【摘要】：離心泵是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中用途較廣耗能較高的重要設(shè)備,深入研究離心泵的內(nèi)部流動(dòng),提高離心泵的性能具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。離心泵口環(huán)泄漏流與葉輪進(jìn)口主流間的干擾,會(huì)引起葉輪進(jìn)口流動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,對(duì)葉輪入口有序的流動(dòng)造成干擾,從而對(duì)泵內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)及泵運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。因此,深入研究口環(huán)間隙流對(duì)離心泵內(nèi)、外特性的影響規(guī)律具有重要意義。本文以離心泵口環(huán)間隙非定常流動(dòng)特性為研究對(duì)象,采用數(shù)值計(jì)算、實(shí)驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法,分析了泵內(nèi)間隙流動(dòng)的非定常流動(dòng)特性,研究了口環(huán)泄漏流與葉輪進(jìn)口主流間的相互作用,獲得了口環(huán)間隙流對(duì)離心泵內(nèi)部流動(dòng)及外特性的影響。本文的主要工作和創(chuàng)新成果如下:(1)建立了離心泵口環(huán)間隙測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過同步采集測(cè)量了離心泵外特性、壓力脈動(dòng)信號(hào)及振動(dòng)信號(hào),獲得了口環(huán)間隙改變引起的泵外特性變化規(guī)律,分析了蝸殼周向壓力和泵腔徑向壓力分布趨勢(shì)。結(jié)果表明,口環(huán)間隙的增大,對(duì)外特性的影響表現(xiàn)為泵揚(yáng)程和效率的下降;對(duì)內(nèi)流場(chǎng)影響表現(xiàn)為:蝸殼及泵腔各測(cè)點(diǎn)壓力不同程度的減小,而壓力分布趨勢(shì)保持不變。蝸殼壁面壓力脈動(dòng)頻譜中發(fā)現(xiàn)了軸頻與葉頻信號(hào),其中主頻為葉頻。振動(dòng)頻譜圖中捕捉到軸頻及其倍頻與葉頻及其倍頻,發(fā)現(xiàn)不同方向殼體振動(dòng)能量存在一定差異。(2)研究了口環(huán)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)口環(huán)間隙內(nèi)流動(dòng)參數(shù)分布的影響,發(fā)現(xiàn)合理的口環(huán)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)獲得口環(huán)間隙流各流動(dòng)參數(shù)精確分布至關(guān)重要。在兼顧數(shù)值計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度的前提下,系統(tǒng)研究了非定常數(shù)值計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)離心泵數(shù)值計(jì)算精度的影響,定量分析了時(shí)間步長(zhǎng)引起的差異。結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值求解方法的正確性和準(zhǔn)確性。(3)研究了離心泵內(nèi)間隙流動(dòng)對(duì)泵外特性性能的影響,通過對(duì)比分析考慮間隙和不考慮間隙離心泵模型的計(jì)算結(jié)果,揭示了間隙流動(dòng)引起泵內(nèi)流場(chǎng)和外特性較大差異的原因,即泵腔、口環(huán)等間隙區(qū)域內(nèi)間隙流動(dòng)引起的泵內(nèi)流動(dòng)損失的不同。分析了口環(huán)泄漏流與葉輪進(jìn)口主流之間的相互作用,基本分為碰撞沖擊階段,逆向摻混階段和同化作用階段。闡述了間隙流動(dòng)對(duì)葉輪內(nèi)分離渦的演變及有序變遷規(guī)律的影響,結(jié)合熵產(chǎn)理論分析了間隙流動(dòng)引起的流動(dòng)損失對(duì)泵內(nèi)流動(dòng)的重要影響,對(duì)壓力場(chǎng)的影響具體表現(xiàn)為:泵內(nèi)間隙流動(dòng)降低了葉輪與蝸殼隔舌間的壓力脈動(dòng)強(qiáng)度,影響了隔舌正對(duì)葉輪流道內(nèi)葉片表面壓力分布規(guī)律,并引起葉片工作面壓力波動(dòng)。(4)通過開展不同流量工況下離心泵內(nèi)數(shù)值計(jì)算,分別研究了泵內(nèi)主流流動(dòng)和間隙流動(dòng)特性,分析了口環(huán)泄漏流對(duì)葉輪進(jìn)口主流的影響規(guī)律。結(jié)合熵產(chǎn)理論分析了泵內(nèi)流動(dòng)損失分布特性,確定了泵內(nèi)流態(tài)與能量損失之間的關(guān)聯(lián)。采用能量梯度理論對(duì)泵內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)易發(fā)生區(qū)進(jìn)行預(yù)判,歸納了葉片做功能力與流量間的關(guān)聯(lián)。間隙流動(dòng)的研究揭示了泵腔內(nèi)壓力及壓力脈動(dòng)分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)小流量下壓力最高,泵腔進(jìn)口壓力脈動(dòng)強(qiáng)度較強(qiáng)。獲得了口環(huán)間隙內(nèi)詳細(xì)的流動(dòng)分布特性,發(fā)現(xiàn)進(jìn)口縮流損失是引起間隙進(jìn)口流動(dòng)參數(shù)突變的主要原因之一,具體表現(xiàn)為動(dòng)壓和湍動(dòng)能的驟增,靜壓的驟減,而總壓平緩減小。發(fā)現(xiàn)口環(huán)間隙壓力脈動(dòng)特性較復(fù)雜,仍受葉輪與隔舌間動(dòng)靜干涉影響。總結(jié)歸納了流量改變引起的口環(huán)泄漏流與主流間的相互作用,整個(gè)過程始終存在碰撞、沖擊、摻混、同化作用,揭示了泄漏流與主流能量配比的影響關(guān)系,發(fā)現(xiàn)流量增加引起進(jìn)口主流能量的增大,不斷削弱泄漏流對(duì)主流的影響。(5)研究了口環(huán)間隙改變引起的泵內(nèi)、外特性變化規(guī)律,通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證了口環(huán)間隙引起的離心泵外特性變化,發(fā)現(xiàn)口環(huán)間隙增大時(shí),泵內(nèi)流動(dòng)損失增加,引起水力效率和容積效率降低,導(dǎo)致?lián)P程和總效率的減小。分析了葉輪內(nèi)不同口環(huán)間隙時(shí)流動(dòng)差異的原因,即口環(huán)間隙改變引起的葉輪進(jìn)口流量變化,小流量下葉輪內(nèi)流動(dòng)存在明顯差異。研究了口環(huán)間隙內(nèi)詳細(xì)的流動(dòng)分布特性,發(fā)現(xiàn)在口環(huán)間隙進(jìn)口處總壓下降較大,然后由于葉輪旋轉(zhuǎn)影響,沿間隙流流動(dòng)方向,總壓逐漸上升,達(dá)到極大值,隨后逐漸下降直至口環(huán)間隙出口。當(dāng)口環(huán)間隙增加時(shí),間隙內(nèi)流體靜壓減小動(dòng)壓增大,流體總壓略增�？诃h(huán)大小改變對(duì)間隙內(nèi)壓力脈動(dòng)強(qiáng)度有輕微影響�？偨Y(jié)了口環(huán)間隙大小引起葉輪進(jìn)口流態(tài)的變化,發(fā)現(xiàn)口環(huán)間隙增大,泄漏量增大,流動(dòng)損失增加,從而擾亂了葉輪進(jìn)口流態(tài)。(6)研究了口環(huán)間隙結(jié)構(gòu)對(duì)離心泵性能的影響,發(fā)現(xiàn)在相同的口環(huán)間隙大小和長(zhǎng)度下,凹槽形和臺(tái)階形口環(huán)間隙結(jié)構(gòu)對(duì)離心泵外特性的影響近似可忽略,而臺(tái)階形口環(huán)間隙結(jié)構(gòu)對(duì)泵內(nèi)流動(dòng)有輕微影響。臺(tái)階形口環(huán)間隙結(jié)構(gòu)對(duì)間隙流動(dòng)的阻礙作用增強(qiáng),降低了口環(huán)泄漏流對(duì)葉輪進(jìn)口主流造成的干擾。口環(huán)間隙結(jié)構(gòu)改變對(duì)間隙內(nèi)壓力脈動(dòng)強(qiáng)度有輕微影響。
【圖文】：

圖 1.1 離心泵內(nèi)非定常流動(dòng)[1, 5]大曲率葉片以及高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使得葉輪內(nèi)始終存在多種不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象。在小流量工況下，葉輪流道內(nèi)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象是影響離心泵運(yùn)行穩(wěn)定性的重要因素之一[15-17]。早在 1970年，Lennemann 等[18]采用實(shí)驗(yàn)方法研究了葉輪流道內(nèi)失速機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)單個(gè)葉輪流道中的失速機(jī)制與邊界層分離、葉輪和誘導(dǎo)輪二次流的影響，揭示葉輪流道內(nèi)失速的傳播與誘導(dǎo)輪回流有關(guān)。Abramian 等[19]通過測(cè)量獲得了不同流量工況下葉輪內(nèi)瞬態(tài)速度場(chǎng)，在小流量工況下捕捉到清晰的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。隨后，Wang 等[20]通過采用數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法捕捉到小流量工況下葉輪和導(dǎo)葉流道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象，并認(rèn)為這可能是泵內(nèi)流動(dòng)不穩(wěn)定特性的主要來源。實(shí)驗(yàn)測(cè)試中旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的捕捉促使廣大泵工作者對(duì)其起因開展研究。Sinha 等[21-23]通過采用 PIV 技術(shù)和壓力脈動(dòng)相結(jié)合的方法對(duì)泵內(nèi)旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)生和發(fā)展進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明隨著流量的減小，失速團(tuán)由一個(gè)導(dǎo)葉流道擴(kuò)散到兩個(gè)導(dǎo)葉流道中。吳玉林等[24]采用 PIV 技術(shù)對(duì)離心泵內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)開展研究。劉厚林等[25]通過對(duì)泵內(nèi)葉輪失速現(xiàn)象測(cè)量，發(fā)現(xiàn)失速現(xiàn)象主要由葉片工作面流動(dòng)分離引起的。此外，Lucius

圖2.1 為離心泵測(cè)試系統(tǒng)示意圖，圖 2.2 為離心泵測(cè)試實(shí)物圖。本文的實(shí)驗(yàn)用泵為 6 葉片閉式葉輪離心泵，額定轉(zhuǎn)速為 2900r/min，，表 2.1 為離心泵具體性能參數(shù)和幾何參數(shù)，實(shí)驗(yàn)中離心泵內(nèi)介質(zhì)為清水。圖 2.1 離心泵測(cè)試系統(tǒng)示意圖圖 2.2 離心泵測(cè)試實(shí)物圖
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH311

【參考文獻(xiàn)】

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1 DOU Huashu;ZHANG Shuo;YANG Hui;SETOGUCHI Toshiaki;KINOUE Yoichi;;Effect of Rotational Speed on the Stability of Two Rotating Side-by-side Circular Cylinders at Low Reynolds Number[J];Journal of Thermal Science;2018年02期

2 ZHENG Lulu;DOU Hua-Shu;CHEN Xiaoping;ZHU Zuchao;CUI Baoling;;Pressure Fluctuation Generated by the Interaction of Blade and Tongue[J];Journal of Thermal Science;2018年01期

3 羅興

本文編號(hào)：2608345