潜水贯流泵装置水力特性及压力脉动研究

摘要

潜水贯流泵是将潜水电机与轴流泵同轴连接的机电一体化产品。其结构非常紧凑，灯泡体小，重量轻，减小了支撑压力的同时也有利于绕流。同时该泵型还具有良好的抗噪性，在研制过程中，解决了电机散热、绝缘、密封及自动排液等方面的技术问题。是一种适用于大流量、低扬程灌溉或排涝泵站的新型泵型。装有潜水贯流泵的泵站具有建设及运行成本低、装置效率高、易于全自动或半自动化控制等优点。随着国民经济的发展，国家各项调水工程的实施，潜水贯流泵站在国民经济的发展中扮演着越来越重要的角色。特别近年来气候的变化，降水时空分布不均，此类泵站的安全可靠性经历着极大的考验。探讨潜水贯流泵稳定运行范围，揭示其内部不稳定流动的三维非定常现象，确保潜水贯流泵站的安全稳定运行，具有重要的社会价值和现实意义。
　　目前国内外对潜水贯流泵装置定常流动特性的研究已经比较成熟，对非定常流动下的压力脉动研究以数值模拟为主，缺少试验研究结果的验证。本文以某潜水贯流泵泵站为背景，通过数值模拟和模型试验两种研究方法，研究潜水贯流泵装置内部的流动特性和压力脉动特性。
　　通过潜水贯流泵外特性试验，获得了额定转速下的潜水贯流泵的性能曲线，确定其运行的高效区为16L/s-22L/s。借助CFD对潜水贯流泵进行了全流道定常数值计算，模型试验与数值模拟计算所得的性能曲线在泵装置运行的高效区基本重合，在偏离设计工况时数值相差较大，总体上来看数值模拟结果较为准确。并通过数值模拟获得了三个特征工况下详细的内部流场结果，分析了三个工况下泵装置内特性的变化。
　　利用高频压力传感器对叶轮出口，导叶出口及泵装置壁面轴向的压力脉动信号进行了采集，借助Origin等数据处理软件，比较分析了额定转速下不同工况及不同监测点下潜水贯流泵压力脉动的时域及频域分布。叶轮出口截面圆周方向上的3个监测点压力脉动主频基本一致，均在叶频处取得幅值最大值，但幅值差异较大;导叶出口处的压力脉动成分比较复杂，有较多的干扰频率，周向四个监测点的主频基本一致，除了监测点P4，其余3个监测点最大幅值非常接近。轴向各个监测点的主频基本相同，均在3倍转频处取得幅值最大值，且随着监测点距离叶轮的位置越来越远，3倍转频处的幅值越来越小。叶轮出口处的压力脉动特性随着流量的变化最明显，导叶中间、导叶出口及灯泡体段压力脉动受流量变化的影响较小。小流量工况下流态较差容易产生汽蚀等情况，高频成分较多。
　　借助CFD技术对潜水贯流泵装置进行了全流道非定常数值计算，获得了泵装置壁面轴向各个监测点的压力脉动频域图，与模型试验结果的吻合度较高，尤其是叶轮及导叶壁面上的监测点，其主频及幅值均比较接近，而在灯泡段壁面上幅值偏差较大。同时，获得了叶轮进口、叶轮出口、导叶中间、导叶出口、灯泡体中间、灯泡体渐变段及灯泡体尾部共7个特征截面的压力脉动分布规律，获得了在特征时刻下叶轮内部、导叶内部及灯泡体内部的流动特性及湍动能变化。

目录

摘要

符号说明

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状及进展

1．2．1 模型试验研究概况

1．2．2数值模拟研究概况

1．3 本文的研究内容

第二章 泵内流动数值计算方法及压力脉动相关理论

2．1 模型泵装置三维建模与网格划分

2．1．1 模型泵三维建模

2．1．2 网格划分

2．1．3 网格无关性分析

2．2 数值计算方法概述

2．2．1 流动控制方程

2．2．2 湍流模型

2．3 边界条件的设定

2．4 求解控制

2．5 收敛精度的选择

2．6 潜水贯流泵压力脉动的分类

2．7．1 时域法

2．7．2 频域法

2．8 本章小结

第三章 潜水贯流泵装置内外特性研究

3．1 潜水贯流泵装置外特性测试

3．1．1 潜水贯流泵试验台的建立

3．1．2 主泵、辅助泵的介绍

3．1．3 外特性试验仪器和方法

3．1．4 试验不确定度分析

3．2 数值模拟与模型试验的外特性对比与分析

3．3 潜水贯流泵内部流场分析

3．3．1 装置整体流态分析

3．3．2 叶轮的水力性能分析

3．3．3 导叶部分水力性能分析

3．3．4 灯泡段流场分析

3．4 本章小结

第四章 潜水贯流泵压力脉动试验分析

4．1 压力脉动采样频率的确定

4．2 压力脉动监测点位置的选取

4．3 试验设备及采集方法

4．4 试验数据的处理方法

4．5 最优工况下各监测点压力脉动分析

4．5．1 叶轮出口圆周方向

4．5．2 导叶出口圆周方向

4．5．3 泵装置轴向

4．6 不同工况下的压力脉动特性

4．7 本章小结

第五章 潜水贯流泵装置全流道流动非定常模拟

5．1 非定常模拟的设置

5．1．1 湍流模型及离散方程等的设置

5．1．2 初始条件及时间步长

5．1．3 监测点及计算周期的选取

5．2 最优工况下模型试验与非定常计算结果的比较

5．3 最优工况下叶轮内流动分析及压力脉动特性

5．3．1 叶轮内流动分析

5．3．2 叶轮内压力脉动特性

5．4 最优工况下导叶内流动分析及压力脉动特性

5．4．1 导叶内流动分析

5．4．2 导叶内压力脉动特性

5．5 最优工况下灯泡体内流动分析及压力脉动特性

5．5．1 灯泡体内流动分析

5．5．2 灯泡体内压力脉动特性

5．6 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的相关科研成果

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