的时间步长为叶轮旋转周期的 即 每个时间步长内叶轮旋转 根据实际模型泵的参 数其实际时间步长 总时间为叶 轮旋转圈所需的时间 为研究回流发生时进口管内的压力脉动特性以 工况点为例选取进口管内四个点进行压力 脉动分析 点和 点距离叶轮进口 且 点位于进口管轴线上 点和 点距离叶轮进口 且 点位于进口管轴线上 点和 点所 在区域未受到回流影响而 点和 点在受到回流 影响的螺旋状回流区域和轴向入流区域四个监测点 的位置如图所示 图进口管内监测点位置 为便于分析对压力脉动的信号进行无量纲处理 定义压力系数的公式为 式中 为监测点的静压 为监测点在叶轮旋转周期 内的平均压力 为液体的密度 为叶轮出口处的 圆周速度 在 中进行快速傅里叶变换 进行压力脉动频域分析如图所 示为 工况下发生回流现象时进口管内不同 监测点的压力脉动频域图 图进口管内不同检测点的压力脉动频域图 从图中可以看出除 点以外各点的主频 均为 次主频为 点的压力脉动主频为 次主频为 对比监测点 点和 点的 压力脉动频域图发现二者基本相同各点的频率基 本均为轴频的倍数即由于未受到回流影响该区域 内的流体流动稳定对比监测点 点与 点的 压力脉动频域图可知发现 点的主频为低频频率 而 点的主频为且 点与 点在 内均存在低频高幅的宽频带在 内也存 在低频高幅的宽频带但是 点对应幅值小于 点即回流发生时具有明显的低频高幅脉动特征并 且螺旋状回流的流动相比于轴线区域的轴向入流更 加不稳定 试验 为获得模型泵的水力性能与压力脉动特性同时 验证数值模拟方法与结果的适用性与准确性在江苏 大学流体中心试验室搭建了闭式试验台试验台搭建 及试验过程参考回转动力泵水力性能验收试验级 和级的要求进行模型泵试验台如图所示 本次试验系统主要由模型泵机组管路装置阀 门涡轮流量计压力变送器扭转仪 虚拟仪 器测试系统等组成所用主要设备如表所示 外特性对比 为便于分析将试验所得数据进行无量纲处理定 义扬程系数为 第期袁建平等中比转速离心泵进口回流特性研究 式中 为叶轮出口的圆周速度 将模型泵试验得到的扬程系数与效率曲线分别于 计算值绘制在同一坐标系下进行对比分析以验证数 值计算结果的准确性如图所示 图试验台实物图 表主要试验设备 静压传感器 量程 输出 动压传感器宏沐量程 输出 综合精度 数据采集卡 系列 路模拟输入通道 图泵的外特性预测值与试验值对比图 对比模型泵性能预测曲线与试验所得曲线发 现二者总体变化趋势一致误差最小的工况点均为 最优工况点且二者相差在以下而最大误差 点均出现在最小流量点但是二者相差均在 以下 压力脉动试验结果分析 在本次试验研究中在模型泵进口管及蜗壳上设 置了五个监测点其分布如图所示试验中将采样 频率设置为 采样时间设置为 对采集到的压 力脉动时域信号进行快速傅里叶变换得到各监测点 的压力脉动频域图 如图所示为在 工况下各监测点的压 力脉动频域图 图监测点位置 图 工况下压力脉动频域图 从图中可知在 工况下不同监测点压 力脉动的主频均为 即叶频 同时发现在 低于轴频 的 内出现了低频高幅的宽 频带 为进一步分析 工况下模型泵的内部流 动对蜗壳上相邻的监测点进行相位交叉性分析