自流工況下循環(huán)泵內(nèi)非定常流動(dòng)特性研究

李 忠，周春萍，李 猛，周俊杰，江啟峰

（1.江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西華大學(xué)），成都 610039）

0 引言

為滿足大流量冷卻水供給要求，現(xiàn)代艦船冷卻水系統(tǒng)中通常采用軸流式冷卻循環(huán)泵（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為循環(huán)泵）。當(dāng)艦船處于低航速狀況下，循環(huán)泵運(yùn)行于常規(guī)工況，但當(dāng)艦船航速滿足一定要求時(shí)，循環(huán)泵運(yùn)行于自流工況，即正向飛逸工況，此時(shí)泵的運(yùn)行特點(diǎn)為正流量、正轉(zhuǎn)、負(fù)揚(yáng)程［1］。循環(huán)泵在自流工況下處于低速?gòu)膭?dòng)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，必然產(chǎn)生有別于常規(guī)的內(nèi)流特征和壓力脈動(dòng)特性。對(duì)該特殊工況下泵內(nèi)非定常流動(dòng)特性的研究是揭示非常規(guī)工況下軸流泵內(nèi)流機(jī)理、提升艦船動(dòng)力系統(tǒng)安全性的重要前提。

鑒于自流工況較為特殊，目前相關(guān)的研究報(bào)道較少，而且主要集中于泵的自流性能和協(xié)配關(guān)系［2-4］，尚未見(jiàn)涉及自流工況下泵內(nèi)非定常流動(dòng)特性的研究成果。為獲得泵內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)的細(xì)節(jié)特征，國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍采用數(shù)值計(jì)算方法開(kāi)展此類(lèi)研究。馮俊等［5］利用S-A湍流模型對(duì)軸流泵進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了葉片上壓力分布與流量之間的關(guān)系，并分析了導(dǎo)葉存在對(duì)流道內(nèi)流態(tài)的影響。鄭源等［6-7］運(yùn)用SSTk-ω湍流模型計(jì)算分析了軸流泵設(shè)計(jì)工況以及失速工況下泵內(nèi)典型流動(dòng)結(jié)構(gòu)和壓力脈動(dòng)特性，揭示了失速工況下低頻壓力脈動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理。Li等［8］采用SSTk-ω湍流模型對(duì)軸流泵進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)分析葉輪區(qū)域中的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布，得到了速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)中的典型特征。Benra等［9-10］對(duì)運(yùn)行于不同工況下的軸流泵進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析了其內(nèi)部流場(chǎng)并將計(jì)算所得的葉輪葉片流線結(jié)果與Kosyna等的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算方法可較好捕捉軸流泵失速流動(dòng)區(qū)域中的流動(dòng)狀態(tài)。

本文對(duì)某型循環(huán)泵在額定流量常規(guī)工況和自流工況下的內(nèi)流進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和對(duì)比分析，以揭示自流工況下的主要內(nèi)流特征，初步獲取自流工況下導(dǎo)葉內(nèi)壓力脈動(dòng)和典型渦結(jié)構(gòu)演變特征，為循環(huán)泵裝備性能的提升提供了有益的借鑒。

1 循環(huán)泵計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

1.1 計(jì)算模型

本文研究對(duì)象為比轉(zhuǎn)速為472的某艦船用低比轉(zhuǎn)速軸流式模型泵，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型泵主要參數(shù)

采用Pro/E軟件對(duì)模型泵進(jìn)行三維建模，依據(jù)循環(huán)泵內(nèi)流特點(diǎn)，將計(jì)算域劃分為如圖1所示的進(jìn)口區(qū)、葉輪區(qū)、導(dǎo)葉區(qū)及出口彎管區(qū)。

圖1 計(jì)算模型示意

1.2 網(wǎng)格劃分

采用ICEM軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，圖2示出了整泵、葉輪和導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)葉輪及導(dǎo)葉的葉片近壁面采用O型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立邊界層并進(jìn)行加密處理，使得其y+值滿足大渦模擬的計(jì)算要求。以循環(huán)泵揚(yáng)程系數(shù)隨網(wǎng)格數(shù)增加是否趨于穩(wěn)定為依據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。綜合考慮計(jì)算準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性，最終確定的總網(wǎng)格數(shù)為6 288 162，其中：葉輪區(qū)網(wǎng)格數(shù)為2 908 070，導(dǎo)葉區(qū)網(wǎng)格數(shù)為2 103 200。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

2 計(jì)算方法

采用SSTκ-ω模型進(jìn)行常規(guī)工況和自流工況下內(nèi)流定常計(jì)算。進(jìn)口邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口，其值由泵運(yùn)行流量決定。出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，取為一個(gè)大氣壓。近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，固壁面設(shè)置為無(wú)滑移壁面。采用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)速度和壓力之間的耦合，對(duì)壓力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行離散，其它各項(xiàng)均采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，收斂殘差設(shè)置為0.000 01。

循環(huán)泵運(yùn)行于自流工況時(shí)，其葉輪合力矩為零，由此獲得了不同自流流量下的自流轉(zhuǎn)速，其計(jì)算值和試驗(yàn)測(cè)量值的對(duì)比如圖4所示。由圖可知，自流轉(zhuǎn)速隨著自流流量的增加呈線性遞增趨勢(shì)。在額定流量下（330 m3/h），自流轉(zhuǎn)速的計(jì)算值和試驗(yàn)測(cè)量值分別為857 r/min和822 r/min，計(jì)算值和測(cè)量值的誤差僅為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的2.41%，從性能角度驗(yàn)證了本文數(shù)值計(jì)算方法的有效性。

圖4 數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)量的自流轉(zhuǎn)速對(duì)比

以額定流量下定常計(jì)算結(jié)果作為非定常數(shù)值計(jì)算的初始值。鑒于大渦模擬方法較其它RNS方法具有更高的精確度［11］，因此研究中采用大渦模擬方法進(jìn)行非定常數(shù)值計(jì)算，其中：亞格子模型選用Smagorinsky-Lilly模型，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為葉輪旋轉(zhuǎn)1°所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，共計(jì)算20個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期并選取最后2個(gè)周期計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3 結(jié)果分析

3.1 流動(dòng)特征

為對(duì)比分析額定流量時(shí)常規(guī)工況和自流工況葉輪葉片表面流動(dòng)特征的差異，采用基于邊界渦量動(dòng)力學(xué)理論的邊界渦量流（BVF）流動(dòng)診斷和極限流線相結(jié)合的方法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，得到如圖5示出的葉片表面BVF和極限流線分布。由圖可知，在常規(guī)工況下葉片吸力面和壓力面上的流動(dòng)較為理想，未出現(xiàn)明顯的流動(dòng)分離現(xiàn)象。在自流工況下，葉片吸力面流態(tài)分布較好，但壓力面上出現(xiàn)典型的BVF正負(fù)峰值交替區(qū)，說(shuō)明此工況下葉片壓力面發(fā)生大尺度的流動(dòng)分離現(xiàn)象，分離區(qū)覆蓋從輪轂至輪緣的整個(gè)葉高范圍，葉片壓力面呈典型的斜流趨勢(shì)。

圖5 葉片表面BVF和極限流線分布

為了進(jìn)一步揭示2種工況下的內(nèi)流差異，圖6示出了0.5倍葉高截面處的流線分布。

圖6 0.5倍葉高處流線分布

由圖6（a）可知，在常規(guī)工況下，葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)的流線分布較光順，葉輪內(nèi)無(wú)流動(dòng)分離現(xiàn)象，導(dǎo)葉內(nèi)僅在尾緣區(qū)域發(fā)生較弱的流動(dòng)分離。在自流工況下，葉輪壓力面前緣發(fā)生流動(dòng)分離，導(dǎo)葉壓力面從前緣至尾緣均呈脫流狀態(tài)，產(chǎn)生的大尺度分離渦對(duì)導(dǎo)葉內(nèi)的主流產(chǎn)生嚴(yán)重影響，導(dǎo)葉尾緣后呈主流區(qū)、渦流區(qū)相互間隔的分布規(guī)律。整體而言，葉輪、導(dǎo)葉壓力面流動(dòng)分離是自流工況下循環(huán)泵的主要內(nèi)流特征，導(dǎo)葉流道及尾緣區(qū)域的大尺度渦流是誘發(fā)復(fù)雜低頻脈動(dòng)的主要誘因。

3.2 壓力脈動(dòng)特性

由以上分析可知，自流工況下不穩(wěn)定流動(dòng)分布區(qū)域主要集中于導(dǎo)葉區(qū)和導(dǎo)葉出口區(qū)，因此重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)葉流道內(nèi)和出口處的壓力脈動(dòng)特性。在導(dǎo)葉流道內(nèi)沿中間流線均布3個(gè)壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在導(dǎo)葉出口處沿周向均布6個(gè)壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)，具體位置如圖7所示。

圖7 壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

將壓力脈動(dòng)幅值進(jìn)行無(wú)量綱化，采用壓力脈動(dòng)系數(shù)cp進(jìn)行表征，其表達(dá)式如下所示：

式中p——測(cè)點(diǎn)壓力瞬時(shí)值，Pa；

——測(cè)點(diǎn)壓力平均值，Pa；

ρ——密度，kg/m3；

u2——葉輪出口圓周速度，m/s。

采用快速傅里葉變換（FFT）將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，并通過(guò)漢寧窗來(lái)減小能量的泄漏［12］。

圖8示出了常規(guī)工況和自流工況下導(dǎo)葉流道內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)頻譜，其中：常規(guī)工況葉頻fBPF對(duì)應(yīng)為120.83 Hz，自流工況葉頻fBPF對(duì)應(yīng)為68.5 Hz。由圖可知，常規(guī)工況下不同測(cè)點(diǎn)處壓力脈動(dòng)頻譜分布基本一致，特征頻率為葉頻且其幅值較小，說(shuō)明常規(guī)工況下導(dǎo)葉內(nèi)流動(dòng)穩(wěn)定性受葉輪出流影響較小。在自流工況下，導(dǎo)葉內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)特征頻率為葉頻及其二次諧波且葉頻信號(hào)占主導(dǎo)，葉頻處壓力脈動(dòng)系數(shù)分別為常規(guī)工況對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)處值的11.9倍、34.4倍及46.8倍。自流工況下導(dǎo)葉內(nèi)非穩(wěn)定流動(dòng)誘發(fā)的激勵(lì)主要產(chǎn)生于導(dǎo)葉流道的中后段，其穩(wěn)定性由葉輪出流引起的非理想導(dǎo)葉入流所主導(dǎo)。

圖8 導(dǎo)葉流道內(nèi)壓力脈動(dòng)頻譜

圖9示出了導(dǎo)葉出口監(jiān)測(cè)面上測(cè)點(diǎn)E3處的壓力脈動(dòng)信號(hào)對(duì)比。由圖可知，常規(guī)工況下壓力脈動(dòng)的主要特征頻率為葉頻及其二次諧波，自流工況下主要特征頻率為葉頻，葉頻處壓力脈動(dòng)系數(shù)為常規(guī)工況的8.3倍。同時(shí)，自流工況下在0～fBPF范圍內(nèi)出現(xiàn)異常復(fù)雜的寬頻激勵(lì)信號(hào)，說(shuō)明導(dǎo)葉出口處存在多尺度的復(fù)雜渦流結(jié)構(gòu)。

圖9 導(dǎo)葉出口截面上E3測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻譜

為分析自流工況下壓力脈動(dòng)信號(hào)中葉頻產(chǎn)生的原因，采用Q準(zhǔn)則對(duì)0.5倍導(dǎo)葉葉高處的瞬態(tài)渦流結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別，如圖10所示，t1～t5對(duì)應(yīng)為1/5個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期。由圖可知，t1時(shí)刻在導(dǎo)葉壓力面前緣產(chǎn)生一正向旋渦結(jié)構(gòu)，隨后該渦團(tuán)隨主流向下游遷移。在遷移過(guò)程中，渦團(tuán)受主流作用不斷變形和分裂，共同導(dǎo)致了導(dǎo)葉流道內(nèi)異常復(fù)雜的渦流結(jié)構(gòu)。整個(gè)演化周期對(duì)應(yīng)為1/5個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期，其演化頻率對(duì)應(yīng)為葉頻，由此可知導(dǎo)葉前緣產(chǎn)生的分離渦是破壞導(dǎo)葉內(nèi)流穩(wěn)定性的主要誘因。

圖10 導(dǎo)葉內(nèi)0.5倍葉高處瞬態(tài)渦結(jié)構(gòu)演化云圖

4 結(jié)論

（1）自流工況下葉輪轉(zhuǎn)速隨自流流量的增加呈線性遞增趨勢(shì)，其主要內(nèi)流特征為葉輪、導(dǎo)葉壓力面流動(dòng)分離，導(dǎo)葉流道及尾緣區(qū)域的大尺度渦流是誘發(fā)復(fù)雜低頻脈動(dòng)的根源。

（2）常規(guī)工況下導(dǎo)葉內(nèi)流動(dòng)穩(wěn)定性受葉輪出流影響較小，自流工況下導(dǎo)葉內(nèi)非穩(wěn)定流動(dòng)主要由葉輪出流所主導(dǎo)，其誘發(fā)的激勵(lì)主要產(chǎn)生于導(dǎo)葉流道的中后段。

（3）自流工況下壓力脈動(dòng)的特征頻率為葉頻且其幅值遠(yuǎn)大于常規(guī)工況，導(dǎo)葉前緣產(chǎn)生的分離渦是破壞導(dǎo)葉內(nèi)流穩(wěn)定性的主要誘因。

（4）在額定流量下，自流模式不利于艦船的減振降噪，其0～fBPF范圍內(nèi)寬頻激勵(lì)對(duì)應(yīng)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)尚待進(jìn)一步解析。