【摘要】：本文的研究工作在國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目“離心泵基礎(chǔ)理論和節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究”(50825902)、國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“百萬(wàn)千瓦級(jí)核電離心泵關(guān)鍵技術(shù)研究”(2011BAF14804)和江蘇省博士科研創(chuàng)新計(jì)劃“基于流固耦合的離心泵三維非定常湍流誘導(dǎo)振動(dòng)特性研究”(CX10B262Z)的資助下展開(kāi)。 泵是重要的能量轉(zhuǎn)換裝置和流體輸送設(shè)備,其中離心泵應(yīng)用最為廣泛,其比例約占泵類(lèi)設(shè)備總量的70%。離心泵不僅應(yīng)用在石油、化工、水利、灌溉等工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,而且是核電、航空、艦船和潛艇等高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備。隨著社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,離心泵的可靠性越來(lái)越受到重視,泵內(nèi)部的瞬態(tài)水力激振現(xiàn)象是影響可靠性的關(guān)鍵因素之一。水力激振伴隨著復(fù)雜的流固耦合作用,即水力激勵(lì)作用在結(jié)構(gòu)上會(huì)改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性,并使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形,這反過(guò)來(lái)會(huì)影響內(nèi)部流場(chǎng)的分布。文中采用試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法,以?xún)膳_(tái)典型離心泵為研究對(duì)象,對(duì)葉輪的瞬態(tài)水力激振規(guī)律、流固耦合機(jī)理以及泵內(nèi)部非定常流動(dòng)特性進(jìn)行了研究。本研究的主要工作和創(chuàng)造性成果有： (1)系統(tǒng)總結(jié)了三維流固耦合求解方法相關(guān)理論的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)特性以及內(nèi)部非定常流動(dòng)特性,并考慮目前流固耦合求解方法在不同復(fù)雜系統(tǒng)中的適用性,最終確定了求解離心泵瞬態(tài)水力激振流固耦合問(wèn)題的耦合求解方式,即外載荷傳遞的分塊式(Partitioned)求解策略。 (2)首次提出了離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)水力激振測(cè)量方案以及數(shù)據(jù)采集處理方法。發(fā)展了適用于離心泵的電渦量非接觸式轉(zhuǎn)子振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),并搭建了離心泵轉(zhuǎn)子水力激振測(cè)量試驗(yàn)臺(tái),建立了一套可以消除其他因素誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)的數(shù)據(jù)處理方法；成功地獲得了各個(gè)轉(zhuǎn)速及流量工況下離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)周期性水力激振位移軌跡,并分析了影響該測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的主要因素,可為研究離心泵瞬態(tài)水力激振現(xiàn)象提供試驗(yàn)依據(jù)。 (3)提出了動(dòng)、靜坐標(biāo)系下流固耦合振動(dòng)計(jì)算結(jié)果的轉(zhuǎn)換公式�；陔x心泵瞬態(tài)水力激振測(cè)量結(jié)果,對(duì)可能影響離心泵瞬態(tài)流固耦合求解的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明：流固耦合面數(shù)據(jù)傳遞方式、阻尼系數(shù)、流體網(wǎng)格剛度、數(shù)據(jù)傳遞的松弛因子和數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程的收斂目標(biāo)等參數(shù)是影響流固耦合計(jì)算結(jié)果的主要因素。論文初步建立了高精度離心泵流固耦合計(jì)算的參數(shù)組合。 (4)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)離心泵瞬態(tài)流固耦合求解的試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)比結(jié)果表明,在所考察的轉(zhuǎn)速和流量下,計(jì)算和測(cè)量的振動(dòng)幅值及相位吻合較好,但在小流量工況下也存在一定的差異。定量研究了單葉片離心泵雙向流固耦合的水力徑向力,對(duì)作用在葉輪不同位置的徑向力進(jìn)行了分析。獲得了各工況下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的等效應(yīng)力分布,分析了葉片等效應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律。 (5)根據(jù)單葉片離心泵內(nèi)部周期性非定常流動(dòng)特性,在求解URANS方程的基礎(chǔ)上,首次定義了壓力脈動(dòng)強(qiáng)度系數(shù)、相對(duì)速度非定常強(qiáng)度系數(shù)、絕對(duì)速度非定常強(qiáng)度系數(shù)以及湍流強(qiáng)度系數(shù),初步獲得了模型泵內(nèi)部流動(dòng)的非定常強(qiáng)度特征。采用高精度瞬態(tài)壓力傳感器對(duì)模型泵蝸殼內(nèi)的非定常壓力場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量,獲得了1個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)相平均壓力結(jié)果。將不同轉(zhuǎn)速和流量工況下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,兩者吻合較好,驗(yàn)證了CFD求解的可靠性。 (6)采用分塊式耦合求解策略,對(duì)蝸殼式普通離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了流固耦合求解。分析了不同工況下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的周期性振動(dòng)特性、等效應(yīng)力分布以及水力徑向力隨時(shí)間的變化情況等,初步揭示了普通離心泵轉(zhuǎn)子的瞬態(tài)流固耦合規(guī)律。在考慮流動(dòng)三維效應(yīng)的基礎(chǔ)上,定義了三維速度非定常強(qiáng)度以及三維湍流強(qiáng)度,以全新的視角對(duì)普通離心泵內(nèi)部周期性非定常壓力場(chǎng)、非定常速度場(chǎng)以及湍流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究。獲得了整個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的壓力脈動(dòng)強(qiáng)度、三維速度非定常強(qiáng)度以及三維湍流強(qiáng)度的分布規(guī)律。 通過(guò)本文的研究工作,初步掌握了離心泵流固耦合水力激振特性,為離心泵流固耦合分析提供了數(shù)值和試驗(yàn)方法；所提出的流動(dòng)非定常強(qiáng)度分析方法可以確定周期性流動(dòng)非定常強(qiáng)度的分布,可為優(yōu)化泵的非定常特性提供基礎(chǔ)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類(lèi)號(hào)】：TH311

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2383077