離心泵內部不穩定流場壓力脈動特性分析

魏川，張楠

（唐山冀東水泥外加劑有限責任公司，河北 唐山 064000）

離心泵的運行是利用葉輪的高速旋轉而實現的，通過葉輪的高速旋轉來帶動葉片間的液體相應的轉動，在離心力的作用下將液體實現從葉輪中心向外緣拋出，并賦予能量。傳統的離心泵的設計一般采用的是一元理論和相似理論，通過模型換算法和速度系數法來進行設計。對于離心泵的性能參數而言其最終的確定還是通過以離心泵樣機的實驗來進行揚程和流量的設計，并在實踐的過程中發現，樣機實驗很容易帶來較大的誤差。隨著現代流體力學和相關流體分析軟件的不斷發展，數值模擬技術在離心泵設計中的效果越來越好。本文將圍繞著離心泵內部不穩定流場壓力脈動特性，結合流體力學和相關流體分析軟件來進行分析與研究。

1 壓力脈動

理論研究表明，旋轉葉片與靜止的蝸殼之間的相對運用，及偏離最優工況時候吸水室水流圓周運動，局部空氣及二次流等相關因素都會導致壓力脈動的產生。壓力脈動的產生往往會導致離心泵設備出現振動及噪聲，并且嚴重的時候往往還會對系統設備帶來較為嚴重的影響?；诖?，為了提高離心泵運行的穩定性，我們就需要對壓力脈動特性進行著重的分析和研究。對泵內非穩定流場的壓力脈動特性而言，在上文中已經對其計算方法進行了相應的論述。在本文的研究和論述中，將以低比轉數標準作為研究方法，通過運用相關計算方法來對不同工況下的壓力脈動特性進行分析和論述。

2 研究意義

為了研究離心泵內非定常流動引起的壓力脈動現象及其特點，建立了某型離心泵流場的三維有限元網格。采用Fluent仿真技術和RNGk-ε湍流模型，通過設置監測點，利用泵的流場計算非定常狀態，得到每個時間段的壓力。

我們通過利用FFT方法的葉輪和蝸殼檢測而言，從目前檢測研究中，我們可以大致了解到，葉輪與蝸殼的內部壓力脈動主要集中在葉頻及倍頻，此外，葉輪與蝸殼之間的相對動靜關系也會對壓力脈動產生較大的影響。對于目前的離心泵應用而言，隨著其應用越來越廣泛，對其設計效率的提升也越來越重要，通過對振動和噪聲的降低能夠有效的實現離心泵的高效利用，對于推動離心泵發展而言有著十分重要的意義。對于流體的振動而言，在目前的離心泵振動源之中是比較嚴重的源頭之一，振動對于機體的影響十分的嚴重，因此，我們需要對流體引起的振動進行重視，并盡可能的對流體振動流量因素進行論述和研究。

3 計算區域及方法

3.1 計算區域和網絡

設計條件下，水泵運行參數：流量24m3/h，出口壓力0．46MPa，轉速1460r/min。葉輪葉片依次為10，6，6。計算區域包括吸入室、三葉輪和蝸殼，水壓室的整個流程。根據計算面積的復雜程度，本文首先使用Proe對離心泵進行三維實體建模，然后將實體模型HyperMesh布爾運算來獲得離心泵機實體模型。

3.2 計算方法

對于離心泵而言，穩定的數值計算能夠確保離心泵的運行能夠更加流暢。在一般情況下，穩態數值的計算結果一般認定為非定常計算的初值，并且在葉輪與蝸殼之間會分別形成一定的網格，為了對葉輪與蝸殼之間的干擾問題進行計算，在這里我們引入非穩態數值計算來對相應的問題進行處理。對于非穩態數值計算的解釋，在美技術科學周刊中對其解釋如下：在二階迎風格式中，利用二階中心差分格式離散擴散項和源項，利用代數解中的次松弛迭代法，利用頻域中的快速傅立葉變換。泵進口采用速度入口邊界條件，與進口截面均勻且垂直，給出了速度的初始值。出口滿足發展假設，即出口邊界的壓力和出口處的靜壓。

數值計算每個時間步長的每個監測點的壓力值，并在對這些壓力值進行快速傅立葉變換（FFT）之后獲得壓力脈動的頻率域特性。

4 數據預測結果分析

4.1 特性數值計算結果

通過相應的計算和實驗得到流量揚程及流量曲線。其中各工況點的計算值是以某一葉片在一旋轉周期均勻索取的四個時刻的數據作為平均點。RNGk-＆方法能夠較為準確的將離心泵的外特性進行預測，計算的數值與實驗的結果相對趨向一致。不同工況的效率預測誤差也不超過百分之五。此外，其他各工況的揚程和效果相對誤差也比較穩定。

4.2 壓力脈動結果分析

不同工況之下，隔舌處的壓力脈動使用特征，表現為波動特點，能夠快速通過傅里葉變化來得到相應的頻域特性。此外，隔舌處的壓力脈動隨著葉輪的旋轉也會呈現出周期性的變化趨勢，也就是，每當葉輪葉片經過隔舌處的時候，必然會產生旋轉葉片與靜止蝸殼之間的干擾，而在偏流量的工況下時，周期性依然表現的很明顯?？偟膩碚f，不同工況下的壓力脈動頻率以葉頻-291．6Hz為主。設計流量的脈動幅值相對較少，而離心泵一旦偏離設計流量運行的時候，就會導致脈動幅值增加。與起初的設計工況隔舌相比較，壓力脈動特性，其主頻率相對同步，但是振幅明顯小于隔舌部分，這一現象明顯表明了隔舌處的強壓力脈動是導致泵振動及噪聲的主要因素，同時也是影響機組穩定性的重要因素。在實驗過程中發現，當壓力脈動向上游進行傳遞的時候，能量會呈現出逐漸減少的特點。

此外，蝸殼出口的兩側的壓力脈動的主頻與幅值相對保持一致，這也足以說明葉輪和隔舌在相互作用的情況下所產生的壓力脈動會隨著流體的運動向下游進行傳遞，其中能量成本基本會保持一致。而在向下游的傳遞過程中，壓力脈動的變化將開始逐漸的平穩，幅值會大幅的衰弱，這時候的壓力脈動頻率就會穩定在一個較好的水平階段之上。

本研究總結相關特性如下。

（1）不同半徑葉輪處壓力脈動的頻率和振幅分布不同，葉輪在不同結構下的壓力脈動頻率和振幅分布也不同，且上下游過流分量對葉輪內的壓力脈動分布不同。

（2）葉輪和蝸殼的靜動力干擾導致流體流動不穩定，造成壓力脈動較大。壓力脈動的主要頻率是葉片頻率及其乘數。

（3）根據不同測點壓力脈動的頻譜特征，分析了離心泵壓力脈動的來源。根據頻譜的分布特點，合理選擇葉輪類型、葉片數量和轉速等參數，各部件的固有模式對振動和噪聲性能的改善具有重要的指導意義。

5 結語

對于離心泵內的壓力脈動而言，主要集中于中頻段位置，多數情況下葉頻為轉頻和葉輪葉片數量的乘積。旋轉葉輪與靜止蝸殼之間得到相互干擾往往會產生中頻壓力脈動，隔舌起到了主要的作用，同時也是壓力脈沖產生的主要脈動源。另外，壓力脈動在整個離心泵流道之間的傳播，會隨著液體的運動方向也逐漸運動，引起蝸殼內的壓力脈動，同時也會影響到葉輪的進口部位。另外，葉輪的沿葉片流道是以前后流動為主的，壓力脈動的幅值逐漸增大的時候，壓力面脈動幅值將會逐漸增強。

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