【摘要】：本文的研究工作是在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵駝峰現(xiàn)象的不穩(wěn)定流動機(jī)理研究”(No.51079062)資助下展開。 隨著社會進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,離心泵的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性越來越受到重視,而泵內(nèi)部的非定常流動情況是決定運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。為了更好地理解和研究離心泵的內(nèi)部流動情況,本文從其內(nèi)部不穩(wěn)定流動的角度出發(fā),采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,探索其葉輪內(nèi)不穩(wěn)定流動的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律。同時針對離心葉輪流道內(nèi)摩擦損失大、逆壓梯度高和葉片曲率大等特點(diǎn),在SST k-ω湍流模型的基礎(chǔ)上提出了一種基于旋轉(zhuǎn)和曲率修正的非線性湍流模型�；贠penFOAM軟件建立了一套適用于離心葉輪流道特點(diǎn)的數(shù)值模型。本文的主要工作和創(chuàng)造性成果有： 1.總結(jié)了離心泵PIV測試技術(shù)、壓力脈動測試技術(shù)、振動測試技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；歸納了線性渦粘性模型的研究現(xiàn)狀及不足,闡述了顯式代數(shù)雷諾應(yīng)力方程模型結(jié)合二方程湍流模型求解是工程上計(jì)算旋轉(zhuǎn)和曲率流場的一種趨勢。 2.首次采用PIV技術(shù)探索了一離心葉輪流道內(nèi)不穩(wěn)定流動渦的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律,定量分析了不穩(wěn)定流動對性能曲線的影響規(guī)律,揭示了不穩(wěn)定流動對葉輪流道內(nèi)絕對速度的影響規(guī)律,研究結(jié)果表明：(1)不穩(wěn)定流在0.6QBEP工況開始產(chǎn)生,直到0.4QBEP工況得到發(fā)展,最后在0.1QBEP時幾乎擴(kuò)展到整個葉輪流道；葉輪旋轉(zhuǎn)的過程中,靠近蝸殼隔舌處的葉輪流道內(nèi)的流動最不穩(wěn)定,也是最先出現(xiàn)分離渦的流道；隨著流量的降低,附著于葉片工作面的分離渦逐漸增多、匯聚,不斷發(fā)展的漩渦向流道出口移動的同時,也偏向于流道中心。(2)平均出口絕對速度圓周分量Vu2/U2隨著流量的增加先升高后降低,在0.1QBEP到0.6QBEP之間出現(xiàn)駝峰現(xiàn)象；從0.6QBEP到1.0QBEP,平均出口絕對速度圓周分量和揚(yáng)程均隨著流量增加穩(wěn)定下降；不穩(wěn)定流動是導(dǎo)致離心泵性能曲線出現(xiàn)駝峰或平坦現(xiàn)象的主要原因。(3)絕對速度圓周分量vu隨著流道半徑的增加,呈先升高后降低的趨勢；在不同工況下,vu的整體變化規(guī)律基本相似,其大小與流量成反比。絕對速度徑向分量vm隨著流道半徑的增加,基本呈先下降后上升的趨勢；在不同工況下,vm的整體大小與流量成正比。 3.采用HSJ2010水力機(jī)械綜合測試儀和高頻動態(tài)壓力傳感器對離心泵葉輪出口圓周方向的壓力脈動特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。獲得了流道內(nèi)不穩(wěn)定流動和葉輪出口壓力脈動之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：(1)“射流-尾跡”結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的葉頻脈動和葉輪流道內(nèi)流動的不對稱性誘導(dǎo)的軸頻脈動是壓力脈動的主要成分；(2)“射流-尾跡”結(jié)構(gòu)引起的周期性壓力脈動幅值隨著葉輪與蝸殼壁面(正對葉輪出口的蝸殼壁面)間距的增加而逐漸衰弱,葉輪出流對壓力脈動的影響逐漸減弱；(3)在葉輪出口處的壓力脈動特征頻域中存在一個100Hz～145Hz的寬帶頻率,大約介于4倍軸頻到葉頻之間,該寬頻幅值隨著不穩(wěn)定渦尺度的增強(qiáng)逐漸變大。 4.采用INV3020C數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、DASP-V10軟件以及ICP型振動加速度傳感器對離心泵不穩(wěn)定流動下的振動特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究�？偨Y(jié)了離心泵葉輪流道內(nèi)的不穩(wěn)定流動現(xiàn)象對振動的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)了振動信號與壓力脈動信號在頻域特征具有一定的相關(guān)性,彼此的主要激勵頻率均分布在軸頻和葉頻；對于振動信號而言,其在100Hz～145Hz之間(大約介于4倍軸頻到葉頻之間)同樣存在一個由不穩(wěn)定渦引起的寬頻振動。 5.針對離心葉輪流道強(qiáng)旋轉(zhuǎn)、大曲率的特點(diǎn),在開源軟件OpenFOAM平臺上,首先用代數(shù)雷諾應(yīng)力方程模型求解雷諾應(yīng)力和渦粘性系數(shù),然后用SST k-ω模型中考慮旋轉(zhuǎn)和曲率改進(jìn)的k方程和w方程進(jìn)行封閉求解,最后用擴(kuò)展內(nèi)稟旋轉(zhuǎn)張量對模型中的平均旋轉(zhuǎn)張量進(jìn)行修正,從而實(shí)現(xiàn)對SST k-ω湍流模型的旋轉(zhuǎn)和曲率改進(jìn),并首次開發(fā)了一套適用于計(jì)算旋轉(zhuǎn)和曲率流場的非線性湍流模型(EASMRC)程序。用旋轉(zhuǎn)直通道和90°彎管進(jìn)行了計(jì)算檢驗(yàn)。結(jié)果表明,改進(jìn)后的非線性湍流模型與原模型相比,計(jì)算結(jié)果更接近試驗(yàn)值。 6.首次將改進(jìn)模型分別應(yīng)用于OpenFOAM的MRFSimpleFoam和pimpleDyMFoam求解器中,并對研究模型進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計(jì)算。將EASMRC計(jì)算結(jié)果與OpenFOAM的SST k-ω計(jì)算結(jié)果、CFX的SST k-ω計(jì)算結(jié)果、外特性測試結(jié)果、PIV測試結(jié)果、壓力脈動測試結(jié)果進(jìn)行了對比,結(jié)果表明：從外特性上看,EASMRC模型總體上與試驗(yàn)值更接近；從內(nèi)流場上看,EASMRC在預(yù)測分離渦的發(fā)生、發(fā)展方面更接近PIV測量結(jié)果；從壓力脈動特性上看,EASMRC計(jì)算的壓力脈動幅值、時域結(jié)果以及頻域結(jié)果與測量結(jié)果最接近。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TH311

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2463935