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离心泵多设计方案下内流PIV测试及其非定常全流场数值模拟

袁建平  
【摘要】: 本文系国家自然基金(编号:50649029)和高校博士点基金(编号:20050299006)资助项目。 离心泵是应用最广泛的流体机械之一,其中低比转速离心泵一直存在效率不高,汽蚀性能较差,内部流动不稳定等问题。随着现代流场测试技术及CFD技术的发展,对离心泵开展PIV内部流动测试及动静耦合的非定常全流场数值模拟是当前国内外泵领域研究的重点和热点。本文通过对离心泵内部非定常流动现象和特点的分析,提出开展多种设计方案下的离心泵内部三维非定常全流场的数值模拟及PIV试验的对比研究,旨在较全面细致地了解不同设计方法设计的离心泵全流场流动的结构特点,捕获非定常流动特征,为离心泵优化设计提供理论基础,并实现离心泵性能的准确预测。本文主要研究工作和创造性成果有: 1.在全面系统分析国内外离心泵内部流场实验和数值模拟研究进展的基础上,对离心泵内部流动现象进行了较全面深入的分析,并针对离心泵内部三维粘性湍流流动的计算模型和计算方法进行了讨论。 2.采用先进的PIV技术,开展了离心泵内部流动的PIV测试研究。自行搭建了离心泵专用PIV试验台,针对离心泵叶轮结构特点,设计并制造了满足PIV测试要求的模型泵。首次对采用不同设计方法所设计出的四种方案离心泵叶轮内部流场进行了多工况下PIV测试的对比研究,结果表明:采用低比速设计法设计的叶轮流道内相对速度基本沿叶片型线方向流动,叶片吸力面无尾流现象存在;采用常规设计方法设计的叶轮,流道进口处叶片对流体排挤严重,易形成气泡;采用较短短叶片设计的叶轮流道内流体由吸力面流向压力面,叶片进口处存在明显旋涡区,且随流量的增加旋涡区逐渐缩小;采用较长短叶片设计的叶轮内相对速度分布较紊乱,长叶片和短叶片吸力面处均存在明显旋涡区。 3.首次对采用不同设计方法所得五种方案离心泵内部流场进行了单个叶轮、叶轮蜗壳动静耦合的定常流动和非定常流动的数值模拟对比研究。采用RANS雷诺时均方程进行数值求解,以RNG k-ε湍流模型来封闭雷诺应力项,应用SIMPLEC算法进行不可压缩流动压力场的求解,实现了对五种设计方案下叶轮内部流场的三维粘性湍流数值模拟。通过与PIV实验测试结果的对比分析,验证了所建数学模型的准确性。通过对设计流量工况及非设计流量工况下五种方案叶轮内部流动速度、压力、湍动能分布的对比分析,发现:低比速设计的叶轮流道内流体基本沿叶片型线方向流动,较大流速出现在叶片吸力面附近,叶轮出口吸力面侧无低速尾流区存在,与PIV测试结果一致;常规设计方法设计的叶轮,在叶片吸力面出口处存在低速尾流区,叶片压力面距头部1/3处出现一较大范围的低速旋涡区,使主流区的速度明显增大;长短叶片叶轮叶片进口压力面附近存在明显的低速旋涡区,流体从长叶片吸力面横向流向压力面,与PIV测试结果一致;由于短叶片的存在防止了尾流的产生和发展,长叶片吸力面出口未出现低速尾流区;当短叶片向长叶片吸力面偏置时,平衡了短叶片两侧流道内的流动,流动更为均匀。通过对五种叶轮设计方案的分析和评估,为最终进行离心泵叶轮优化水力设计提供理论基础。 4.基于分块耦合及局部加密的方法生成三维非结构化网格,采用冻结转动部件法及多重参考坐标系模型,对离心泵包括蜗壳在内的全三维流场进行了定常数值模拟,结果表明:蜗壳进口速度和压力沿周向分布呈明显的周期性波动特征,叶轮出口射流和尾流区的存在与否及所处位置与泵的流量及叶轮结构形式有很大关系,进一步证实了离心泵内从叶轮到蜗壳整个流场的强非对称流动特征。通过不同设计方案及不同流量工况下的数值模拟对比分析,揭示了叶轮和蜗壳之间的动静干涉对流场的影响。通过对多个设计方案不同流量工况下的数值模拟,数值预测了离心泵的性能曲线,并与外特性实验曲线进行对比,进一步验证了本文数值模拟的准确性和性能预测的可行性,为离心泵的性能优化提供了途径。 5.由于离心泵内的非定常流动能引起泵内部和出口的压力脉动,进而诱导产生噪声和振动,不同设计方案离心泵的非定常特性也不同。本文针对不同的设计方案,采用滑移网格的非定常CFD方法实现了整机全三维非定常流场的数值模拟,揭示了离心泵内部流动周期性波动特性和非稳定流动特征。蜗壳隔舌附近的压力波动幅值最大,蜗壳出口断面上的压力波动幅值最小;小流量工况下,各方案的瞬时扬程波动不大,随流量的增大瞬时扬程波动幅值明显增大;低比速设计的叶轮瞬时扬程波动较大,常规设计的叶轮瞬时扬程波动最小;采用长短叶片的叶轮,短叶片偏向吸力面时瞬时扬程波动最小。首次从非定常流动角度对不同设计方法所得叶轮进行了对比评估,并为进一步进行离心泵内部流动诱导噪声和诱导振动研究提供了基础。 6.本文首次系统地进行了离心泵多设计方案的外特性实验、PIV测试和不同层次的数值模拟,研究结果表明:对于中低比速离心泵,不宜采用常规设计方法,最好采用低比速设计法或长短叶片设计法设计叶轮;若采用长短叶片设计法,应采用较短的短叶片,短叶片应向长叶片吸力面偏置的方案。


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