基于分離渦模擬的核主泵水力性能非定常特性分析

王秀勇, 杜永峰, 汪東山, 呂 雪, 黎義斌

(1. 蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050; 2. 蘭州理工大學(xué) 甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050)

核主泵的組成結(jié)構(gòu)都是非常類似的,都是由葉輪、導(dǎo)葉、壓水室這三個(gè)主要過(guò)流部件構(gòu)成.由于受到葉輪與導(dǎo)葉之間的動(dòng)靜干涉作用,所以核主泵內(nèi)流場(chǎng)具有較為強(qiáng)烈的非定常特性.流場(chǎng)中存在大量強(qiáng)度與尺度不同的旋渦結(jié)構(gòu),這些渦流結(jié)構(gòu)的非定常變化會(huì)對(duì)機(jī)組的振動(dòng)產(chǎn)生一定影響.因此,探究核主泵內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理,研究其水力性能的非定常變化特征,并結(jié)合內(nèi)部流場(chǎng)中渦核分布的瞬時(shí)變化規(guī)律進(jìn)行共同分析,是十分必要的.

長(zhǎng)期以來(lái),關(guān)于泵的減振降噪研究一直是眾多研究人員所關(guān)注的重點(diǎn).從目前研究來(lái)看,葉輪與壓水室之間周期性的干涉、不穩(wěn)定的入流條件等均會(huì)引起泵內(nèi)壓力隨時(shí)間的非定常變化,即壓力脈動(dòng).壓力脈動(dòng)的非定常變化對(duì)機(jī)組的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定影響[1-6].同時(shí),泵在不同流量工況、輸送兩相介質(zhì)時(shí),由于動(dòng)靜干涉影響其內(nèi)部旋渦運(yùn)動(dòng)具有明顯的非定常特性,所以瞬時(shí)變化的旋渦結(jié)構(gòu)對(duì)泵的性能會(huì)造成一定影響[7-11].目前國(guó)內(nèi)外研究人員將關(guān)注點(diǎn)多集中在壓力脈動(dòng)、旋渦運(yùn)動(dòng)等非定常變化的方面,而很少著眼于探究泵的瞬時(shí)水力性能的非定常變化過(guò)程.

本文基于DDES湍流模型,對(duì)核主泵在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)其水力性能的非定常變化特性進(jìn)行探究,并采用Q準(zhǔn)則對(duì)泵內(nèi)流場(chǎng)中的旋渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別,探究?jī)?nèi)流場(chǎng)中旋渦結(jié)構(gòu)的發(fā)展演化過(guò)程對(duì)水力性能的影響.通過(guò)以上探究,以期為核主泵的進(jìn)一步優(yōu)化研究提供有價(jià)值的參考.

1 計(jì)算模型及數(shù)值計(jì)算過(guò)程

1.1 幾何模型

本文以快堆二回路鈉泵原型樣機(jī)為研究對(duì)象.其設(shè)計(jì)工況點(diǎn)流量Qd=630 m3/h,揚(yáng)程H=35 m,轉(zhuǎn)速n=990 r/min,比轉(zhuǎn)速ns=105；葉輪葉片數(shù)為6枚,導(dǎo)葉葉片數(shù)為10枚.其計(jì)算域包含進(jìn)水段、葉輪、導(dǎo)葉、球形壓水室、口環(huán)及葉輪前后腔.計(jì)算域模型如圖1所示.

圖1 計(jì)算域模型Fig.1 Computational domain model

1.2 網(wǎng)格劃分

利用ICEM軟件對(duì)各過(guò)流區(qū)域進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分.其中在進(jìn)行壁面法線方向上的邊界層網(wǎng)格劃分時(shí),給定第一層網(wǎng)格高度為0.05 mm,網(wǎng)格增長(zhǎng)率設(shè)置為1.2,并設(shè)定邊界層網(wǎng)格總層數(shù)為10層.為減小因網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響,以揚(yáng)程計(jì)算結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證.當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)量在970萬(wàn)左右時(shí),計(jì)算出的揚(yáng)程值基本保持不變,由此確定出該計(jì)算模型的網(wǎng)格總數(shù)量為970萬(wàn),計(jì)算域網(wǎng)格如圖2所示.由于不同的湍流模型對(duì)近壁面網(wǎng)格尺寸要求不同,所以通常用無(wú)量綱壁面函數(shù)y+來(lái)表示,統(tǒng)計(jì)該泵全部過(guò)流部件近壁面y+值的分布范圍,結(jié)果如圖3所示.可以看出,y+值主要分布在5～20之間,基本滿足DDES湍流模型對(duì)y+值的要求.

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格Fig.2 Mesh in computational domain

圖3 壁面y+值分布圖Fig.3 Distribution of wall y+ values

1.3 邊界條件及定常與非定常計(jì)算設(shè)置

采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散.壓力與速度的耦合采用SIMPLEC算法,入口給定速度邊界條件,出口給定自由出流邊界條件,壁面采用無(wú)滑移壁面邊界條件,靜止域與旋轉(zhuǎn)域之間的數(shù)據(jù)傳遞采用交界面邊界條件.將RNGk-ε湍流模型的定常計(jì)算結(jié)果作為DDES湍流模型的初始流場(chǎng)并進(jìn)行非定常計(jì)算.將葉輪旋轉(zhuǎn)2°所需要的時(shí)間設(shè)置為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng),其值為0.000 336 7 s.當(dāng)模型泵進(jìn)出口總壓呈現(xiàn)出周期性波動(dòng)時(shí),認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂,進(jìn)行下一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)數(shù)據(jù)的時(shí)均化處理.

2 性能預(yù)測(cè)與外特性實(shí)驗(yàn)對(duì)比

該模型外特性預(yù)測(cè)曲線與實(shí)驗(yàn)曲線的對(duì)比圖如圖4所示.圖中K1表示其相對(duì)流量,K1=Q/Qd.其中，Q為泵運(yùn)行實(shí)際工況,m3/h；Qd為泵設(shè)計(jì)工況,m3/h.根據(jù)對(duì)比圖,并考慮到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在一定的誤差,總體認(rèn)為揚(yáng)程、軸功率及效率的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合程度較好,尤其對(duì)于設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的預(yù)測(cè)效果更佳.因此,通過(guò)DDES湍流模型在設(shè)計(jì)工況下可以模擬出與真實(shí)內(nèi)流場(chǎng)近乎一致的結(jié)果,對(duì)設(shè)計(jì)工況下一個(gè)周期內(nèi)的模擬結(jié)果進(jìn)行分析,可以探究核主泵水力性能的非定常變化特征.

圖4 實(shí)驗(yàn)與模擬值的對(duì)比Fig.4 Comparison of experimental and simulated values

3 結(jié)果分析

3.1 渦結(jié)構(gòu)提取方法

目前已有多位學(xué)者提出了多種識(shí)別渦結(jié)構(gòu)的方法,Q準(zhǔn)則在泵內(nèi)渦識(shí)別方面應(yīng)用較為廣泛,表明其具有較好的適用性[12-15].因此,本文采用Q準(zhǔn)則對(duì)泵內(nèi)旋渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀地顯示,以此來(lái)分析一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)旋渦結(jié)構(gòu)的非定常演化過(guò)程.

根據(jù)Q準(zhǔn)則的原理,速度梯度張量▽u的特征值應(yīng)滿足以下特征方程：

λ3+Pλ2+Qλ+R=0

(1)

在不可壓縮流體流動(dòng)中,有

式中:λ為式(1)的特征值;S為變形率張量;Ω為渦張量;P、Q、R分別為速度梯度的第一、第二、第三不變量,其值與坐標(biāo)系無(wú)關(guān)；Sij=(?μi/?χj+?μj/?χi)/2；Ωij=(?μi/?χj-?μj/?χi)/2.

Q方法的提出者認(rèn)為渦管在Q>0的區(qū)域內(nèi).從式(3)可以看出,第一項(xiàng)表示流體微元旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的大小,第二項(xiàng)表示流體微元變形強(qiáng)度的大小.Q方法表示以旋渦為主導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的流體微元處于渦管中,Q值的大小表示旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的大小,Q值為正且較大時(shí),表示流體微元旋轉(zhuǎn)率大于形變率,流體微元處于渦管的中心處.

3.2 一個(gè)周期內(nèi)泵外特性及過(guò)流部件損失分析

將葉輪旋轉(zhuǎn)2°所用的時(shí)間作為其時(shí)間步長(zhǎng).非定常計(jì)算時(shí),由于葉輪與導(dǎo)葉在不同時(shí)刻具有不同的相對(duì)位置,瞬時(shí)壓力值也在發(fā)生變化,所以需要記錄葉輪每旋轉(zhuǎn)2°時(shí)的一個(gè)瞬時(shí)壓力值.記錄葉輪在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的瞬時(shí)數(shù)據(jù)后,進(jìn)行計(jì)算得到其瞬時(shí)外特性值,外特性非定常變化過(guò)程如圖5所示.圖中T1表示相對(duì)時(shí)間,T1=T′/T.其中,T′表示葉輪旋轉(zhuǎn)60°所用的時(shí)間,s；T表示葉輪旋轉(zhuǎn)360°所用的時(shí)間,s.

圖5 數(shù)值模擬結(jié)果隨時(shí)間變化曲線

從圖5a可以看出,在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),揚(yáng)程沒有呈現(xiàn)出明顯的周期性,其瞬時(shí)變化過(guò)程比較明顯.在初始階段,瞬時(shí)揚(yáng)程值總體來(lái)說(shuō)大于平均值；隨著葉輪旋轉(zhuǎn)的進(jìn)行,瞬時(shí)揚(yáng)程值逐漸處于平均值上下,但其變化的脈動(dòng)幅值均勻性較差,說(shuō)明核主泵出口壓力變化波動(dòng)不穩(wěn)定,存在脈動(dòng)效應(yīng).從泵的軸功率變化過(guò)程來(lái)看,其周期性變化效果明顯優(yōu)于揚(yáng)程的變化效果,說(shuō)明在動(dòng)靜干涉作用下,葉輪對(duì)液流瞬時(shí)做功也具有一定的周期性.對(duì)于泵效率而言,在一個(gè)周期內(nèi)總體來(lái)看具有周期性,其脈動(dòng)幅值變化較大.

從圖5b和圖5c可以看出,葉輪揚(yáng)程與導(dǎo)葉損失值在一個(gè)周期內(nèi)總體上具有周期性,而壓水室損失在一個(gè)周期內(nèi)隨機(jī)變化程度較大.在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的前1/3階段內(nèi),壓水室損失值低于平均值；中間1/3階段,損失值接近于平均值,在平均值上下進(jìn)行波動(dòng)；在后1/3階段,損失值高于平均值.

從圖5b還可以看出,以揚(yáng)程平均值作為基準(zhǔn)線,在一個(gè)周期內(nèi),瞬時(shí)揚(yáng)程曲線出現(xiàn)30個(gè)波峰與30個(gè)波谷,在1/6周期內(nèi),瞬時(shí)揚(yáng)程曲線出現(xiàn)5個(gè)波峰與5個(gè)波谷.這是由于該泵葉輪葉片數(shù)為6枚,導(dǎo)葉葉片數(shù)為10枚,從結(jié)構(gòu)方面來(lái)看,兩者均為鏡像對(duì)稱結(jié)構(gòu),在旋轉(zhuǎn)180°的過(guò)程中,每枚葉片出口與導(dǎo)葉進(jìn)口發(fā)生5次干涉,3枚葉輪葉片共發(fā)生15次干涉,即每12°會(huì)發(fā)生一次干涉；所以在1/6周期內(nèi)(葉輪旋轉(zhuǎn)60°)會(huì)發(fā)生5次干涉,造成瞬時(shí)揚(yáng)程曲線出現(xiàn)5個(gè)波峰波谷，在一個(gè)周期內(nèi)會(huì)發(fā)生30次干涉,從而使瞬時(shí)揚(yáng)程曲線出現(xiàn)30個(gè)波峰波谷.對(duì)于該泵而言,揚(yáng)程值在波峰處說(shuō)明泵內(nèi)液流瞬時(shí)流態(tài)較好,葉輪與導(dǎo)葉間的相對(duì)位置有利于液流的流動(dòng)；在波谷處表明葉輪與導(dǎo)葉間的相對(duì)位置對(duì)液流的流動(dòng)產(chǎn)生了阻礙作用.

從圖5c還可以看出,導(dǎo)葉內(nèi)的損失明顯大于壓水室內(nèi)的損失.這主要是由于液流在葉輪作用下以較高的速度進(jìn)入導(dǎo)葉流道內(nèi),造成了較大的沖擊損失,然后液流在導(dǎo)葉流道內(nèi)降速增壓后進(jìn)入壓水室,液流速度相對(duì)較低,造成的沖擊損失也相對(duì)較小.導(dǎo)葉內(nèi)水力損失呈現(xiàn)出明顯的周期性,說(shuō)明葉輪與導(dǎo)葉間的動(dòng)靜干涉作用影響較大,而壓水室與靜止導(dǎo)葉相連接,受動(dòng)靜干涉作用影響較小,水力損失受特殊的壓水室形狀影響而隨機(jī)性較高.

再結(jié)合圖6和圖7可以看出,一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻導(dǎo)葉內(nèi)的渦核分布近似一致,而壓水室內(nèi)不同時(shí)刻渦核分布非常紊亂,沒有呈現(xiàn)出一定的周期性.因此,泵的瞬時(shí)揚(yáng)程整體上沒有呈現(xiàn)出明顯周期性的主要原因在于壓水室的損失隨機(jī)波動(dòng)沒有呈現(xiàn)出一定的周期性.壓水室損失值隨葉輪旋轉(zhuǎn)逐漸在增大,從圖7可以看出,旋渦隨旋轉(zhuǎn)逐漸在分裂,而分裂的過(guò)程中會(huì)造成液流能量的損失,從而使損失值增加.

圖6 動(dòng)靜葉柵內(nèi)旋渦結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程

圖7 壓水室內(nèi)旋渦結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程 Fig.7 The evolution process of vortex structure in pressurized water chamber

總體來(lái)看,外特性的周期性變化就是由于葉輪與導(dǎo)葉間的動(dòng)靜干涉作用引起的.葉輪與導(dǎo)葉流道對(duì)液流的束縛能力較強(qiáng),內(nèi)部旋渦運(yùn)動(dòng)具有周期性特征,導(dǎo)致葉輪揚(yáng)程與導(dǎo)葉損失呈現(xiàn)出一定的周期性.而半球形壓水室因特殊的球狀結(jié)構(gòu),其過(guò)流斷面對(duì)液流的束縛能力非常有限,同一截面處液流速度變化較大,旋渦運(yùn)動(dòng)沒有呈現(xiàn)出周期性特征,造成損失值也沒有一定的周期性.

3.3 內(nèi)流場(chǎng)分析

核主泵動(dòng)靜葉柵在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)不同時(shí)刻的旋渦分布如圖6所示,過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)截取葉輪回轉(zhuǎn)中心面.圖中選取某一葉片固體域部分用黑色標(biāo)示,可以更加直觀地顯示不同時(shí)刻葉片所處的位置.從圖6可以看出,葉輪及導(dǎo)葉流道內(nèi)分布著不同尺度的旋渦,葉輪內(nèi)以大尺度帶狀渦為主,導(dǎo)葉內(nèi)以小尺度帶狀渦為主.6個(gè)時(shí)刻葉輪與導(dǎo)葉流道內(nèi)旋渦的分布沒有明顯差別.同時(shí)結(jié)合圖5b可以看出,6個(gè)時(shí)刻葉輪揚(yáng)程值大小基本在平均值,說(shuō)明葉輪相互交替時(shí)對(duì)應(yīng)的內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)基本一致.

從圖6還可以看出,葉輪葉片背面出現(xiàn)一條附著帶狀渦,此帶狀渦穩(wěn)定存在,一直延伸至葉輪出口.在流道中間偏上位置出現(xiàn)另外一條尾跡帶狀渦,其寬度大于葉片背面的帶狀渦寬度,該渦會(huì)一直延伸至下一葉輪葉片處,在延伸到導(dǎo)葉入口處帶狀渦會(huì)變細(xì),此帶狀渦幾乎占據(jù)了整個(gè)葉輪流道出口的大部分區(qū)域,對(duì)葉輪出口液流的順暢流動(dòng)產(chǎn)生了較大影響.這主要是由于葉輪工作面與背面的壓力不同,葉輪工作面的壓力較高,背面壓力相對(duì)較低,促使液流向背面進(jìn)行運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)過(guò)程中液流層之間相互剪切,形成帶狀旋渦.液流在背面會(huì)形成較穩(wěn)定的帶狀渦,而在流道中部出現(xiàn)帶狀渦,說(shuō)明在流道中部葉輪工作面與背面的壓差會(huì)進(jìn)一步發(fā)生變化.導(dǎo)葉入口處渦寬度變細(xì),主要是葉輪出口處的高速液流會(huì)將其中一部分旋渦沖至導(dǎo)葉流道內(nèi),導(dǎo)致尾跡帶狀渦寬度變細(xì).

導(dǎo)葉流道內(nèi),在靠近導(dǎo)葉工作面出現(xiàn)一條帶狀渦,受液流沖擊作用渦核向前逐漸積聚.在導(dǎo)葉背面初始階段出現(xiàn)一條細(xì)長(zhǎng)的帶狀渦,中間位置形成兩個(gè)小尺度帶狀渦核,從形狀來(lái)看,渦核形成是由背面帶狀渦受液流沖擊向前逐漸積聚而成.

核主泵壓水室在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)不同時(shí)刻的旋渦分布如圖7所示，以葉輪回轉(zhuǎn)中心面向進(jìn)口方向平移300 mm截取平面.由圖7可以看出,不同時(shí)刻壓水室內(nèi)部旋渦結(jié)構(gòu)隨機(jī)分布,同圖5c壓水室損失所反映的結(jié)果一致,壓水室左側(cè)區(qū)域旋渦分布比右側(cè)區(qū)域廣泛,且強(qiáng)度大于右側(cè)區(qū)域.液流運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針,隨著旋轉(zhuǎn)的進(jìn)行,旋渦結(jié)構(gòu)在高壓液流沖擊下也呈現(xiàn)出逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的效果.在壓水室出口出現(xiàn)一些旋渦,這部分旋渦可能是由于壓水室出口擴(kuò)散段為環(huán)形結(jié)構(gòu)引起的,旋渦結(jié)構(gòu)的非定常變化會(huì)引起泵出口壓力的波動(dòng),造成瞬時(shí)揚(yáng)程出現(xiàn)波動(dòng).

3.4 1/6T周期內(nèi)葉輪外特性分析

葉輪旋轉(zhuǎn)60°過(guò)程中揚(yáng)程、軸功率、效率的瞬時(shí)變化過(guò)程如圖8所示.圖中T11表示葉輪旋轉(zhuǎn)60°過(guò)程中的相對(duì)時(shí)間,T11=t/T′.其中,t表示葉輪旋轉(zhuǎn)10°所用的時(shí)間,s；T′表示葉輪旋轉(zhuǎn)60°所用的時(shí)間,s.從圖8可以看出,揚(yáng)程總體上呈現(xiàn)出周期性,其波動(dòng)幅度相對(duì)較大,波峰處的寬度大于波谷處的寬度,波谷處的揚(yáng)程值基本一致,而波峰處的揚(yáng)程值具有隨機(jī)性,波峰波谷出現(xiàn)的個(gè)數(shù)與3.2節(jié)分析得一致.從軸功率曲線可以看出,其脈動(dòng)值變化幅度較小,在波峰波谷處的變化趨勢(shì)與揚(yáng)程曲線的變化趨勢(shì)一致.

圖8 1/6T周期內(nèi)數(shù)值模擬結(jié)果隨時(shí)間變化曲線Fig.8 The variation curve of numerical simulation results with time under 1/6T period

3.5 1/6T周期內(nèi)內(nèi)流場(chǎng)分析

葉輪每旋轉(zhuǎn)10°動(dòng)靜葉柵內(nèi)旋渦發(fā)展的演化過(guò)程如圖9所示.取葉輪每旋轉(zhuǎn)60°進(jìn)行渦結(jié)構(gòu)的分析，主要是為了觀察葉輪相互交替時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)的變化特征.因跨度較大,所以進(jìn)一步減小旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行分析可以觀察葉輪與導(dǎo)葉流道內(nèi)旋渦結(jié)構(gòu)更細(xì)致的演化過(guò)程.

從圖9可以看出,每旋轉(zhuǎn)10°葉輪內(nèi)的旋渦結(jié)構(gòu)與每旋轉(zhuǎn)60°葉輪內(nèi)旋渦結(jié)構(gòu)分布基本一致.1T/6周期內(nèi)葉輪共旋轉(zhuǎn)60°,即葉輪從A位置運(yùn)動(dòng)到B位置.在A位置,葉片出口與導(dǎo)葉入口相對(duì)應(yīng).在1T′/6時(shí)刻,導(dǎo)葉進(jìn)口處渦帶變細(xì),尾跡帶狀渦中小尺度渦出現(xiàn)脫落并進(jìn)入導(dǎo)葉流道內(nèi).這主要是葉輪出口高速液流沖擊渦帶,促使其向下游運(yùn)動(dòng)進(jìn)入導(dǎo)葉內(nèi).在該過(guò)程中,靠近導(dǎo)葉前緣處的渦核一部分進(jìn)入導(dǎo)葉流道內(nèi),一部分被沖擊至下一導(dǎo)葉流道內(nèi).在2T′/6時(shí)刻,導(dǎo)葉進(jìn)口處尾跡渦明顯出現(xiàn)斷裂,渦核沿逆時(shí)針方向在進(jìn)行融合.導(dǎo)葉入口處渦b的渦結(jié)構(gòu)變細(xì),流道中間處的渦c向進(jìn)口延伸,說(shuō)明受導(dǎo)葉入口液流沖擊作用,渦核出現(xiàn)破裂流向下游,與下游渦進(jìn)行融合.在3T′/6時(shí)刻,導(dǎo)葉內(nèi)渦b進(jìn)一步向前運(yùn)動(dòng),與下游帶狀渦c不斷逼近,而入口處的帶狀渦a前端變細(xì),后半段部分幾乎沒有變化.從2T′/6時(shí)刻到3T′/6時(shí)刻,在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中液流對(duì)帶狀渦a前半部分沖擊作用明顯,造成其前端變細(xì).在4T′/6時(shí)刻,導(dǎo)葉入口處帶狀渦b與下游渦c基本融合在一起,而帶狀渦a前端出現(xiàn)破裂,與導(dǎo)葉前端穩(wěn)定的附著渦融合,這兩條帶狀渦融合成一條帶狀渦.在5T′/6時(shí)刻,渦b與渦c已經(jīng)融合在一起,渦a破裂與背面穩(wěn)定附著渦進(jìn)一步相融.總體來(lái)看,旋渦結(jié)構(gòu)均會(huì)出現(xiàn)融合、分裂的演化過(guò)程.

圖9 1/6T周期內(nèi)動(dòng)靜葉柵內(nèi)旋渦結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程

從6個(gè)不同時(shí)刻看渦c,發(fā)現(xiàn)其僅在前端部分發(fā)生變化,其余部分基本無(wú)變化,與背面穩(wěn)定渦的變化趨勢(shì)一致.說(shuō)明在導(dǎo)葉流道前半部分受液流沖擊效果明顯,然后隨著減速擴(kuò)壓,其沖擊效果逐漸減弱.

從圖8可以看出,在0、1T′/6、2T′/6時(shí)刻葉輪瞬時(shí)揚(yáng)程值基本在極大值點(diǎn),在3T′/6時(shí)刻與平均值一致,在4T′/6、5T′/6時(shí)刻瞬時(shí)揚(yáng)程值基本在極小值點(diǎn).

從圖9還可以看出,因?yàn)闇ub由渦a演化而來(lái),渦c在整個(gè)周期內(nèi)變化趨勢(shì)不明顯,所以用渦a的演化過(guò)程來(lái)分析對(duì)瞬時(shí)揚(yáng)程的影響.在0時(shí)刻,渦a位于導(dǎo)葉進(jìn)口處,渦a未發(fā)生分裂,其瞬時(shí)揚(yáng)程較高；在1T′/6、2T′/6時(shí)刻渦a逐漸出現(xiàn)分裂,靠近導(dǎo)葉進(jìn)口處,其瞬時(shí)揚(yáng)程稍有下降；在3T′/6時(shí)刻渦a已經(jīng)基本在導(dǎo)葉進(jìn)口處,但渦a寬度較細(xì),其瞬時(shí)揚(yáng)程值基本與平均值一致；在4T′/6、5T′/6時(shí)刻瞬時(shí)揚(yáng)程較低,因渦a結(jié)構(gòu)寬度增大,所以對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)口的阻塞程度加劇,造成液流流動(dòng)受阻.由此可得,導(dǎo)葉進(jìn)口處不同時(shí)刻的渦結(jié)構(gòu)變化會(huì)造成不同程度的阻塞,進(jìn)而導(dǎo)致葉輪瞬態(tài)外特性存在脈動(dòng)效應(yīng),加劇泵的振動(dòng).

4 結(jié)論

通過(guò)以上計(jì)算與分析,可以得出以下結(jié)論：

1) 在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),由于葉輪與導(dǎo)葉間的動(dòng)靜干涉作用,核主泵瞬態(tài)外特性計(jì)算值總體上會(huì)呈現(xiàn)出一定的周期性,但其脈動(dòng)幅度的規(guī)律隨機(jī)波動(dòng).

2) 葉輪與導(dǎo)葉葉片背面形成的附著帶狀渦會(huì)穩(wěn)定存在,而在葉輪出口形成的尾跡帶狀渦在液流沖擊作用下會(huì)逐漸變細(xì),出現(xiàn)分裂等非定?，F(xiàn)象.同時(shí)受動(dòng)靜干涉影響,葉輪與導(dǎo)葉流道中的旋渦運(yùn)動(dòng)會(huì)呈現(xiàn)出周期性特性,而壓水室內(nèi)旋渦運(yùn)動(dòng)受特殊的球狀結(jié)構(gòu)影響沒有呈現(xiàn)出周期性特征,旋渦運(yùn)動(dòng)是發(fā)展、擴(kuò)散的變化過(guò)程,造成泵瞬時(shí)外特性出現(xiàn)波動(dòng)；

3) 導(dǎo)葉入口處不同時(shí)刻旋渦結(jié)構(gòu)的變化會(huì)對(duì)入口造成不同程度的阻塞,從而影響液流的順暢流動(dòng),導(dǎo)致葉輪瞬態(tài)外特性存在脈動(dòng)效應(yīng),加劇泵的振動(dòng).