离心泵导叶内失速流动特性及其产生机理研究

摘要

离心泵因为其本身流道扩散度为正以及叶片曲率大等问题，使得离心泵运行在小流量工况时极易发生失速现象，旋转失速是一种常见的且危害较大的失速形式，对于叶片式泵来说导叶式离心泵因为其特殊机构更容易发生旋转失速等不稳定流动现象，造成水泵流量扬程曲线产生驼峰、低频压力脉动和水力激振力、流动噪声等危害。 针对国内外将主要关注点放在离心泵叶轮内部而忽略导叶内的旋转失速这一研究现状，本研究将主要关注点放在了导叶式离心泵导叶通道内部，本研究在实验测试和数值模拟结果的基础上，对一导叶式离心泵导叶通道内部三维流动进行了研究。主要研究内容包括： (1)对全运行工况范围内的泵进行数值模拟，系统的研究了导叶对离心泵性能的影响以及驼峰区的产生区间；(2)系统的分析了导叶式离心泵导叶内部旋转失速产生机理，并应用了互功率谱的旋转失速判定方法对流动特征、发展及传播规律进行了分析：(3)对比了有、无导叶时叶轮内部流动特征，分析了导叶对叶轮内部流动特征的影响；(4)应用Omega涡识别方法对驼峰区内特征工况点进行了导叶通道内部涡识别，探究涡的发展规律以及旋转失速成因；(5)应用涡体积积分对导叶式离心泵不同部件进行损失分析，探究驼峰区成因；(6)对导叶数目以及径向间隙参数进行单一变量分析，并探讨了离心泵本身几何参数对导叶内旋转失速的影响。 研究结果表明：(l)导叶式离心泵在小流量工况会产生“驼峰”区现象，在非驼峰区段导叶对叶轮内部流动影响不大，但伴随驼峰区的波动叶轮流道内流动出现了对应的变化，在波峰段叶轮流道内流态变好，在波谷段叶轮内流态变坏，伴随着驼峰区的波动导叶内部损失也发生了对应的变化，其损失变化曲线与驼峰曲线相近；(2)小流量工况下导叶内部流动形式复杂，失速团的数目会随着运行工况的减小而增多，但旋转失速产生的脉动频率并不会随着运行工况的改变发生一致性的频率变大变小行为，部分运行工况导叶内可能同时出现多种失速团运动形式，如固定失速和旋转失速会在0.35Q。工况同时出现，失速团在流道内旋转时表现为非同步旋转的特性；(3)对具有强旋转性的涡结构进行分析，发现随着运行工况的改变，涡在导叶流道内产生的相对位置发生了改变，涡向也发生了改变，在流道内主要以流向涡、周向涡和展向涡的形式存在；(4)对导叶数目和径向间隙两个影响导叶入流条件的因素进行研究发现，导叶内部失速团的失速类型是受导叶叶片数和失速团数目两者的共同影响，在本研究中当导叶数目为9失速团数目为3时发生固定失速现象，当失速团数目和导叶叶片数不是整数倍的关系时，导叶叶片数只影响失速团的旋转频率，不改变失速团的失速形式；径向间隙会改变失速团在导叶流道的分布方式、旋转方式、旋转方向以及压力脉动等。

目录

声明

第一章绪论

1.2 国内外研究现状

1.2.1 失速涡及旋转失速成因探究

1.2.2 失速涡和旋转失速研究现状

1.2.3 国内目前离心泵内部失速控制和旋转失速问题的解决方法和措施

1.3研究现状总结与研究问题的提出

1.4本文主要研究内容

第二章导叶式离心泵内部流动数值模拟理论基础

2.2湍流模型

2.3离散方法和离散格式

第三章计算模型与数值模拟研究

3.1模型主要参数及导叶设计

3.2 网格划分及边界条件设置

3.2.2边界条件设置

3.3.2 导叶式离心泵网格无关性验证

3.4 导叶式离心泵性能曲线预测

3.5.1 导叶对叶轮内部流态影响分析

3.5.2 导叶对叶轮内失速特征参数影响分析

第四章离心泵导叶内流动特性研究

4.2 内部流动结构分析

4.2.1失速类型及旋转失速确定方法

4.2.2导叶流道内部流动特性分析及失速机理探究

4.2.3导叶流道内部流动系统分析

4.3Omega涡分析导叶内部涡结构

4.3.1Omega涡识别方法介绍

4.3.2 导叶式离心泵导叶内部涡结构分析

4.3.3旋转失速涡结构分析

第五章旋转失速影响因素探究

5.2导叶数目对导叶内流动参数的影响

5.2.1导叶数目对叶片表面压力的影响

5.2.2导叶数目对导叶内损失的影响

5.2.3导叶数目对导叶通道内压力分布以及压力脉动的影响

5.3径向间隙对导叶内失速特性的影响

5.3.1径向间隙对泵外特性的影响

5.3.2径向间隙对导叶内部旋转失速的影响

5.3.3径向间隙对叶轮内部流态的影响

5.3.4径向间隙对导叶式离心泵内部流动影响总结

5.4径向间隙对导叶入流条件的影响

5.4.2径向间隙对导叶进口压力分布的影响

第六章总结与展望

6.2展望

致谢

参考文献

附录1

攻读硕士学位期间主要研究成果