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叶顶间隙对半开式离心泵内部影响的数值研究

闫乐  
【摘要】:本文从叶顶间隙的角度出发,以实验室现有的一台半开式离心泵为计算模型,利用计算流体力学的方法对其进行建模,通过ANSYS数值模拟的手段预测该模型泵的外特性,将模拟值与实验数据进行对比,验证了所选湍流模型和数值模拟的准确性。以此为基础,改变间隙值的大小,在间隙值0.6mm附近分别选取了0.2mm和1.0mm,探究叶顶间隙对叶轮内部流动的影响,尤其是叶顶间隙区。加入汽蚀模型,分析叶顶间隙和汽蚀之间的影响机制。最后在叶轮各个区域设置压力监测点,探究叶顶间隙和压力脉动之间的关系。主要内容和结论如下所示:(1)根据给定的离心泵参数,对叶轮和导叶进行建模,随后进行网格划分和前处理设置,通过网格无关性验证确定了计算网格数。将数值模拟的外特性数据和实验值进行对比,误差在可接受范围内,验证了模型和数值模拟的准确性。(2)对叶顶间隙为0.6mm的模型泵数值模拟的结果进行分析,通过对轴向方向的压力场进行分析可知,叶顶泄漏流对主流影响的主要范围从叶顶间隙区向下延伸到Span=0.75叶高处,其中Span=0.85叶高处是叶顶泄漏流对主流影响的主要区域。对跨叶顶的流线进行分析,由于前盖板壁面边界层的影响,叶顶间隙泄漏涡的结构主要受75%h以下叶顶间隙高度释放的流线影响。(3)等距的选取间隙值的大小,利用连续性方程计算叶顶泄漏量,得出间隙值与泄漏量之间呈正相关变化。随着叶顶间隙的增加,水泵的扬程和效率呈负相关变化。分析0.85倍叶高处的Streamline-Cp曲线,可知叶顶间隙0.2mm和1.0mm△Cp值稳定性较差,同时综合实际叶顶间隙的加工精度,建议该模型泵的叶顶间隙取值范围在0.3mm~0.8mm之间。(4)加入汽蚀模型,绘制了三组叶顶间隙的汽蚀性能曲线,临界汽蚀余量随着叶顶间隙的增大而增大,即间隙值的增大减弱了水泵的抗汽蚀性能。分析不同间隙下的汽蚀性能曲线和气泡体积分布,进一步验证了间隙值的增加能够减弱水泵的抗汽蚀能力。(5)同一叶顶间隙下,压力面、吸力面和动静交界面处的压力脉动频率、幅值不尽相同。叶片前缘处监测点的压力脉动幅值要明显低于叶片尾缘处幅值。不同叶顶间隙下,对同一位置的监测点进行分析可知,0.2mm下压力脉动的幅值要远小于其他叶顶间隙,但随着间隙值的增大,在叶轮旋转的周期内,监测点的波峰和波谷数减少,即脉动的紊乱程度增加。


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