基于大渦模擬的導(dǎo)葉式混流泵葉輪內(nèi)壓力脈動特性分析

杜媛英,高　強(qiáng),尚長春, 郝昱宇, 趙天鵬, 王曉璐

(1.西安科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，陜西 西安 710054; 2.上海電力修造總廠有限公司，上海 201316)

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·機(jī)電工程·

基于大渦模擬的導(dǎo)葉式混流泵葉輪內(nèi)壓力脈動特性分析

杜媛英1,高強(qiáng)2,尚長春1, 郝昱宇1, 趙天鵬1, 王曉璐1

(1.西安科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，陜西 西安 710054; 2.上海電力修造總廠有限公司，上海 201316)

為研究導(dǎo)葉式混流泵葉輪內(nèi)部非定常壓力脈動特性，在其葉輪進(jìn)口截面及出口截面附近分別設(shè)置8個壓力脈動監(jiān)測點(diǎn)，采用大渦模擬方法(LES)對導(dǎo)葉式混流泵內(nèi)全三維流道(進(jìn)水管、葉輪、導(dǎo)葉及出水管)進(jìn)行模擬，并對8個監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行壓力脈動時域圖和頻域圖的分析。結(jié)果表明：由于旋轉(zhuǎn)葉輪旋轉(zhuǎn)失速、脫流效應(yīng)及靜止導(dǎo)葉的干涉作用，葉輪出口處壓力脈動系數(shù)幅值均大于進(jìn)口處脈動系數(shù)幅值，且其最大壓力脈動發(fā)生在葉輪出口處，脈動波衰減較慢；葉輪進(jìn)、出口截面上監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動頻率以葉輪葉頻為主頻次，且壓力脈動主要頻率為葉頻的倍數(shù)。

混流泵；葉輪；壓力脈動；大渦模擬；時域圖；頻域圖

混流泵是一種應(yīng)用非常廣泛的通用流體機(jī)械，常用于農(nóng)田灌溉、防澇排洪、水利工程、污水處理、電站(燃煤電站、核電站、蓄能電站、潮汐電站)冷卻系統(tǒng)等各個領(lǐng)域[1]。壓力脈動是影響泵運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，混流泵在運(yùn)行時，葉輪高速旋轉(zhuǎn)，葉輪和靜止導(dǎo)葉之間的動靜干涉及流體的高黏性，使其內(nèi)部流動呈現(xiàn)出復(fù)雜的非定常性，引起泵內(nèi)流場的壓力脈動，從而導(dǎo)致整個機(jī)組或設(shè)備的振動及噪聲。目前張德勝等利用SIMPLEC算法研究了葉輪與導(dǎo)葉數(shù)對斜流泵壓力脈動的影響[2]；王福軍等利用大渦模擬方法對大型軸流泵內(nèi)部非定常流動特性進(jìn)行了模擬和計(jì)算[3]；黎義斌等對低比轉(zhuǎn)數(shù)混流泵壓力脈動特性做了數(shù)值模擬[4]；黎耀軍等采用LES方法和滑移網(wǎng)格技術(shù)對一低比轉(zhuǎn)數(shù)軸流泵不同工況下輪緣間隙泄漏渦形態(tài)及葉片近輪緣區(qū)壓力脈動特性做了分析，揭示了軸流泵葉頂間隙流動特征[5]；靳栓寶等認(rèn)為混流泵內(nèi)最大壓力脈動在葉輪進(jìn)口,從輪轂到輪緣脈動幅值遞增，在葉輪進(jìn)口和葉輪出口壓力脈動頻率主要為葉輪葉頻控制[6]；姬晉廷等對考慮水壓力的混流式轉(zhuǎn)輪的振動特性進(jìn)行了分析[7]；袁建平等基于大渦模擬對離心泵蝸殼內(nèi)壓力脈動特性進(jìn)行了分析[8]。盡管運(yùn)用CFD計(jì)算泵內(nèi)流場已經(jīng)比較廣泛，但運(yùn)用CFD預(yù)測混流泵性能目前還主要集中在泵的外特性預(yù)測方面，同時大渦模擬是目前CFD領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一；因此，采用大渦模擬方法對混流泵內(nèi)非定常流動進(jìn)行的模擬，可以為混流泵進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、減輕振動與噪聲提供理論依據(jù)。

本文利用Fluent軟件，采用大渦模擬方法對導(dǎo)葉式混流泵吸入室、葉輪、導(dǎo)葉及出水管組成的全流道做了三維非定常數(shù)值模擬，對葉輪進(jìn)口和出口壓力脈動進(jìn)行了比較深入的分析。

1　混流泵非定常計(jì)算

1.1模型泵主要參數(shù)

計(jì)算模型為一比轉(zhuǎn)速為503的導(dǎo)葉式混流泵，其吸入室進(jìn)口直徑為224 mm，葉輪出口寬度為74 mm，導(dǎo)葉長寬比為0.3，葉輪數(shù)為4，導(dǎo)葉數(shù)為7，泵的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，設(shè)計(jì)流量為1 400m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為31 m。

1.2大渦模擬的基本思想及運(yùn)動方程

大渦模擬是介于直接數(shù)值模擬(DNS)與Reynolds平均法之間的一種湍流數(shù)值模擬方法，它將比網(wǎng)格尺度大的湍流運(yùn)動通過瞬時Navier-Stokes方程計(jì)算出來，而小尺度的渦對大尺度渦運(yùn)動的影響通過一定的模型在針對大尺度渦的瞬時Navier-Stokes方程中體現(xiàn)出來，從而形成LES。

其運(yùn)動方程組[9]為：

(1)

(2)

1.3計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

在Pro/E中繪制混流泵全流道模型(如圖1所示)，網(wǎng)格生成通過Gambit完成，整個計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格組成的混合網(wǎng)格，計(jì)算區(qū)域?yàn)槲胧摇⑷~輪、導(dǎo)葉及出水管組成的全三維流道，網(wǎng)格計(jì)算總數(shù)為117萬6 945。

一是全面深化水利改革。深化水利審批制度改革，理清各級各部門的權(quán)利和責(zé)任清單，切實(shí)提高審批效能。完善水利投融資機(jī)制，吸引更多的社會資金投入水利建設(shè)。積極探索公益性水利項(xiàng)目的市場引入機(jī)制，探索通過政府采購服務(wù)方式解決水利工程管養(yǎng)難題。健全民生水利工程建設(shè)督導(dǎo)機(jī)制，切實(shí)加快建設(shè)進(jìn)度。

圖1　三維計(jì)算模型圖

1.4三維非定常計(jì)算方法

在對混流泵進(jìn)行非定常湍流數(shù)值計(jì)算時，計(jì)算域中靜止導(dǎo)葉與高速旋轉(zhuǎn)葉輪采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，湍流模型采用LES湍流模型，非定常計(jì)算采用SIMPLE算法，采用非定長計(jì)算的時間步長為Δt=0.223 ms，即時間步長為葉輪旋轉(zhuǎn)周期的1/90。計(jì)算中先對混流泵進(jìn)行三維定常湍流計(jì)算，將定常計(jì)算收斂后的結(jié)果作為非定常計(jì)算的初始值。

為了檢測高速旋轉(zhuǎn)的葉輪處壓力脈動，在葉輪進(jìn)口截面處設(shè)置P11～P14共4個監(jiān)測點(diǎn)，在出口截面處設(shè)置P21～P24共4個監(jiān)測點(diǎn)，如圖2所示。

圖2　監(jiān)測點(diǎn)分布圖

2　模擬結(jié)果及分析

2.1葉輪進(jìn)口附近及出口附近靜壓分布圖

為了研究混流泵內(nèi)葉輪處壓力脈動情況，采用LES方法對混流泵全三維流道做了非定常模擬，取葉片的靜壓分布圖及速度分布圖，如圖3所示。由圖3(a)可以看出，葉片進(jìn)口工作面存在低壓區(qū)，此位置易發(fā)生汽蝕，靜壓沿葉高方向逐漸增大，壓力分布比較均勻，沿圓周方向呈現(xiàn)周期性分布，這主要是由于旋轉(zhuǎn)葉片對流體做功的原因。由圖3(b)可以看出在葉片進(jìn)口處速度較大，沿葉高方向，速度呈流線分布，無明顯的二次流、脫流等現(xiàn)象。

(a)葉輪工作面靜壓圖

(b)葉場圖3　葉輪工作面靜壓及速度分布圖

為了形象、直觀地表征混流泵各監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動值，消除靜壓的影響，本文引用量綱一的壓力系數(shù)cp，其表達(dá)式[10]如下：

(3)

在設(shè)計(jì)工況下，采用大渦模擬方法對混流泵過流通道進(jìn)行全三維非定常模擬，對8個監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行壓力脈動時域特性分析。

圖4為葉輪進(jìn)、出口處一個周期內(nèi)的壓力脈動時域圖，圖4(a)為最優(yōu)工況下葉輪進(jìn)口處沿徑向不同檢測點(diǎn)P11、P12、P13、P14處非定常壓力脈動時域波形圖，圖4(b)為最優(yōu)工況下葉輪出口沿徑向不同檢測點(diǎn)P21、P22、P23、P24處非定常壓力脈動時域波形圖。由圖4(a)可以看出：葉輪進(jìn)口處沿徑向不同檢測點(diǎn)P11、P12、P13、P14在一個周期內(nèi)壓力脈動基本一致，均呈現(xiàn)有規(guī)律的正弦曲線，且均有4個波峰和4個波谷，這主要是由于4枚葉片周期性旋轉(zhuǎn)掠過造成流體質(zhì)點(diǎn)波動。P13、P14處壓力脈動系數(shù)較P11、P12處大，這主要是由于P11、P12點(diǎn)處于層流和紊流區(qū)域，流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動較為規(guī)律，而P13、P14處于紊流和湍流區(qū)域，流體質(zhì)點(diǎn)流動狀態(tài)較為復(fù)雜。由圖4(b)可以看出最優(yōu)工況下葉輪出口沿徑向不同檢測點(diǎn)P21、P22、P23、P24壓力脈動基本一致，均有4個大波峰和4個波谷，相比較葉輪進(jìn)口處而言，葉輪出口處壓力脈動較為復(fù)雜。這主要是由于旋轉(zhuǎn)葉輪旋轉(zhuǎn)失速、脫流效應(yīng)及靜止導(dǎo)葉的干涉作用。將圖4(a)、(b)比較可以發(fā)現(xiàn)出口處壓力脈動系數(shù)幅值均大于進(jìn)口處脈動系數(shù)的幅值，因此可以認(rèn)為葉輪出口附近區(qū)域內(nèi)的流動更為復(fù)雜。

(b)葉輪出口時域圖圖4　葉輪進(jìn)、出口時域圖

2.3壓力脈動頻域特性分析

根據(jù)各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動系數(shù)，采用快速傅里葉變換(FFT)，對8個監(jiān)測點(diǎn)處進(jìn)行壓力脈動頻譜分析，如圖5所示：圖5(a)為最優(yōu)工況下葉輪進(jìn)口處沿徑向不同檢測點(diǎn)P11、P12、P13、P14處非定常壓力脈動頻域圖；圖5(b)為最優(yōu)工況下葉輪出口沿徑向不同檢測點(diǎn)P21、P22、P23、P24處非定常壓力脈動頻域圖。由圖5(a)、(b)可以看出，壓力脈動的最大幅值均位于4倍轉(zhuǎn)頻處，同時由于葉片數(shù)為4，可發(fā)現(xiàn)壓力脈動主要頻率為葉頻的倍數(shù)。將圖5(a)、(b)比較可以發(fā)現(xiàn)，壓力脈動幅值最大點(diǎn)位于葉輪出口圖上，且出口處壓力脈動比進(jìn)口處復(fù)雜，脈動波衰減慢，這與高速旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)葉與靜止葉輪之間的動靜干涉造成過度流道內(nèi)流動較葉輪入口處復(fù)雜的實(shí)際情況相符。

(a)葉輪進(jìn)口頻域

(b)葉輪出口頻域圖5　葉輪進(jìn)、出口頻域圖

2.4泵外特性試驗(yàn)

不同流量下混流泵外特性計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比對分析算如圖6所示?？梢钥闯觯涸?.7Q～1.2Q之間，混流泵性能預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值趨勢基本一致，由此可以認(rèn)為，大渦模擬可以較準(zhǔn)確地預(yù)測最優(yōu)工況及其附近工況的壓力脈動結(jié)果的正確性。

圖6　泵性能曲線計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對比圖

3　結(jié)論

本文以比轉(zhuǎn)速為503的導(dǎo)葉式混流泵為研究對象，基于大渦模擬方法(LES)對該混流泵整個過流通道進(jìn)行了非定常模擬計(jì)算，在葉輪進(jìn)口截面處及葉輪出口截面處設(shè)置了8個壓力脈動檢測點(diǎn)，得出以下混流泵內(nèi)葉輪進(jìn)、出口處壓力脈動特性。

1)由于旋轉(zhuǎn)葉輪旋轉(zhuǎn)失速、脫流效應(yīng)及靜止導(dǎo)葉的干涉作用，葉輪出口處壓力脈動系數(shù)幅值均大于進(jìn)口處脈動系數(shù)的幅值，混流泵葉輪內(nèi)的最大壓力脈動發(fā)生在葉輪出口處，且脈動波衰減較慢。

2)葉輪進(jìn)、出口截面上監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動以葉輪葉頻為主頻次，且壓力脈動主要頻率為葉頻的倍數(shù)。

[1]丁成偉.離心泵與軸流泵原理及水力設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981：6.

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[11]關(guān)醒凡.軸流泵和斜流泵[M].北京：中國宇航出版社，2008:64.

(編校：夏書林)

Analysis of Pressure Fluctuations in Impeller of Guide Vane Mixed-flow Pump Based on Large Eddy Simulation

DU Yuanying1, GAO Qiang2SHANG Changchun1, HAO Yuyu1, ZHAO Tianpeng1, WANG Xiaolu1

(1.EngineeringTrainingCenter,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054China;2.ShanghaiPowerEquipmentManufactureCO.,LTD,Shanghai201316China.)

In order to investigate the phenomenon of pressure fluctuations caused by unsteady flow in impeller of guide vane mixed-flow pump, 8 pressure fluctuation test points were set on impeller inlet-plane and impeller outlet-plane respectively. LES was adopted to calculate the whole flow field which includes inlet pipe, impeller, guide vane and outlet pipe, and analyze the pressure fluctuation time domain graph and spectrum graph of 8 pressure fluctuation test points. The results shows thatdue to the stall andseparate flow of rotating impeller and interaction with static guide vane, the pressure fluctuation coefficient amplitude at outlet of impeller are greater than that at inlet of impeller, and the maximum amplitude pressure fluctuation occurs at outlet of impeller, and the impulse wave decays slowly. The main frequency of pressure fluctuations at impeller inlet-plane and outlet-plane is blade frequency and blade frequency is a multiple of impeller frequency.

mixed-flow pump; impeller; pressure fluctuation; LES; time domain graph; spectrum graph

2015-07-16

西安科技大學(xué)培育基金(201632)

杜媛英(1988—)，女，在讀博士，工程師,主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械的設(shè)計(jì)與水潤滑橡膠軸承潤滑研究。

TH313

A

1673-159X(2016)04-0075-4

10.3969/j.issn.1673-159X.2016.04.016