轮缘间隙对轴流泵内部非定常流场的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国农业大学水利与土木工程学院 作者:黎耀军

  为研究轴流泵轮缘间隙泄漏流的非定常特征及其对泵外特性的影响,采用基于S-A模型的DES方法和滑移网格技术,对轴流泵在设计流量下的内部湍流进行了数值计算,重点分析了4组轮缘间隙下泵内非定常流场特性及压力脉动特性.在设计轮缘间隙下,计算所得泵扬程和效率与试验数据吻合良好,最大相对误差分别为2.0%和3.0%.计算结果表明:随轮缘间隙增大,水泵扬程和效率均呈下降趋势;轮缘泄漏涡强度和影响范围随轮缘间隙增大而增大,当轮缘间隙为3.3‰D2时,轮缘泄漏涡扩散至相邻叶片出口边;不同轮缘间隙下,叶轮区压力脉动频率均以叶频为主;靠近叶片进口的叶轮室内壁压力脉动幅值随轮缘间隙的增大呈减小趋势,叶轮室中部压力脉动随轮缘间隙增大而增大;叶轮出口断面的压力脉动频域特性在不同轮缘间隙下均以1倍叶频为主,脉动幅值随轮缘间隙增大而减小。

  轴流泵轮缘间隙泄漏流动及其与叶道主流、壁面边界层和叶片尾流的相互作用,形成泵叶轮内复杂的旋涡结构和旋转不稳定流动,将降低泵的能量性能,引发间隙泄漏空化、水力激振和噪声,严重影响轴流泵的运行稳定性。研究受轮缘间隙流动影响的轴流泵内压力脉动规律,具有重要工程意义。

  对于受轮缘间隙泄漏流动影响的轴流泵内非定常流场的研究,主要有试验和数值计算2种手段。采用PIV(particleimagevelocimetry)等测试技术,可对间隙泄漏涡流的内部结构及发展过程进行观测,但受试验费用高、叶轮内测试设备不易安装及比尺效应等因素制约,对泵内压力脉动的试验研究还很困难。因此,很多学者开展了轴流泵内非定常流动的数值模拟研究,其中,采用大涡模拟方法(largeeddysimulation,LES)直接求解瞬态N-S方程,可描述大尺度涡运动并捕获丰富的非定常流动细节,较准确地求解得到了泵内的压力脉动特征。但由于轴流泵内非定常流动为边界层很薄的高雷诺数湍流,边界层内小涡的尺度往往比边界层的厚度小很多,这使得要完全采用LES模拟薄边界层内的流动需对近壁区进行精细的网格处理,计算量较大.针对这一情况,Spalart等提出的分离涡模拟方法(detachededdysimulation,DES),以RANS/LES混合模式对计算域进行求解,同时具备RANS方法对近壁网格要求低、计算效率高和LES方法对湍流核心区非定常流动模拟精度高的特点,在求解水力机械内部非定常流场时具有特殊的优势。文中采用DES方法,对不同轮缘间隙下的轴流

  泵内部三维不稳定流场进行非定常计算,预测轮缘间隙泄漏流的形态及对泵外特性的影响,并对叶轮区的流场及压力脉动特性进行分析,获得泵叶轮室及叶轮出口处压力脉动随轮缘间隙的变化规律.

1、物理模型及网格划分

  研究使用的轴流泵由中国水利水电科学研究院设计,其性能试验结果见文献。该泵叶轮直径D2=300mm,叶片数Z=6,叶轮设计间隙δ=0.3mm,导叶数Zd=11,转速n=1450r/min,额定流量Qd=0.35m3/s,额定扬程Hd=11m。取泵的进口到弯管出口的整个泵段作为计算区域.为研究轮缘间隙对轴流泵内湍流压力脉动的影响,选取4组轮缘间隙值,间隙尺寸δ/D2分别为0.5‰,1.0‰,2.0‰和3.3‰,其中δ/D2=1.0‰表示设计轮缘间隙。

  由于轴流泵叶轮内流道扭曲严重,轮缘间隙结构复杂,文中采用分块结构化六面体网格对叶轮区域进行网格划分,轮缘间隙区采用H-O-H型网格结构,如图1所示.计算域其他部分采用对复杂边界适应性强的非结构四面体网格.叶片周围和轮缘间隙区进行了局部网格加密,为了保证网格密度相近,不同间隙尺寸下轮缘间隙内沿径向分别布置5~15层网格,计算域内对应的网格单元总数为419万~489万。

 叶轮及轮缘间隙网格

图1 叶轮及轮缘间隙网格

结论

  采用基于S-A模型的DES方法,开展了设计流量工况下不同轮缘间隙的轴流泵非定常流场计算,重点研究了轮缘间隙变化对叶轮流场结构和压力脉动特征的影响,取得以下主要结论:

  1)随着轮缘间隙的增大,轴流泵的扬程和效率整体呈下降趋势,轮缘间隙大于设计值时,扬程和效率下降幅度均显著增加。

  2)轮缘间隙变化对轴流泵叶轮区压力分布影响明显,随着间隙增大,间隙泄漏涡逐渐向叶轮叶道内发展,涡核低压区影响范围增大。在3.3‰D2轮缘间隙下,叶轮流道内存在因泄漏流与主流相互作用压力梯度剧烈变化区,且轮缘泄漏涡扩展至相邻叶片的出口边。

  3)不同轮缘间隙下,叶轮室内壁压力脉动频域值均以叶频fn为主,压力脉动幅值的变化规律存在差异.叶轮室中部,压力脉动混频幅值和fn的频谱值均随轮缘间隙增大而增大;靠近叶片进口处的叶轮室内壁,压力脉动幅值和fn的频谱值均随轮缘间隙增大而减小。

  4)叶轮出口断面内,压力脉动频域值主要为叶片通过频率fn,最大压力脉动频谱值随轮缘间隙增大而减小。

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