离心泵启动过程瞬态流动的数值模拟和实验研究

摘要

离心泵启动过程是一类特殊的瞬态过程，利用离心泵的启动可为特殊的应用场合提供瞬时流体动力；同时大功率泵在启动过程中的瞬时特性可能引起设备和管道系统的冲击破坏或过大的负载。目前对离心泵启动过程的内部瞬态流动缺乏系统的研究，如何实现对离心泵启动过程的性能预测、优化和流动控制是一个重要课题。
　　 本文以处在启动过程中的离心泵为研究对象，针对离心泵在启动过程中表现出的特殊瞬态水力性能，建立离心泵启动过程瞬态流动的数值模拟与诊断方法，建立离心泵性能测试实验系统，分别从数值模拟和实验研究的角度探索引起外部非定常效应的内部流动机理。论文的主要内容包括以下五个方面：
　　 第一，为验证基于动网格的有限体积法在求解边界移动引起的非定常流动时的有效性和准确性，对圆柱瞬时平动和旋转平动启动引起的二维非定常不可压黏性流动进行了数值模拟，采用弹簧近似模型和网格重构相结合的方法实现该过程的流场变形。模拟结果与已有的实验和数值结果从定性和定量上均吻合较好，证明该方法在求解边界移动引起的非定常流动时的有效性。
　　 第二，针对单独采用动网格方法模拟叶轮加速启动所引起的网格更新质量下降的问题，提出采用区域动态滑移方法保证叶轮启动过程网格的更新质量，成功的将动网格方法推广应用到离心泵二维和三维模型启动过程的瞬态流动求解。同时，为消除启动过程外部指定非定常进出口边界条件所引起的误差，提出建立离心泵循环管路系统的三维数值模型，通过数值求解的自身耦合性实现了无需指定边界条件即可准确求解启动过程的瞬态流动。
　　 第三，建立离心泵瞬态性能测试实验台，该实验台由动力蓄能装置、模型泵、管路系统、数据采集和电气控制系统五部分组成。对泵启动过程的外特性，如瞬时流量、扬程、转速和轴扭矩的变化进行测试和采集：采用PIV内流测量方法对稳态和瞬态内流场进行拍摄，得到与外特性相对应的稳态和瞬态的速度矢量场，为探索离心泵启动过程瞬态流动机理提供真实的参考依据。
　　 第四，建立与该实验台等效的离心泵循环管路系统三维数值模型，在与启动实验同等边界条件下，求解该数值模型内部瞬态流动。将实验所得结果与数值模拟结果进行对比研究，两者同时在瞬态外特性和内特性上吻合较好。
　　 第五，基于瞬态流动的数值计算结果，采用过流断面和边界涡量流两种涡动力学诊断方法对离心泵启动过程的内部瞬态流动进行诊断。
　　 研究结果显示，泵启动过程无量纲扬程偏离稳态值的外部原因是启动加速度的变化形式，内部原因是水流惯性和瞬时流场结构的不断演化。启动初期瞬时外特性主要表现为低流量下瞬时转速、扬程和功率的快速上升，瞬时无量纲扬程从无穷大快速下降至低于稳态水平；启动中期流量快速增长，引起瞬时功率的增长率高于瞬时扬程；启动后期启动加速度降为零，转速达到稳定值，流量增长减缓，瞬时扬程和功率经过波动冲击达到稳态水平。启动全过程瞬时流量表现出三次曲线的增长特性。阀门全关启动时的电机功率将表现出明显的瞬时冲击。
　　 启动过程内部流动演化呈现强烈的瞬态特性，采用基于准稳态假设的思想对应用于启动过程的离心泵进行设计是不适合的。本文的研究内容和结论可为应用于各种瞬态过程的水力机械瞬时性能预测、设计优化与流动控制提供参考依据。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录、主要变量和符号表

声明

第1章 绪论

1.1课题背景和意义

1.2与本文相关的研究现状

1.2.1离心泵系统瞬态性能研究现状

1.2.2离心泵瞬态工作特性研究现状

1.2.3离心泵设计优化方法和内流研究现状

1.2.4瞬态过程非定常流动的研究现状

1.3与本文相关的研究方法

1.3.1流体流动的数值计算方法

1.3.2湍流流动的数值模拟

1.3.3离心泵性能预测方法

1.4论文主要研究目标和内容

1.4.1论文的研究目标

1.4.2论文的研究路线和内容

第2章 基于动网格的瞬态流动数值模拟

2.1基于动网格的有限体积法

2.1.1控制方程

2.1.2离散方法

2.1.3动网格更新方式

2.2圆柱平动启动过程的数值模拟

2.2.1物理模型

2.2.2流动结构的发展

2.2.3不同雷诺数下的阻力系数

2.2.4高雷诺数下湍流模型比较

2.3圆柱旋转平动启动过程的数值模拟

2.3.1物理模型

2.3.2网格和时间步长影响检验

2.3.3计算结果与讨论

2.4桨叶旋转启动过程的数值模拟

2.4.1物理模型

2.4.2计算结果与讨论

2.5小结

第3章 离心泵启动过程瞬态流动的数值模拟

3.1基于动网格的离心泵启动过程二维数值模拟

3.1.1叶片旋转加速的动网格方法

3.1.2物理模型和计算条件

3.1.3结果分析与讨论

3.1.4区域动态滑移方法

3.2离心泵启动过程三维数值模拟

3.2.1物理模型与计算条件

3.2.2结果分析与讨论

3.3三维循环管路系统启动数值模拟

3.3.1物理模型和计算条件

3.3.2稳定转速下的结果验证

3.3.3启动过程的结果分析

3.4需要进一步解决的问题

第4章 离心泵启动过程瞬态特性与流动的实验研究

4.1实验的意义和目标

4.2离心泵性能测试实验系统

4.2.1实验台硬件系统

4.2.2控制、信号测试和数据处理系统

4.2.3 PIV内流测试系统

4.3实验内容和步骤

4.3.1实验内容

4.3.2实验步骤

4.4稳态的实验结果

4.4.1稳态外特性实验结果

4.4.2稳态PIV测试结果

4.5启动过程的实验结果

4.5.1启动过程外特性实验结果

4.5.2启动过程PIV测试结果

4.6实验小结和误差分析

4.6.1实验小结

4.6.2实验误差分析

第5章 数值模拟和实验结果的对比研究

5.1物理模型和边界条件

5.1.1物理模型

5.1.2边界条件

5.2网格与时间步长无关性检验

5.3稳态过程结果对比

5.3.1系统模型流量数值测试

5.3.2稳态过程外特性对比

5.3.3稳态过程内特性对比

5.4启动过程结果对比

5.4.1启动过程外特性对比

5.4.2启动过程内特性对比

5.4.3实验和数值误差分析

第6章 离心泵启动过程的非定常流动诊断

6.1涡动力学诊断理论

6.1.1过流断面诊断方法

6.1.2边界涡量流诊断方法

6.2泵启动过程内流涡动力学诊断

6.2.1过流断面诊断

6.2.2叶片表面边界涡量流(BVF)诊断

6.3小结

第7章 总结与展望

7.1总结与讨论

7.1.1全文总结和讨论

7.1.2存在问题的分析和比较

7.2展望

7.2.1瞬态内流机理研究

7.2.2瞬态流动数值求解精度的提高

7.2.3瞬态操作离心泵的设计与优化

7.2.4其他待思考和解决的问题

参考文献

致谢

作者简历及在学期间所取得的科研成果