【摘要】： 離心泵啟動過程是一類特殊的瞬態(tài)過程,利用離心泵的啟動可為特殊的應(yīng)用場合提供瞬時流體動力;同時大功率泵在啟動過程中的瞬時特性可能引起設(shè)備和管道系統(tǒng)的沖擊破壞或過大的負載。目前對離心泵啟動過程的內(nèi)部瞬態(tài)流動缺乏系統(tǒng)的研究,如何實現(xiàn)對離心泵啟動過程的性能預(yù)測、優(yōu)化和流動控制是一個重要課題。 本文以處在啟動過程中的離心泵為研究對象,針對離心泵在啟動過程中表現(xiàn)出的特殊瞬態(tài)水力性能,建立離心泵啟動過程瞬態(tài)流動的數(shù)值模擬與診斷方法,建立離心泵性能測試實驗系統(tǒng),分別從數(shù)值模擬和實驗研究的角度探索引起外部非定常效應(yīng)的內(nèi)部流動機理。論文的主要內(nèi)容包括以下五個方面: 第一,為驗證基于動網(wǎng)格的有限體積法在求解邊界移動引起的非定常流動時的有效性和準(zhǔn)確性,對圓柱瞬時平動和旋轉(zhuǎn)平動啟動引起的二維非定常不可壓黏性流動進行了數(shù)值模擬,采用彈簧近似模型和網(wǎng)格重構(gòu)相結(jié)合的方法實現(xiàn)該過程的流場變形。模擬結(jié)果與已有的實驗和數(shù)值結(jié)果從定性和定量上均吻合較好,證明該方法在求解邊界移動引起的非定常流動時的有效性。 第二,針對單獨采用動網(wǎng)格方法模擬葉輪加速啟動所引起的網(wǎng)格更新質(zhì)量下降的問題,提出采用區(qū)域動態(tài)滑移方法保證葉輪啟動過程網(wǎng)格的更新質(zhì)量,成功的將動網(wǎng)格方法推廣應(yīng)用到離心泵二維和三維模型啟動過程的瞬態(tài)流動求解。同時,為消除啟動過程外部指定非定常進出口邊界條件所引起的誤差,提出建立離心泵循環(huán)管路系統(tǒng)的三維數(shù)值模型,通過數(shù)值求解的自身耦合性實現(xiàn)了無需指定邊界條件即可準(zhǔn)確求解啟動過程的瞬態(tài)流動。 第三,建立離心泵瞬態(tài)性能測試實驗臺,該實驗臺由動力蓄能裝置、模型泵、管路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和電氣控制系統(tǒng)五部分組成。對泵啟動過程的外特性,如瞬時流量、揚程、轉(zhuǎn)速和軸扭矩的變化進行測試和采集;采用PIV內(nèi)流測量方法對穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)內(nèi)流場進行拍攝,得到與外特性相對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的速度矢量場,為探索離心泵啟動過程瞬態(tài)流動機理提供真實的參考依據(jù)。 第四,建立與該實驗臺等效的離心泵循環(huán)管路系統(tǒng)三維數(shù)值模型,在與啟動實驗同等邊界條件下,求解該數(shù)值模型內(nèi)部瞬態(tài)流動。將實驗所得結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比研究,兩者同時在瞬態(tài)外特性和內(nèi)特性上吻合較好。 第五,基于瞬態(tài)流動的數(shù)值計算結(jié)果,采用過流斷面和邊界渦量流兩種渦動力學(xué)診斷方法對離心泵啟動過程的內(nèi)部瞬態(tài)流動進行診斷。 研究結(jié)果顯示,泵啟動過程無量綱揚程偏離穩(wěn)態(tài)值的外部原因是啟動加速度的變化形式,內(nèi)部原因是水流慣性和瞬時流場結(jié)構(gòu)的不斷演化。啟動初期瞬時外特性主要表現(xiàn)為低流量下瞬時轉(zhuǎn)速、揚程和功率的快速上升,瞬時無量綱揚程從無窮大快速下降至低于穩(wěn)態(tài)水平;啟動中期流量快速增長,引起瞬時功率的增長率高于瞬時揚程;啟動后期啟動加速度降為零,轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定值,流量增長減緩,瞬時揚程和功率經(jīng)過波動沖擊達到穩(wěn)態(tài)水平。啟動全過程瞬時流量表現(xiàn)出三次曲線的增長特性。閥門全關(guān)啟動時的電機功率將表現(xiàn)出明顯的瞬時沖擊。 啟動過程內(nèi)部流動演化呈現(xiàn)強烈的瞬態(tài)特性,采用基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè)的思想對應(yīng)用于啟動過程的離心泵進行設(shè)計是不適合的。本文的研究內(nèi)容和結(jié)論可為應(yīng)用于各種瞬態(tài)過程的水力機械瞬時性能預(yù)測、設(shè)計優(yōu)化與流動控制提供參考依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號】：TH311

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