雙吸離心泵隔舌區(qū)壓力脈動(dòng)特性分析

1、2008年6月農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)第39卷第6期雙吸離心泵隔舌區(qū)壓力脈動(dòng)特性分析3叢國輝王福軍【摘要】雙吸離心泵內(nèi)部的湍流壓力脈動(dòng)是引起機(jī)組振動(dòng)及噪聲的主要原因,這一現(xiàn)象在隔舌區(qū)尤為嚴(yán)重。采用大渦模擬方法(LES)和滑移網(wǎng)格技術(shù),對(duì)雙吸離心泵進(jìn)行了不同工況下三維非定常湍流數(shù)值模擬,得到了水泵內(nèi)部流場特性及隔舌區(qū)計(jì)算點(diǎn)的壓力脈動(dòng)情況,并對(duì)其進(jìn)行了頻域分析。結(jié)果表明,葉片通過頻率在脈動(dòng)頻域中占主導(dǎo)地位,而在小流量工況下,低于1;壓力脈動(dòng)幅值隨著流量偏離設(shè)計(jì)工況的程度而變化,在流量為0162、01801120設(shè)計(jì)工況分別增大219%、105%和205%。關(guān)鍵詞:雙吸泵壓力脈動(dòng)隔舌大渦模擬中圖分類號(hào):TH31

2、1:AofUnsteadyPressureFluctuationsTongueinaDouble2suctionCentrifugalPumpCongGuohuiWangFujun(ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)AbstractThepressurefluctuationofturbulentflow,especiallynearthevolutetongueinadouble2suctioncentrifugalpump,istheprimaryreasonofpumpvibrationandnoise.Thisunstead

3、yflowfeaturewasinvestigatedbylargeeddysimulation(LES)methodwithslidingmeshtechnology.Theresultsshowedthatthebladepassingfrequencydominatedthepressurefluctuationsnearthevolutetongueatthedesignandlargeflowratecondition.Atthesmallflowratecondition,thefrequencywhichwaslowerthanthebladepassingfrequencybe

4、camedominativeinthepressurefluctuations.Theamplitudeofthepressurefluctuationbecamehigherwhentheflowratewasfarerfromthedesignflowrate.Atthe62%,80%and120%ofdesignflowrateconditions,thepressurefluctuationamplitudeswererespectively219%,105%and205%largerthantheamplitudeatdesignflowrate.KeywordsDouble2suc

5、tioncentrifugalpump,Pressurefluctuation,Volutetongue,LES引言試驗(yàn)研究表明,雙吸離心泵內(nèi)部流動(dòng)為復(fù)雜的三維非定常湍流,常伴有流動(dòng)分離、空化、水力振動(dòng)等影響離心泵穩(wěn)定運(yùn)行特性的現(xiàn)象。而旋轉(zhuǎn)葉片和靜止部件互相干擾所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng),則是影響雙吸泵運(yùn)行特性的重要因素,會(huì)引起系統(tǒng)及設(shè)備的振動(dòng)及噪聲,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞系統(tǒng)設(shè)備,這一現(xiàn)象在雙吸泵隔舌區(qū)表現(xiàn)尤為嚴(yán)重12。目前,對(duì)于離心泵內(nèi)部流場壓力脈動(dòng)的研究主要集中在試驗(yàn)方面,Gonzalez3和Chu4等人通過測量離心泵蝸殼體壁面的脈動(dòng)壓力及泵體振動(dòng)、噪聲等,指出葉輪與隔舌的相互作用而產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)與振動(dòng)

6、密切相關(guān),隔舌引起的壓力脈動(dòng)沿圓周方向傳播。但是以試驗(yàn)方法研究雙吸泵內(nèi)部流動(dòng)花費(fèi)大、周期長且具有滯后性,隨著計(jì)算流體力學(xué)的迅速收稿日期:20072042023國家“十一五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2006BAD11B07)、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):NCET20420133)和北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):3071002)叢國輝中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院博士生,100083北京市王福軍中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院教授博士生導(dǎo)師© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing H

7、ouse. All rights reserved. 第6期叢國輝等:雙吸離心泵隔舌區(qū)壓力脈動(dòng)特性分析61發(fā)展,流動(dòng)數(shù)值模擬具有研究周期短和超前性等特點(diǎn),在水力機(jī)械內(nèi)部三維湍流的數(shù)值模擬得到廣泛應(yīng)用。目前,離心泵內(nèi)部湍流數(shù)值模擬廣泛采用的是雷諾時(shí)均(RANS)法5,但對(duì)于非定常問題,時(shí)間平均的雷諾方程和湍流模型在理論上存在缺陷,而大渦模擬方法(LES)則在求解水力機(jī)械流場的非定常壓力脈動(dòng)方面被證明具有特殊的優(yōu)勢(shì)6。Byskov等人7對(duì)離心泵葉輪內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了大渦模擬,并與雷諾時(shí)均方法的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,認(rèn)為大渦模擬更能體現(xiàn)離心葉輪內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象;Nagahara等人8采用大渦模擬

8、對(duì)多級(jí)離心泵全部過流部件的內(nèi)部流場及壓力脈動(dòng)情況進(jìn)行了數(shù)值研究,可見,數(shù)值模擬,工程實(shí)際意義。,對(duì)整個(gè)雙吸離心泵在不同工況下的內(nèi)部流場進(jìn)行非定常數(shù)值模擬,將泵的外特性的計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較,對(duì)壓水室隔舌附近流體的流動(dòng)特性與壓力脈動(dòng)情況進(jìn)行重點(diǎn)分析。011,其被證明適合大多數(shù)流動(dòng)情況6。采用有限體積法對(duì)瞬態(tài)控制方程進(jìn)行離散,非耦合隱式方案進(jìn)行求解,對(duì)流項(xiàng)離散采用二階迎風(fēng)格式,壓力項(xiàng)離散采用對(duì)高雷諾數(shù)的高速強(qiáng)旋流更有效的PRESTO差分格式10。壓力和速度的耦合求解采用適于非定常計(jì)算的PISO算法11。進(jìn)口邊界取在泵進(jìn)口法蘭處,指定為速度進(jìn)口條件,其值通過流量和進(jìn)口過流面積確定。出口邊界取在泵出

9、口法蘭處,認(rèn)為泵內(nèi)流動(dòng)對(duì)于泵內(nèi)轉(zhuǎn)子,由于壁面網(wǎng),故假定靠近壁面網(wǎng)格單元。在泵內(nèi)流動(dòng)對(duì)稱面引入對(duì)稱面邊界條件。采用穩(wěn)態(tài)RANS計(jì)算結(jié)果作為此次非定常計(jì)算的初始流場,為足夠分辨內(nèi)部流場的非定常信息,時(shí)間步長取為1115×10-4s,每60個(gè)時(shí)間步為一葉片通過周期。本研究選擇泵的5個(gè)運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算,分別為Q/Qd=0162、0180、0193、1100和1120。在蝸殼壁面共設(shè)置了6個(gè)壓力計(jì)算的監(jiān)測點(diǎn),如圖2所示。1計(jì)算模型與方法選一臺(tái)雙吸離心泵,葉輪出口直徑D2=250mm,葉片數(shù)z=6,轉(zhuǎn)速n=1450r/min,設(shè)計(jì)流量3Qd=01485m/s,設(shè)計(jì)揚(yáng)程Hd=1416m。計(jì)算域包括

10、吸水室、葉輪和壓水室,由于雙吸泵結(jié)構(gòu)為左右對(duì)稱,故本文取對(duì)稱的一半為計(jì)算域進(jìn)行計(jì)算,從而在同樣計(jì)算資源條件下,可以獲得更高的計(jì)算精度。計(jì)算網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格,在葉片周圍,吸水室和壓水室的隔舌及壁面處,進(jìn)行了網(wǎng)格加密,網(wǎng)格總數(shù)為435493個(gè)網(wǎng)格單元。計(jì)算域及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。圖2監(jiān)測點(diǎn)位置設(shè)置Fig.2Pressuremonitoringlocations2結(jié)果分析211外特性預(yù)測計(jì)算得到泵的流量2揚(yáng)程及流量2效率曲線,如圖3及圖4所示,并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。其中,3揚(yáng)程系數(shù)=H/(n2D22),流量系數(shù)<=Q/(nD2)。圖1計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格Fig.1Computation

11、aldomainandunstructuredmesh圖3流量2揚(yáng)程曲線Fig.3Curvesofheadandflowrate湍流模型采用大渦模擬方法和Smagorinsky2Lilly亞格子尺度模型9,Smagorinsky常數(shù)Cs取由圖3、圖4中可以看出,預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 62農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)2008年則變化,沒有明顯的周期性,隨著流量的降低,最大脈動(dòng)幅值也相應(yīng)增大。圖4流量2效率曲線Fig.4Curvesofef

12、ficiencyandflowrate在趨勢(shì)上完全一致。其中,效率計(jì)算值在小流量工況下比試驗(yàn)值略低,在大流量時(shí)比試驗(yàn)值略高,但與試驗(yàn)值相比不超過3%;而揚(yáng)程計(jì)算值在小流量時(shí)略低于試驗(yàn)值,吻合較好?？梢?泵的外特性,212C12C4的壓力脈動(dòng)時(shí)域特性如圖5Cp=p/2(015u2),其中p為壓力及其平均值之差,為密66fluctuationsatondesignpoint度,u2為葉輪出口圓周速度?？梢钥闯?這3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)周期性明顯,C1和C2點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值較大,而C1點(diǎn)脈動(dòng)幅值的變化更加突然。通過快速傅里葉變換(FFT)后得到監(jiān)測點(diǎn)C1、C2和C4的壓力脈動(dòng)頻域圖(圖6)。由圖中可以

13、看出,離隔舌最遠(yuǎn)的監(jiān)測點(diǎn)C4的壓力脈動(dòng)幅值最小,而壓力脈動(dòng)幅值最大的則是離隔舌有一定距離的C2點(diǎn),離隔舌最近的C1點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值要比C2小。圖7不同工況下C1處的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖Fig.7PressurefluctuationsofC1atdifferentoperatingconditions圖8表示不同工況下,監(jiān)測點(diǎn)C1處的壓力脈動(dòng)頻域特性,其中葉片通過頻率fn=24117×6Hz?？梢钥闯?在設(shè)計(jì)工況下,壓力脈動(dòng)的頻率以泵的葉片通過頻率為主,且脈動(dòng)幅值相對(duì)較小;而泵一旦在偏離設(shè)計(jì)流量時(shí)運(yùn)行,脈動(dòng)幅值將會(huì)增大,且偏離越遠(yuǎn),幅值越大。在大流量工況下,壓力脈動(dòng)的頻率值仍以葉片通過頻率為主,在112倍設(shè)計(jì)流量工況下,圖5設(shè)計(jì)工況下不同監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖Fig.5Pressurefluctuationsatdifferentmonitoringlocationsondesignpoint圖7表示不同工況下,監(jiān)測點(diǎn)C1處的壓力脈動(dòng)時(shí)域特性?？梢钥闯?在設(shè)計(jì)工況下,C1處的壓力脈動(dòng)隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)呈周期性變化,最大脈動(dòng)幅值約為靜壓均值的3%左右;在大流量下,壓力脈動(dòng)的周期性依舊明顯,最大脈