多级深井泵性能与压力脉动的级间差异性研究

摘要

深井泵作为抽取深井地下水以及地下石油等重要资源的主要设备，广泛应用于工业生产的各个领域。采用逐级叠加结构的深井泵长时间处于深井工作环境中，安装、检修难度较大，因此提高深井泵的水力性能，降低其运行过程中的不稳定性，已成为深井泵水力设计中的核心问题。本文在国家自然科学基金项目和江苏省自然科学基金项目的资助下，应用ANSYS CFX 18.0商用软件分别对单级、两级和三级的 250QJ80 型深井泵模型进行定常与非定常数值模拟，并通过外特性试验与压力脉动试验对数值模拟的准确性加以验证，主要研究内容及取得的研究成果如下： （1）简要回顾了深井泵产品的发展历史，探讨了CFD技术在深井泵中的应用，并介绍了泵内部压力脉动的研究现状。 （2）对250QJ80型深井泵进行三维建模和网格划分，并对网格无关性进行分析，确定合适的湍流模型和边界条件。对三级深井泵进行了数值模拟和性能试验，发现随着流量的变化，试验结果与数值预测结果在全流量工况下具有一致的变化规律，证明所选择的计算方法可以准确地预测出该深井泵的性能。 （3）采用ANSYS CFX 18.0软件对250QJ80型深井泵模型在单级、两级及三级时的性能分别进行了数值模拟、内流场分析和性能试验，发现深井泵级数的变化并不会对某一特定级数的性能造成影响，两级与三级深井泵的首级扬程与效率高于其后各级，而其后各级的扬程与效率差异不大。造成各级性能差异的主要原因是首级叶轮进口介质为无预旋流动，而其后各级的进口处介质皆为有预旋流动。数值模拟预测的外特性参数与试验结果在大流量工况下出现了些许偏差，这是由于在大流量工况下泄漏量对泵性能影响增大造成的，但从整体来看，数值计算结果与试验结果吻合较好，计算精度较高，具有一定的参考价值。 （4）基于对深井泵内流场瞬态分布规律的研究，介绍了压力脉动的产生机理。进而基于非定常数值计算对多级深井泵各计算子域内的压力变化瞬时特性进行了预测分析。通过在各级叶轮、泵腔和导叶中的相同位置（轴向位置不同）布置监测点，获得了深井泵各级子域内不同位置的压力变化规律。采用压力无量纲与傅里叶变换的数学方法，排除监测点自身压力量级的影响，得到了各级子域内压力脉动信号的时域特性分布和频域特性分布，并分析脉动信号的级间差异性。最后，采用高频压力传感器完成各级泵腔内静压数据的瞬时测量试验，并完成了试验结果与预测结果的对比分析。 （5）压力脉动信号存在明显的级间传播现象，且当脉动信号的传播方向与流速方向相反时，脉动信号的衰减强度较大。各级脉动源（动静干涉）产生的脉动信号在深井泵流道中会彼此发生复杂的耦合现象，同时流场中的固壁面使得脉动信号产生反射、驻波等不稳定特性。高频脉动信号在泵流道中传播时极易衰减，因此其传播距离极短，而在深井泵流道内，级间传播的压力脉动基本以频率小于等于主频的低频信号为主。低频脉动信号易于在深井泵流道内传播，进而造成低频脉动强度的逐级叠加现象，其中，首级流道中的脉动信号强度与其后各级之间的强度相差最大。由于低频信号在流场的传播、衰减与介质的流速以及流动方向相关，因此低频信号的组分在不同流量工况下具有一定的差异性。

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