關于水泵進口流場均勻裝置的研究

劉海建，徐　俊，周福昌，蘇勝利，姚伍平（武漢第二船舶設計研究所，湖北　武漢 430064）

關于水泵進口流場均勻裝置的研究

劉海建，徐俊，周福昌，蘇勝利，姚伍平
（武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430064）

針對水泵進口流場的不均勻性，設計 3 種流場均勻裝置。數值仿真和試驗研究表明，矩形格柵式的流阻系數是導流體式和同心圓式均勻裝置的 3 倍以上，截面軸向速度角是影響流場均勻性最主要的因素，3 種流場裝置均能夠明顯增加進口截面的軸向速度角。導流體 1D 在進流狀態較差時，能夠有效的降低水泵出口葉頻線譜，且在水泵進流狀態較好時無明顯惡化進流流場現象，具有較廣的適用范圍。

均勻度；振動；彎頭

0　引　言

一般來說大型船舶的機艙等艙室內部空間有限，使得系統管路沒有足夠的空間布置，系統管路走向會直接影響設備的進流狀況，進而會導致設備的振動加劇［1 - 2］，長期如此會縮短設備的使用壽命。限于艙室的空間大小，通過增加水泵進口直管段的長度，以及增大水泵進口彎頭半徑來優化進流狀態是不現實的。

針對水泵進口流場惡化導致的振動加劇問題，通常有優化進口流道和添加流場均勻設備等辦法。有很多文獻對泵站的進口流道造型曲線［3］開展了研究，合理的型線設計可以提高水泵進口流場的均勻度，防止水泵發生氣蝕。有部分研究在彎頭內部轉彎半徑方向添加導流葉片［4］，用于引導流體通過彎頭時的流場，減弱漩渦區域范圍和強度，抑制脫落渦的生成。

對于流場均勻性的評價，相關的研究主要集中在水洞和風洞設計上，對于流場品質的考察主要體現在流速不均勻度、流場平均速度角、壓力不均勻度等方面［3 - 5］。陸林廣［6 - 9］在研究水泵進口流道造型時，提出了進口流道優化設計的目標函數，主要包括流速分布均勻度和水流入泵平均角度。我國航空領域對于對風洞的品質有更為嚴格的要求，GJB 1179A-2012《低速風洞和高速風洞流場品質要求》［10］中明確規定了高低速風洞的湍流度［11］、軸向靜壓梯度、動壓穩定性等性能參數值范圍。

本文選取水泵進口段彎頭流場作為研究對象，設計了 3 種流場均勻裝置安裝于水泵進口管段，分別對其開展數值仿真計算和試驗研究，獲取不同流場均勻裝置的流阻系統、速度場、方向場的分布，并對安裝不同流場均勻裝置后水泵的振動及噪聲進行分析。

1　流場均勻裝置模型

本文的主要研究對象為安裝在水泵進口位置管道內的流場均勻裝置，其工作介質為水，主要用于改善泵入口流場，進而降低泵的振動及輻射噪聲。流場均勻裝置的初始設計方案分別對應矩形格柵、導流錐體、同心圓 3 種方案，長度分別為 0.5、1 倍的管道通徑 d。

圖 1　流場均勻裝置Fig. 1　The rectifer of flow field

2　數值仿真計算

2.1數值計算模型

為了真實模擬水流通過水泵前彎頭的流場紊亂狀況，按照實際水泵管路布置進行建模，計算管道模型三維布置如圖 2 所示。本文重點關注水泵進口流場的均勻效果，只針對進口管路裝置進行數值模擬，不考慮閥門開啟狀態。其中泵進口彎頭半徑為 1D，進口遠端彎頭半徑為 2D，在均勻裝置出口位置段上即水泵進口位置處設置監控點 M、出口評價平面 S2和進口評價平面 S1，平面 S1和 S2離進出口距離均為 0.5 m。

為了降低不同的網格結構尺度對數值計算結果的影響，對管道模型不同段進行分區處理，將數值計算模型劃分如圖 2 所示，其中 A、C 部分為圓管段，采用結構化網格；B 區為流場均勻化裝置段，考慮到均勻化裝置格柵的微小結構，采用非結構化網格進行計算，在其壁面添加附面層進行加密。在進行不同均勻化裝置及不同閥門開度模型計算時，只需更換 B 區網格，所有模型數值計算時采用相同的拓撲結構和網格，網格量統計如表 1 所示。

圖 2　數值計算模型及網格Fig. 2　The geometry of the rectifer and the gird

表 1　不同均勻化裝置模型對應的網格量Tab. 1　The grids number of the different rectfiers

采用 Fluent 商用軟件作為數值計算求解器，利用interface 作為不同塊之間的交界面進行數據傳遞和處理。進口邊界條件給定為流量，進口速度方向給定為normal to boundary，軟件根據實際計算情況自動調節進口速度方向；出口給定大氣壓。采用標準 k-ε 兩方程湍流模型和 SIMPLE 算法，近壁面處理采用標準的壁面函數，其他給定為壁面邊界條件。壓力采用二階離散，動量方程、k 方程、ε 方程均采用二階迎風格式進行離散，保證計算精度。詳細的數值模擬工況如表 2所示，對應水泵不同的轉速工況，共 6 × 7 = 42 組計算文件。

表 2　數值模擬工況表Tab. 2　The conditions of numerical simulation

在數值計算中分別對出口平面的面積加權平均速度進行了監控，同時對出口段內點 M 的壓力和速度進行了監控。以直管，流量為 250 t/h 為基礎算例，它的Fluent 數值計算殘差收斂曲線以及 M 點壓力速度監控曲線如圖 3 所示。通過殘差收斂曲線以及監控點的壓力速度曲線可以得到，在數值計算進行到 1 500 步以后各分量殘差以及監控點的壓力速度均保持不變，監控點的表壓保持在 89.5 Pa，速度保持在 2.17 m/s，視為數值計算結果收斂，其它算例保持相同的設置，收斂情況相同。

2.2流場均勻裝置水力特性

將流場均勻化裝置安裝在管道中，會增加流道的阻力。評價均勻化裝置的水力性能用阻力系數 λ 來表示，其定義如下式：

式中：ΔPt，ΔPg，ΔPi分別為計算模型總壓差、管路總壓差，及均勻流裝置總壓差；0.5 pU2為通道截面平均動壓。在模型計算阻力系數時選取 S1、S2截面做對比參考，并減去相同流量下直管的管道阻力損失，即為流場均勻裝置的流阻，參考式（2）。

圖 3　數值計算收斂曲線Fig. 3　The convergence curves of numerical simulation

圖 4　流場均勻裝置阻力系數與流量關系圖Fig. 4　The relationship between the flow rate with the resistance coefficent for different rectfiers

圖 4 給出了不同流場均勻裝置阻力系數與流量的關系圖。可以看出，隨著流量的增加（流速的增大），均勻裝置的阻力系數逐漸降低。同心圓 0.5D 的阻力系數在所有工況下最小，網格 1D 最大。計算流場均勻裝置各工況下平均阻力系數，同心圓 0.5D 的阻力系數約為網格 1D 阻力系數的 13%。流場均勻裝置流阻系數由大到小排序為：網格 1D＞網格 0.5D＞導流體 1D＞同心圓 1D＞導流體 0.5D＞同心圓 0.5D。流場均勻裝置網格 0.5D 和網格 1D 的阻力系數至少為其它流場均勻裝置的 3.4 倍。

2.3流場不均勻性分析

參考水洞、風洞等文獻及標準對流場品質的要求，本文主要選取速度場、壓力場進行流場均勻性分析，分別對應軸向速度不均勻度、平均軸向速度角、壓力不均勻度。

1）軸向速度不均勻度

定義軸向速度不均勻系數

式中：Q 為截面流量；u 為截面上各網格單元 dA 上的軸向速度；為截面的平均速度，ξu為截面的速度不均勻系數。

圖 5 給出了 S1和 S2截面的軸向速度不均勻系數與流量關系，通過對比分析可知：1）所有的流場均勻裝置幾乎具有相同的進口軸向速度分布；2）出口截面 S2流場不均勻系數排序分別為導流體 1D＞導流體 0.5D＞同心圓 1D＞同心圓 0.5D＞網格 0.5D＞網格 1D＞直管。

圖 5　均勻裝置的軸向速度不均勻系數與流量關系Fig. 5　The relationship between the flow rate with the uniformity of the axial velocity for different rectfiers

圖 6 選出部分流場均勻裝置進出口速度分布云圖，對應泵的流量為 250 t/h。選取截面分別位于距離流場均勻裝置進口 0.5D，距離均勻裝置出口 0.5D，1D，1.5D，2D，2.5D。在沒有布置流場均勻裝置的情況下，靠近彎頭內壁出的速度較小，靠近彎頭外側的速度較大，形成了流場高低速分布的差異性，經過3倍通徑長度的直管段整流，截面的流速分布均勻性仍然較差。

圖 6　均勻裝置進出口的速度分布云圖Fig. 6　The colormap of velocity at the inlet and outlet of rectfiers

在添加了流場均勻裝置以后，對于流場均勻裝置進口速度分布幾乎沒有影響，主要的差異體現在經過流場均勻裝置以后速度場的分布。

對于網格式的流場均勻裝置，其將流道劃分為多個蜂窩型的狹長流道，最大程度上破壞了原有渦系結構，經過狹長流道的整流作用，在到達流道出口位置時內部整流已經初步達到均勻。在出口位置由于流道截面積的增加，不同細小流道之間的流場二次混合，且出口流速較高；后經過直管段的整流作用，不同網格流道間的差異性逐漸減小。

導流體 1D 分別從周向和徑向將流道劃分為幾個區間，流體在進入均勻裝置以后，軸向上流道由窄逐漸變寬，在流出均勻裝置的過程中流動損失要小于網格1D，出口流場經過直管段的整流后，原有速度場在徑向上的分布要優于網格 1D。

流場均勻裝置同心圓 1D 在徑向上劃分為 2 部分，均勻裝置的中心部分為圓柱，流體通過同心圓 1D 以后在徑向上明顯被劃分為 3 部分，且 3 部分通過 3 倍通徑長度的直管段整流后分層現象仍然明顯，尤其是對于低流速分布的整流效果較差。

圖 7　軸向速度角定義Fig. 7　The definition of the axial velocity angle

2）軸向速度角分析

對截面軸向速度角以及截面平均速度角定義如下：

式中：Ai為截面單元微元面積；θi為截面上各網格單元 dA 上的軸向速度，為截面的平均速度角。

圖 8 給出了軸向速度角與流量的關系圖。對比不同狀態下均勻裝置的軸向速度角分布可以得出：

1）安裝不同的流場均勻裝置后，進口 S1平面的軸向速度角幾乎保持不變，且隨著流速的增加，平均速度角微弱增加；

2）隨著流量/流速的增加，流場均勻裝置后的 S2截面平均軸向速度角微降；對比直管段，流場均勻裝置都能夠明顯的改善流體軸向速度角，各流場均勻裝置間差距較小，最大相差只有 0.8°，水流經流場均勻裝置整流以后至少提高了 2.5°，流場均勻能夠顯著提高平均速度角；

3）軸向速度角總體變化規律為：網格 0.5D＞同心圓 1D＞網格 1D＞導流體 1D＞同心圓 0.5D＞導流體0.5D＞直管。

3）壓力場不均勻度分析

圖 8　均勻裝置的軸向速度角度與流量關系Fig. 8　The relaiton between the axial velocity angle with the flow coefficent

定義截面壓力不均勻系數為：

式中：S 為截面面積；p 為截面上各網格單元 dA 上的平均壓力；為截面的平均壓力。

圖 9 給出了流量與 S1及 S2截面壓力不均勻系數與流量的關系。通過對比可知：

1）對于所有的流量工況，S1截面的壓力不均勻度都小于 1‰，不同流場均勻裝置的進口狀態相同，差異極小；

圖 9　均勻裝置的壓力不均勻系數與流量關系Fig. 9　The relaiton between the pressure uniformity with the flow coefficent

2）隨著流量的增加（流速增加），S2截面的流場不均勻系數逐漸加大；

3）當不添加流場均勻裝置時，其直管段 S2截面的流場不均勻系數最大，所有的流場均勻裝置都能夠有效提高壓力均勻分布；

4）對比不同均勻裝置 S2的，流場均勻裝置的壓力均勻效果排序為：網格 0.5D＞網格 1D＞同心圓 1D＞同心圓 0.5D＞導流體 1D＞導流體 0.5D＞直管。

3　試驗測試及結果分析

本文選取大型船舶的水泵附近管路作為研究對象，搭建試驗臺架，通過變化進口閥門開度獲得不同均勻性的進口流場，用于測試流場均勻裝置在不同進流條件下的均勻效果，選取水泵出口端葉頻線譜值作為最終評價參數。

3.1試驗臺架組成

流場均勻裝置的試驗臺架如圖 10 所示，主要由水泵、截止止回閥、進口閥、測試段、流場均勻裝置、進口彎頭組成；其中流場均勻裝置安裝于水泵進口位置，測試管段位于水泵出口下游，通過調整進口閥開度實現對進流條件的控制。測試針對不同流場均勻裝置，分別對應水泵轉速 1（高轉速）、轉速 2（低轉速）兩個轉速狀態，對應進口閥 90，60，30°三個開度狀態。

圖 10　流場均勻裝置測試布置圖Fig. 10　The test rig of the rectfier

3.2試驗測點和工況

試驗為流場均勻裝置測試，每次測試時分別測試3 個進口閥門開度。固定泵進口彎頭為 1D 彎頭，保持其他管路安裝狀態不變，更換流場均勻裝置進行測試。測試工況如表 3 所示。

3.3測試結果分析

圖 11 給出了泵在轉速 1 時，測試段對應的不同流場均勻裝置流噪聲測試結果。由圖可知：

表 3　流場均勻裝置測試工況表Tab. 3　The condition of experiments

圖 11　泵轉速葉頻值分布直方圖（轉速 1）Fig. 11　The BPF noise of the pump（No. 1）

1）在進口閥門開度為 90°狀態下，此時泵的進流狀態較好，直管對應的葉頻線譜均小于其它流場均勻裝置。導流體 0.5D 和同心圓 0.5D 葉頻線譜值最大，比直管高約 2.1 dB；導流體 1D 對比于直管，增加值約為 1.2 dB，同心圓 1D 增加為 1.5 dB；

2）當進口閥門開度為 60°時，此時泵的進流狀態相比于閥門開度為 90°出現了一定惡化，測試得到的直管對應葉頻線譜值最高，所有的流場均勻裝置對降低葉頻線譜都開始體現出一定的效果；其中導流體 1D的葉頻線譜最小效果最佳，比直管段減低了 1.9 dB；網格 1D 降低了 1.3 dB；

3）當進口閥開度為 30°時，此時泵的進流狀態急劇惡化，所有流場均勻裝置都有較好的降噪效果，至少有 5 dB 的降噪效果，其中同心圓 1D 的降低效果最明顯，達到了 7.6 dB。

圖 12 給出了泵在轉速 2 時，測試段對應的不同流場均勻裝置流噪聲測試結果。由圖可知：

1）當進口閥開度為 90°時，此時泵的進流狀態較好，導流體 1D 降低泵葉頻線譜值最佳，達到了 3 dB；同心圓 0.5D 也有 0.8 dB 的葉頻降低效果；其他的流場均勻裝置的葉頻線譜值均大于直管段；

2）當進口閥開度為 60°時，此時泵的進流狀態相比于閥門開度 90°出現一定的惡化，網格 1D 和導流體1D 顯示出了比較明顯的降噪效果，其中在進口閥60°時分別降低約 1.8 dB 和 3.1 dB；

3）當進口閥開度為 30°時，導流體 1D 的降低效果最明顯，約為 1.8 dB。

圖 12　泵轉速葉頻值分布直方圖（轉速 2）Fig. 12　The BPF noise of the pump（No. 2）

縱向對比圖 11 和 圖 12 水泵在相同進口閥門開度、不同轉速下對應的出口葉頻線譜可以得出：

1）流場均勻裝置的葉頻降低效果與流速、泵進流狀態密切相關；

2）當泵轉速較高、進流狀態較好時，流場均勻裝置并不能夠很好的降低泵出口葉頻線譜；

3）當泵進流狀態惡化時（進口閥門開度 30°），流場均勻裝置能夠有效的降低葉頻線譜值。

綜上分析可以得出：

1）當泵轉速較高進流狀態較好時，流場均勻裝置會小幅度的增加泵出口葉頻線譜；當進流狀態開始惡化時，流場均勻裝置開始顯示一定的降噪效果；當進流狀態大幅度惡化，流場均勻裝置可以大幅降低泵葉頻線譜，最低的降噪效果有 5.5 dB。

2）當泵轉速較低時，在不同的閥門開度小，部分流場均勻裝置能夠有效的降低泵出口葉頻線譜，其中導流體 1D 能夠適應不同的泵進流狀態，在所有的閥門開度下都有較大的降低效果。

4　結　語

本文對不同流場均勻裝置對降低水泵出口葉頻效果開展了研究，對針對 3 型 6 個流場均勻裝置進行了詳細數值計算，通過對比出口葉頻水聲線譜及流場均勻性評估參數，結論如下：

1）網格 1D 和網格 0.5D 均流裝置的流阻系數至少是設計方案的 3 倍，遠大于其它均流裝置。進口截面軸向平均速度角是影響水泵進流狀態最關鍵的參數，在不考慮網格 0.5D 和網格 1D 的情況下，同心圓 1D、導流體 1D、同心圓 0.5D、導流體 0.5D 都具有相當的一定流場均勻效果。根據壓力不均勻度和軸系速度不均勻度分布可知，各流場均勻裝置與直管之間差異極小，這 2 個參數對泵進進流狀態影響有限。

2）導流體 1D 對比直管以及其他流場均勻裝置，能夠適應較寬水泵轉速及進流狀態。泵在高轉速運轉時，進口閥門開度為 30°時導流體 1D 降噪效果能夠達到 5.7 dB；當進流狀態較好且泵位于高轉速時，進口閥開度為 90°時，雖然沒能夠降低葉頻線譜，但其使得增加值只有 1.2 dB，具有較廣的使用范圍。

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The analysis of the flow uniformity at the inlet of pump

LIU Hai-jian，XU Jun，ZHOU Fu-chang，SU Sheng-li，YAO Wu-ping
（Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China）

In order to improve the uniformity of the flow field at the inlet of pump，three rectifiers have been devised and testedin this paper. The result of numerical simulation and experiment show that the flow resistance coefficient of rectangle grid rectifier is triple larger than other rectifiers，and the axial average flow angle is the most importantparameter to decide the uniformity of the flow field，andthe axial flow angle of all rectifiers has been increase in 2.5° at least. The rectifier of guide body 1D has the minimum side effect when the inflow's uniformity is fine；it has extensive scope of application.

uniformity；vibration；elbow

U664.138+1

A

1672 - 7619（2016）08 - 0079 - 07

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.017

2016 - 05 - 13；

2016 - 06 - 02

劉海建（1984 - ），男，工程師，研究方向為葉輪機械振動噪聲。