混流泵內(nèi)流場(chǎng)壓力脈動(dòng)特性研究
基于RANS方程和SST湍流模型，應(yīng)用SIMPLEC算法，對(duì)混流泵內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行非定常數(shù)值模擬，分析了不同流量工況和不同轉(zhuǎn)速工況時(shí)混流泵內(nèi)4個(gè)代表性監(jiān)測(cè)面上壓力脈動(dòng)的時(shí)域和頻域特性。取非定常計(jì)算的功率平均值與試驗(yàn)值對(duì)比，證明該數(shù)值模型可較準(zhǔn)確描述泵內(nèi)流場(chǎng)特征。結(jié)果表明:混流泵內(nèi)最大壓力脈動(dòng)在葉輪進(jìn)口，從輪轂到輪緣脈動(dòng)幅值遞增；在葉輪進(jìn)口和葉輪出口壓力脈動(dòng)頻率主要為葉輪葉頻，而導(dǎo)葉中間和導(dǎo)葉出口壓力脈動(dòng)頻率與流量工況相關(guān)；偏離最優(yōu)工況越遠(yuǎn)脈動(dòng)越大，偏小流量對(duì)葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)影響明顯；不同轉(zhuǎn)速時(shí)最優(yōu)工況壓力脈動(dòng)頻率成分相似，脈動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速增加而增加。
混流泵在農(nóng)田灌溉、防澇排洪、城市供水等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。由于轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪與靜止導(dǎo)葉之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、葉片導(dǎo)邊的水流沖擊、葉片隨邊的脫流、局部空化等都會(huì)引起混流泵內(nèi)出現(xiàn)壓力脈動(dòng)，其主要危害是使機(jī)組振動(dòng)加劇和噪聲增大。為了改善混流泵運(yùn)行的穩(wěn)定性和安靜性，很有必要對(duì)混流泵內(nèi)流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行深入研究。
泵內(nèi)流場(chǎng)壓力脈動(dòng)的試驗(yàn)研究具有測(cè)量困難、周期長(zhǎng)、成本高等不利因素，壓力脈動(dòng)特性的相似理論尚未完善使得模型試驗(yàn)結(jié)果往往不能對(duì)實(shí)尺裝置有效指導(dǎo)。真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)的專家采用數(shù)值計(jì)算手段對(duì)離心泵、軸流泵的非定常流場(chǎng)開展了一定研究，而對(duì)混流泵壓力脈動(dòng)的研究則相對(duì)較少。
本文對(duì)混流泵內(nèi)三維非定常湍流進(jìn)行數(shù)值模擬，以揭示混流泵內(nèi)流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)規(guī)律，為混流泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和噪聲控制提供參考。
1、計(jì)算對(duì)象和監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取
研究對(duì)象為比轉(zhuǎn)數(shù)ns=445的混流泵，其主要參數(shù)為:葉輪葉片數(shù)z=6，導(dǎo)葉葉片數(shù)z1=11，設(shè)計(jì)流量系數(shù)KQ=Q/(n0D3)=0.93，揚(yáng)程系數(shù)KH=H/(n20D2)=0.35，Q為流量，n0為轉(zhuǎn)速，D為混流泵標(biāo)稱直徑，H為揚(yáng)程。在葉輪進(jìn)口、葉輪出口、導(dǎo)葉中間和導(dǎo)葉出口4個(gè)截面上各設(shè)置了5個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沿徑向均勻布置，如圖1所示。
圖1 壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置
結(jié)論
(1)混流泵葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)最大，這是影響機(jī)組穩(wěn)定和安靜運(yùn)行的關(guān)鍵。葉輪進(jìn)口和葉輪出口壓力脈動(dòng)幅值從輪轂到輪緣遞增，優(yōu)化葉輪輪緣是改善壓力脈動(dòng)的有效手段。
(2)混流泵葉輪進(jìn)口和葉輪出口壓力脈動(dòng)主要頻率為葉輪葉頻；在最優(yōu)工況和小流量工況，導(dǎo)葉中間和導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)以低頻為主，而大流量工況依然是葉輪葉頻占主導(dǎo)。為防止機(jī)組共振，應(yīng)避免結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)與壓力脈動(dòng)頻率接近或成整數(shù)倍。
(3)運(yùn)行偏離最優(yōu)工況時(shí)混流泵內(nèi)流場(chǎng)壓力脈動(dòng)增大，偏小流量對(duì)葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)影響明顯。不同轉(zhuǎn)速時(shí)的最優(yōu)工況混流泵內(nèi)壓力脈動(dòng)成分相似，壓力脈動(dòng)隨轉(zhuǎn)速增大而增大。
