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空化对离心泵启动过程的影响分析

孟龙  
【摘要】:离心泵在现代的生活生产以及消防安全中扮演者极其重要的角色,但是离心泵往往不是单独运行的,必然与管路、阀门等其他元件构成或大或小的工质传输系统。由于工质的可压缩性,系统在短时间内发生工况参数的剧烈变化时会形成水锤现象。当工质是水时,同时还会发生另一个复杂的现象——空化。如果在启动等过渡过程中出现空化,现象将更加复杂。本文将通过对有空化的离心泵的启动过渡过程进行分析来探讨空化对离心泵瞬变特性的影响。传统的特征线法(MOC)将所有的元件简化为一维模型进行计算,计算快速,但是无法获得有效的水力机械内部流动信息,同时还存在由于采用静态参数计算动态过程而引起的计算精度不足等问题。而针对水力机械的三维计算流体动力学分析(CFD)可以获得丰富的内流场信息,却不能兼顾系统特性;当考虑全系统三维计算尤其是考虑空化模型时,计算又将耗费大量资源。本文根据MOC和CFD基于流动方程的共性,引入基于MOC和CFD的含空化模型的耦合计算方法,在水力机械和管阀系统的交界面实现流量和压力信息的交换,从而利用有限计算资源完成管阀系统与水力机械考虑空化的过渡过程同步计算。论文的主要工作如下:1、根据已有的泵启动试验结果,对试验台进行了一维建模,对离心泵进行水力设计与性能优化以满足对比分析需求。分析了一维模型计算结果与试验结果的差别;分析了水泵空化特性与试验用泵的空化性能的匹配情况。管路一维模型及水泵三维模型都能满足后续对比分析的要求。2、搭建MOC与CFD耦合计算平台。通过三维数值模拟软件Fluent以及一维特征线计算软件Flowmaster所提供的接口,建立起瞬态计算过程中流量信息和扬程信息交换的路径。分析了耦合计算中权重因子、耦合时步内迭代次数等参数对收敛速度及精度的影响。3、对离心泵的0.5s无空化启动工况进行了耦合计算。通过与试验结果和纯一维计算结果对比,耦合计算结果准确合理,验证了耦合算法用于离心泵启动过渡过程分析的可行性。分析了启动过程中互相影响的水泵内流场和管路节点的物理特性变化。在此基础上也对1s启动工况进行了预测计算,分析了启动时长对系统稳定性的影响。4、对离心泵的0.5s有空化启动工况进行了耦合计算。分析了耦合计算结果与传统DVCM空化模型计算结果以及试验结果的差别,分析了两种计算方法的优缺点。通过耦合计算,对试验中启动过程水泵出口压力出现两次降低现象的原因进行了详细讨论,计算结果表明,两次出口压力降低的原因是水泵进入初生空化区导致的扬程下降效应强于转速升高导致的扬程升高,导致了第一次压力降低,进入空化工况区则导致了第二次压力降低。5、分析了水泵在不同的空化启动工况下流场内部的压力脉动特性、叶轮力特性、空泡发展演变规律,发现了与传统稳态空化非定常分析中呈现出的不同的空化场压力波动现象以及空泡形态变化特点,并通过对比分析揭示了二者不同的原因。为分析水泵启动过程中管路和水力机械相互影响下的流动特性和空化发展过程,本文建立并验证了离心泵及其管路系统启动过渡过程考虑空化模型的MOC-CFD耦合计算方法,并用此方法对水泵系统启动过程进行了分析,并对几个特殊的物理现象及其机理进行了探讨。本文的研究内容和结论对于研究受空化影响的水力机械及系统瞬变特性具有指导意义。


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