斜流泵流动不稳定特性数值模拟及试验研究.docx

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1、斜流泵流动不稳定特性数值模拟及试验研究斜流泵具有流量大、抗汽蚀性能良好、高效区范围宽广等优点,广泛应用于南水北调、电力行业、喷水推进以及城市供水等邻域。然而失速、叶顶泄漏流和泄漏涡引起的泵性能下降和流动不稳定特性是大型调水工程用斜流泵急需解决的难题之一。本文在国家自然科学基金“混流泵加速流工况瞬态空化形态及其诱导水力振荡特性研究(51579118)”的资助下,运用大涡模拟和压力脉动试验等方法对斜流泵流动不稳定特性开展研究,分析叶顶间隙大小、间隙区域压差对叶顶泄漏量的影响,叶顶泄漏量与泄漏涡旋转强度

2、的关系以及泄漏流对叶轮进口流场的影响,掌握了解斜流泵性能下降以及流动不稳定特性产生的原因,并提出了抑制叶顶泄漏流的方法,本文主要研究成果如下:(1)探究叶顶间隙大小对叶顶泄漏流的影响本文选取0mm、0.25mm、1mm、2mm四种叶顶间隙模型泵进行模拟计算,并对间隙区域压差的分布情况、7个特征面上的泄漏量、进口轴面速度的分布以及叶顶泄漏涡旋转强度进行分析。结果表明,随着叶顶间隙的增加叶顶泄漏量逐渐升高,相同间隙时从叶轮进口到出口泄漏量呈现出先增大后减小的趋势,同时随着间隙的增加叶顶泄漏涡的旋转强度

3、也增加。(2)不同开槽方案对斜流泵性能和流动稳定性的影响为了抑制叶顶泄漏流提高斜流泵的性能和流动稳定性,本文选取1mm叶顶间隙模型泵进行了开槽方案的研究,探究了不同开槽角度、个数以及深度对泵性能的影响。研究结果表明,四种开槽角度中最小开槽角度方案(方案1)在减小叶顶泄漏量和叶顶泄漏涡旋转强度方面效果最明显。方案1、2和3对叶顶泄漏流的流动方向控制较好,使得相邻叶片进口流场并未受到泄漏流的影响,这有效缓解了叶轮的失速。分析了不同开槽数量方案模拟结果发现,在0.4Qopt和0.8Qopt工况下随着开槽

4、数量的增加叶顶泄漏量逐渐减小,但开槽数量对叶轮内叶顶泄漏涡旋转强度影响较小,同时对进口流场的轴面速度分布影响也不明显,因此开槽数量主要是通过减小泄漏损失来提高泵的性能。分析了不同开槽深度方案模拟结果发现除0.4Qopt工况外随着开槽深度的降低叶顶泄漏量逐渐升高,而在0.4Qopt工况时泄漏量反而有所减小。随着开槽深度的减小槽对叶顶泄漏流流动方向的控制减弱,致使叶片B进口轮缘回流区域增大。然而三种开槽深度对叶顶泄漏涡旋转强度影响并不明显,由此说明开槽深度主要是通过减小泄漏损失来提高泵的性能。(3)数

5、值模拟和试验压力脉动分析通过对比0.25mm叶顶间隙模型泵0.4Qopt、0.8Qopt、1.0Qopt工况下各监测点压力脉动数值模拟和试验测量结果,研究发现,三种工况下从叶轮进口至导叶进口各监测点的压力脉动在1个叶轮旋转周期内出现了4次波峰和波谷。然而0.4Qopt工况下导叶出口监测点模拟压力脉动和试验测得的压力脉动均没有规律性,但随着流量的升高导叶出口监测点压力脉动呈现出明显的规律性。0.4Qopt工况时大涡模拟和试验测得叶轮进口和导叶进口的压力脉动主频均为叶频,但该工况时叶轮出口和导叶出口监

6、测点的主频模拟值与试验值之间存在差异。随着流量的升高模拟和试验测得的叶轮进口至导叶进口各监测点的主频均为叶频,同时导叶出口监测点的主频为5倍轴频。