轴流泵叶轮出口尾迹区非定常压力和速度场特性.pdf

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1、第28卷第17期农业工程学报322012年9月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering、厂01．28NO．17Sep．2012轴流泵叶轮出口尾迹区非定常压力和速度场特性张德胜，施卫东，李通通，张华，关醒凡(江苏大学流体机械工程技术研究中心，镇江212013)摘要：为了分析轴流泵叶轮出口尾迹和势流交替干扰特性，基于RNGk-e湍流模型和SIMPLE算法，对南水北调工程用轴流泵模型进行了数值计算。通过定常预测的外特性结果与试验值进行比较，验证了计算网格和湍流模型的适用性，并在此基础上计算了轴流泵叶轮出口尾迹区非定常流场特性

2、。研究结果表明，通过轴流泵全流场数值计算结果与试验值对比，在最优工况下计算扬程相对误差为4．56％，效率相对误差为2．78％，较好反映了轴流泵内部流动特性；在小流量工况下，轴流泵叶轮出口圆周方向轴面速度存在与叶片数相同的3个主波峰和3个次波峰；随着流量增大，叶轮出口圆周方向速度分布图中的波峰与导叶叶片数相同。在小流量工况和设计工况下，叶轮出口尾迹区压力脉动时域图出现3个主波峰，随着流量增大，额外产生了3个次波峰。基于FFT变换发现不同流量工况下的压力脉动主频均以叶频为主，其他谐频以叶频为基频，呈倍数出现，且主频的幅值随着流量减小而迅速上升。关键词：轴流泵，叶轮，数据模拟，非定常流动，尾迹，

3、轴面速度，压力脉动doi．．10．3969／j．issn．1002—6819．2012．17．005中图分类号：TH311文献标志码：A文章编号：1002—6819(2012)一17—0032—06张德胜，施卫东，李通通，等．轴流泵叶轮出口尾迹区非定常压力和速度场特性[J]．农业工程学报，2012，28(17)：32--37．ZhangDesheng，ShiWeidong，LiTongtong，eta1．Propertyofunsteadypressureandmeridionalvelocityinwakeregionofaxial-flowpumpimpeller[J]．Transac

4、tionsoftheChineseSocietyofAgnculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE)，2012．28(17)：32—37．(inChinesewithEnglishabstract)0引言轴流泵属于低扬程泵，在农田灌溉、市政给排水、调水工程、核电工程和电厂循环水工程等方面具有广泛的应用。由于叶轮、导叶的相对运动使得轴流泵内部流动具有很强的非定常特性。叶轮出口的尾迹和势流的交替干扰使压力场随时间变化，叶片表面静压分布也会随之发生周期性变化，其相互耦合作用将导致机组强烈振动、产生噪声、叶片疲劳失效和轴承损坏等严重问题ll。2】。Arnd

5、tN等【¨J和TsukamotoH等【5】研究表明，叶轮与导叶动静干涉诱导叶轮出口流场的压力脉动，且在叶轮与导叶之间径向间隙较小时产生的压力脉动较大。AkinO等【6】和UbaldiM等【7】通过PIV和热线技术测量离心泵中叶轮和导叶的干涉特性QinW等和ShiF等瞄dJ对径向导叶多级泵叶轮和导叶的干涉作用进行了三维定常、非定常的数值计算。离心式透平的动静收稿日期：2012．01．07修订日期：2012．07—0l基金项目：国家自然科学基金(51109093，51079063)；江苏省自然科学基金(BK2011503)：国家博士后科学基金(2011M500117)；江苏省博士后基金(110

6、1019B)；江苏大学高级人才启动基金(11JDG038)。作者简介：张德胜(1982一)，男，江苏南通人，助理研究员，博士，硕士生导师，主要从事流体机械流动特性的研究。镇江江苏大学流体机械工程技术研究中心，212013。Email：zds@嘶S．edu．C11相干现象【10-15]得到了较为深入的研究。在轴流泵叶轮出口，由于叶片存在一定的厚度，叶轮出口的速度存在尾迹区，且叶轮旋转流场与导叶静止流场的交替作用，存在复杂的非定常流动特性。轴流泵与离心泵在结构上存在较大差异，离心泵叶轮和导叶在径向存在动静相干现象，而轴流泵叶轮和导叶是在轴向存在[1“19】。由于轴向动静干涉区域的瞬态流动特性，

7、目前主流的试验手段，比如粒子成像测速仪PIV、激光多普勒测速仪LDV等流量测量设备，难以捕捉圆周方向上的相干过程以及叶片尾迹区的流场特性Iz0‘z1J。本文基于计算流体动力学方法，通过冻结转子方法处理动静耦合问题，基于全流场结构化网格对非定常流场进行数值计算，获得叶轮叶片尾迹区的压力相干过程和速度演化规律，可为阐明轴流泵尾迹区的非定常特性提供流场信息，为进一步控制压力脉动诱导的水力激振提供依据。1物理模型及模拟方法本文选