液下双吸泵装置内部流动及脉动特性研究

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双吸泵具有流量大,扬程高的特点,被广泛应用于国民经济的各个重要领域。双吸泵内部流动复杂,运行工况对双吸泵的性能有较大的影响。双吸泵叶轮结构特殊,很难用实验方法测量其流场。本文采用计算流体动力学技术分析双吸泵装置的内部流场及外特性。同时,双吸泵流场中的非定常压力脉动是引起双吸泵振动的主要原因之一,但采用实验方法对压力脉动进行测量时,由于设备的局限性,仅能测得静止壁面附近的信息。用非定常数值模拟也是探究双吸泵内部压力脉动的有效手段。  本文主要研究工作如下:  (1)对一结构特殊的液下双吸泵装置进行研究,采用速度系数法进行双吸泵过流部件水力设计,运用三维建模软件Pro/E进行三维建模和几何优化,获得双吸泵的三维模型。  (2)采用三维湍流数值模拟作为主要研究手段,对双吸泵进行全流道流动模拟,探究泵内定常与非定常流动特征。采用标准k~ε模型对双吸泵装置不同流量工况进行定常数值模拟,得到双吸泵装置内的速度和压力特性,并对计算结果进行分析,得出在此特殊结构下双吸泵的装置性能。对双吸泵内部流场进行非定常计算,在双吸泵内部关键部位设置压力脉动监测点,观测不同工况下双吸泵的压力脉动情况,并对不同工况下的压力脉动进行系统分析。  (3)在对双吸泵的内部流场进行定常计算的基础上采用Mixture空化模型,采取压力进口、速度出口边界条件,探讨双吸泵的空化性能。  (4)对双吸泵进行径向力数值计算,分析不同工况下叶轮与蜗壳所受径向力以及径向力随叶轮旋转的变化规律。  基于以上工作,得出以下结论:  (1)通过泵设计理论和经验公式,结合流动分析,获得了液下双吸泵装置。  (2)得出整个装置的外特性,揭示了泵外腔体内的复杂流动结构,随流量的不同,腔体内同一位置的流动结构形态不同,且流动结构明显与壁面形状相关;流动结构是造成装置效率低、能量损失、受力不均的重要因素。  (3)叶轮内静压自进口至出口逐渐增大。叶轮与蜗壳间间隙较大,引起的局部流动自由度高,流场不均匀性强,同时,叶轮内各流道内的速度分布不均匀性强,流道间差异明显,尤其靠近隔舌附近流道内压力梯度密集,且在小流量工况下发生严重的回流现象。小流量工况下介质流动紊乱,随着流量的增加,介质流动趋向规则。  (4)叶轮进口与叶轮出口压力脉动主要激励频率为叶频,而在叶轮与蜗壳的动静干涉区,由于叶轮与蜗壳间隙较大,叶频不再是压力脉动的主要激励频率。在隔舌区域,随着流量的增大,压力脉动幅值减小。  (5)双吸泵装置叶轮与隔舌间隙较大,叶轮周围流体流动对叶轮径向力影响较大,径向力出现偏向一侧的现象。在设计工况下,叶轮所受径向力最小。偏离设计工况越多,叶轮所受径向力越大。
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