低比转数混流泵压力脉动特性的数值模拟

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州理工大学能源与动力工程学院 作者:黎义斌

  为了研究动静干涉对混流泵内部流动非定常压力脉动特性的影响,在混流泵进口截面、动静耦合面以及出口截面取若干压力脉动监测点,采用RNG k - ε 湍流模型和滑移网格技术,对混流泵全流场进行三维非定常湍流计算. 计算了叶轮进口截面、动静耦合面以及出口截面的压力脉动,利用快速傅里叶变换进行分析,得到了不同特征截面的压力脉动的频率和幅值,并进行外特性试验验证。

  结果表明: 从轮毂到轮缘,压力脉动最大幅值发生在叶轮出口轮缘侧,而压力脉动最小幅值出现在叶片进口轮毂侧,叶轮进口和叶轮导间轮缘处监测点的幅值约为轮毂处监测点幅值的2 倍; 从叶轮进口到导叶出口位置,压力脉动呈现出逐渐增强的趋势. 压力脉动最大值发生在导叶出口监测点,且存在一个低频压力脉动; 在60% ~ 85%设计流量工况范围内,扬程-流量特性曲线出现正斜率不稳定特性,数值计算与试验结果存在一定差异。

  混流泵的比转数ns通常处于300 ~ 600 范围,具有闭式叶轮、半开式叶轮以及可调叶片和不可调叶片等多种结构型式,是一种结构和性能介于离心泵和轴流泵之间的泵型,其应用范围已逐渐向传统的离心泵和轴流泵领域拓展. 由于混流泵具有结构紧凑、易启动以及效率高等突出优点,使其在海水淡化装置、电厂水循环、喷水推进系统和核电站冷却剂循环系统等具有广泛的应用前景. 王福军等采用大涡模拟亚格子湍流模型,研究了轴流泵内非定常不稳定流动特性. 施卫东等采用雷诺时均动量方程研究了高比转数斜流泵和轴流泵内非定常压力脉动特性. Kato 等基于大涡模拟亚格子湍流模式研究了非设计工况下混流泵内不稳定流动特性. 邴浩等在理论分析的基础上,对速度矩分布规律进行参数化表述,并总结归纳出叶轮设计过程中速度矩分布参数选择的规律. Miyabe 等通过提取压力脉动测试信号,揭示了小流量工况下混流泵的不稳定运行特性是由于沿叶轮入口到导叶出口的大尺度回流现象; 常书平等认为在叶轮进口与出口处,压力脉动主要受叶轮叶频控制,从轮毂到轮缘脉动幅值逐渐增大,喷水推进器内最大压力脉动发生在叶轮进口。

  混流泵内非定常压力脉动是引起机组振动及噪声的主要原因之一. 近年来,随着混流泵机组的应用越来越广泛,混流泵水力激振等影响机组稳定运行的问题越来越突出,采用CFD 技术对混流泵内压力脉动特性进行研究是有效的方法之一。目前国内外研究多结合CFD 数值模拟、流动测试技术与压力脉动特征信号提取等研究混流泵内非定常湍流压力脉动特性.文中应用RNG k - ε 湍流模型对混流泵进行全流道三维非定常湍流计算,并将外特性性能预估结果与试验结果对比以验证数值方法的可靠性,在此基础分析不同特征截面的压力脉动特性。

  1、非定常数值计算方法

  1. 1、非定常湍流计算方法

  对混流泵进行三维非定常湍流数值模拟,计算中在叶轮与静止部件间形成网格滑移面,模拟进口管和叶轮、叶轮和导叶之间的两级动静干涉,以获得混流泵叶轮及导叶非定常流动特征. 非定常计算采用二阶隐式时间推进法,湍流模型采用RNG k - ε湍流模型,壁面采用标准壁面函数进行处理. 混流泵内不可压缩流体的三维非定常湍流控制方程采用雷诺时均动量方程表示,即

采用雷诺时均动量方程表示,即

  结论

  基于雷诺时均方程和RNG k - ε 湍流模型对设计工况下低比转数混流泵进行了非定常数值模拟,将非定常性能预测结果与试验结果进行了对比,并在此基础上对比了混流泵内非定常压力脉动特性,得到结论如下:

  1) 基于雷诺时均方程和滑移网格技术,不能准确预估小流量工况下混流泵的H - Q 正斜率不稳定特性,但可以准确预估额定工况和大流量工况下的H - Q 特性曲线。

  2) 沿叶轮的轮毂到轮缘,混流泵压力脉动的幅值呈逐渐增大的趋势,压力脉动最大幅值出现在叶轮出口轮缘侧,而压力脉动最小幅值位于在叶片进口轮毂侧,叶轮进口和叶轮出口监测点压力脉动呈周期性变化,压力波动的稳定性较好。

  3) 叶轮进口监测点的压力脉动幅值沿径向逐渐增大,叶轮出口和导叶出口监测点压力脉动较一致. 从叶轮进口到导叶出口位置,压力脉动呈现出逐渐增强的趋势. 由于导叶内非定常流动诱发了较强的低频压力脉动,导致压力脉动最大值发生在导叶出口监测点。

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