多级离心泵整机流场三维非稳态湍流压力脉动特性分析

　　为了探究离心泵内部非稳态流动引起的压力脉动现象及其特性，以某型多级离心泵为对象，建立了流场三维有限元网格.采用Fluent仿真技术，选用RNGk-ε湍流模型对离心泵流场进行非稳态数值计算，通过设置监测点，得到了不同位置处在每个时间步长下的压力值.运用FFT方法，对叶轮及蜗壳等主要流道监测点的压力脉动进行频谱分析，结果表明叶轮和蜗壳内的压力脉动主要集中在叶频及其倍频处，并且叶轮与蜗壳之间动静干涉对压力脉动有较大的影响.

　　离心泵在船舶与海洋工程中具有广泛的应用，提高其设计效率、降低其运行振动和噪声，对绿色船舶设计具有很大的现实意义.

　　流体激励力是离心泵主要振源之一，研究其对机脚振动影响变得尤为重要，从离心泵流体诱导振动入手，已经对流体产生的振动进行了一定研究.非稳态压力脉动的研究，主要有实验和数值模拟2种方法.

　　上述研究有助于理解泵内叶轮和蜗壳、导叶等静止部件的相互作用，比较准确地计算和预测了动静干扰引起的压力脉动的频率和振幅等特性.多级离心泵因为结构复杂，还未见对其非稳态湍流压力脉动特性的数值研究.因此本文针对多级离心泵中的压力脉动问题，利用RNGk-ε湍流模型和滑移网格方法对某型多级离心泵进行设计工况下整机三维非稳态湍流数值计算，并利用FFT方法对计算结果进行频谱分析.通过在不同位置设置监测点监测压力脉动，以揭示离心泵内的压力脉动特性，分析流激振动的来源，为解决泵的振动问题提供依据.

1、计算区域及方法

1.1、计算区域及网络

　　设计工况下，泵的运行参数为:流量24m3/h，出口压力0.46MPa，转速1460r/min.3级叶轮叶片数依次为10、6、6.计算区域为包括吸水室，3级叶轮和蜗壳，压水室的全部流道.考虑到计算区域的复杂性，文中首先利用Proe对多级离心泵进行三维实体建模，然后将实体模型导入HyperMesh中进行布尔运算，得到多级离心泵的整机实体模型如图1所示.

图1 整机实体模型

　　泵内流道非常复杂，因此采用适应性非常强的四面体非结构化网格.叶轮的几何形状及其中的流体流动非常复杂，而且是运动部件，因此叶轮叶片表面需要做较细致的网格划分.网格数对数值计算结果的准确性和所要求的计算资源影响非常大，因此选择出口压力进行网格灵敏度分析.

　　图2为网格数变化对出口压力预测的影响.从中可以发现，当网格数为2011334(图中虚线所示)时，出口压力预测结果准确，并且计算用时比较合理，因此选择这个网格数进行数值计算.计算网格模型如图3所示.

图2 网格数对出口压力预测的影响

图3 计算网格模型

1.2、计算方法

　　首先对泵整机流场进行稳态数值计算，在相同条件下，将稳态数值计算的结果作为非稳态计算的初始值.在每一级叶轮和蜗壳间分别形成滑移网格的条件，计算叶轮和蜗壳的相互干涉，得到整机内的非稳态流动特征.

　　非稳态计算采用全隐式时间格式，选择RNGk-ε湍流模型，壁面上取无滑移边界条件，用标准壁面函数处理.采用SIMPLEC算法求解压力速度耦合方程组，控制方程对流项的离散采用二阶迎风格式，扩散项、源项的离散采用二阶中心差分格式.代数求解采用亚松弛迭代，频域采用快速傅里叶变换.泵的进口处采用速度进口边界条件，假定进口处速度均匀并垂直于进口断面，给定速度初值;泵出口处满足充分发展的假定，采用压力出口边界条件，认为出口静压值不变.

　　数值计算得到各个监测点在每个时间步长下的压力值，将这些压力值进行快速傅里叶变换(FFT)后得到压力脉动的频域特性.

结论

　　文中对某型多级离心泵整机流场进行了设计工况下的三维非稳态数值计算，得到了各级叶轮流道和隔舌区的压力脉动特性，揭示了多级离心泵内重要的非稳态特征.

　　1)在叶轮流道内，不同半径处压力脉动频率和幅值分布不同.不同结构形式的叶轮压力脉动频率和幅值分布也不同.上下游不同过流元件对叶轮流道内的压力脉动分布也有影响.

　　2)叶轮和蜗壳的动静干涉对流体造成不稳定流动，产生了较大的压力脉动，压力脉动的主要频率为叶频及其倍频.

　　3)通过不同测点压力脉动的频谱特征，分析出多级离心泵内压力脉动的振源所在，以便根据频谱的分布特点合理选择多级离心泵的叶轮形式及叶片数、转速等参数，合理设计泵的主要部件的固有模态，这对与振动噪声相关的性能改进具有很大的指导意义.