高比转数混流泵非定常流场压力脉动特性

　　为了研究高比转数混流泵内部流场的压力脉动情况，采用大涡模拟方法对泵内三维非定常湍流场进行数值模拟，通过对监测点数据的分析得到了叶轮进口、叶轮出口、导叶中间和导叶出口4 个截面的压力脉动的时域和频域情况，探讨了产生压力脉动的主要决定因素，同时也对不同流量下的压力脉动情况进行了对比. 研究表明: 这4 个截面的压力脉动幅值从轮毂到轮缘均逐渐增大; 叶轮进口截面压力脉动时域图规律性不明显，叶轮出口截面时域图在整个周期内呈现4个小周期，叶轮转动频率控制着叶轮进出口的压力脉动，且其影响随着流体远离叶轮而逐渐减弱; 在导叶中间截面和导叶出口截面，叶轮对流体压力脉动的影响逐渐减小，压力脉动以低频振动为主，脉动幅值也大为减小; 在不同流量下的压力脉动表现为小流量下幅值较大以及流量对主要频率影响较小，大流量工况下压力脉动情况要优于小流量工况.

　　众所周知，旋转叶轮与静止导叶的非定常时序干扰、偏离最优工况时叶片的出口回流、局部空化及气蚀等因素，都会导致混流泵内部流动出现不连续性，进而引起流场内液体压力随时间快速地脉动，即出现所谓的压力脉动现象. 压力脉动严重时会导致泵体振动加剧，同时还可引发进一步的局部空化，甚至在某些情况下会引起机器共振，产生危害. 因此，出于降低噪声和提高运动稳定性的需要，研究泵内部非定常流场压力脉动特性有着重要的意义.

　　国内外学者对压力脉动进行了相关研究. Solis等通过改变叶轮形状和径向尺寸，采用雷诺时均N - S 方程和SST k - w 两相湍流模型进行三维非定常湍流计算，以减小压力脉动对离心泵的影响.Berten 等通过CFD CFX10 技术和水下驻波试验，对多级离心泵内动静干扰引起的三维非定常湍流进行了计算，得出动静干扰诱发压力脉动的特点.刘阳等对离心泵压力脉动进行了全面阐述，总结了3 种不同的压力动. 施卫东等对轴流泵全流场进行三维非定常数值模拟和试验研究，得到轴流泵在不同工况和不同导叶数时内部流场的压力脉动特性. 但对于高比转数混流泵内压力脉动情况还缺少相关研究.

　　文中在三维定常湍流计算的基础上，对模型泵进行全流道三维非定常大涡湍流模拟，从而预测叶轮进口、叶轮出口、导叶中间和导叶出口4 个截面的压力脉动，并利用FFT 变换对各个计算点的压力数据进行分析，探讨混流泵全流道内压力脉动产生的主要决定因素等，同时对不同流量下的压力脉动进行对比，为了解混流泵的内部流动提供重要理论依据.

　　1、模型基本参数及计算区域

　　1.1、基本参数

　　高比转数混流泵模型泵设计参数: 流量Q =1 300 m3 /h; 扬程H = 6 m; 转速n = 1 450 r /min; 比转数ns = 830.文中进行数值模拟的模型泵的叶轮、导叶叶片数组合型式为4 + 7( 叶轮+ 导叶) .

　　1.2、计算区域

　　图1 为模型泵的计算区域. 进行数值模拟计算时，把模型泵划分为4 个计算区域，即喇叭管、叶轮、导叶、弯管部分.

图1 模型泵的计算区域

　　结论

　　1) 大涡模拟流动理论准确地预测了混流泵的外特性. 计算结果与试验结果较吻合，这说明大涡模拟计算方法具有较高的精度，对研究压力脉动具有可行性.

　　2) 叶轮进口、叶轮出口、导叶中间和导叶出口4 个截面的压力脉动幅值从轮毂到轮缘都是增大的，且轮缘处的幅值是轮毂处的2 倍以上. 因此，对叶轮轮缘等相关结构参数进行优化，是改善混流泵内压力脉动特性的重要途径.

　　3) 在叶轮流道区域，压力脉动主要是由叶轮转动频率决定，压力脉动的周期与叶轮的叶片数相关，导叶叶片数对其无明显影响. 随着流体不断远离叶轮，叶轮对压力脉动的影响逐渐减小. 这说明叶轮进口处是影响整机运行稳定性的关键，在混流泵的设计中应予以重视.

　　4) 偏离设计工况时，压力脉动明显增大，且小流量工况下增幅大于大流量工况. 因此，混流泵应尽量避免在偏离设计工况下运行.