【摘 要】
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离心泵是以流体输送为目标的水力设备,广泛应用于石油、化工等领域。在工作过程中,离心泵会在内部产生回流、空化、旋涡等不稳定流动,从而降低性能和产生振动。近些年,仿生结构凭借良好减振效果受到越来越多的关注,许多学者将仿生结构应用到工程领域,并获得满意的效果。本文以直叶片离心泵作为研究对象,基于仿生学原理,设计3种仿生凹坑直径（0.6mm、0.8mm、1.0mm）,并将凹坑布置在叶片压力面（ps）和吸力
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离心泵是以流体输送为目标的水力设备,广泛应用于石油、化工等领域。在工作过程中,离心泵会在内部产生回流、空化、旋涡等不稳定流动,从而降低性能和产生振动。近些年,仿生结构凭借良好减振效果受到越来越多的关注,许多学者将仿生结构应用到工程领域,并获得满意的效果。本文以直叶片离心泵作为研究对象,基于仿生学原理,设计3种仿生凹坑直径（0.6mm、0.8mm、1.0mm）,并将凹坑布置在叶片压力面（ps）和吸力面（ss）上,通过数值模拟的方法,研究不同仿生叶轮对离心泵内部流动和振动特性的影响,该研究对离心泵的设计有一定的参考价值,本文研究主要内容为:（1）对离心泵各流体域、转子固体域进行三维模型构建,并进行网格划分和无关性检验。通过CFX 17.0对全流场进行外特性模拟,并通过Workbench 18.0进行转子流固耦合计算,获得离心泵扬程、效率以及轴平均振动位移,将计算结果与实验进行比较,验证模拟方法的可靠性。（2）对不同仿生叶轮离心泵外特性曲线进行分析。仿生叶轮离心泵的扬程略高于原叶轮,扬程增加为0.5%,说明仿生叶轮对扬程没有明显影响;在低流量工况下,与原叶轮进行对比,仿生叶轮的效率没有明显变化,但是在大流量工况下有明显地提高,而且将凹坑布置在叶片压力面的效率高于吸力面,在压力面上仿生叶轮效率提升最大为3.2%。（3）对不同仿生叶轮离心泵的内部流场进行分析,发现仿生叶轮可以降低叶片出口附近的总压力、相对速度梯度、轴向涡量以及减小叶片出口的壁面剪切力,降低叶轮内部的能量损失,而且随着凹坑直径的增加,对内部流动的改善效果逐渐显著;与将凹坑布置在叶片压力面的仿生叶轮进行对比,发现将凹坑布置在吸力面上会在凹坑内产生较高的熵产,从而导致在吸力面上仿生叶轮的效率低于压力面上仿生叶轮的效率。（4）对不同仿生叶轮蜗壳处的压力脉动进行分析,发现方案ss0.6、ss0.8、ps0.6的压力幅值均高于原叶轮,这说明小凹坑直径会增大蜗壳处脉动;方案ss1.0、ps0.8、ps1.0可以较为明显地减小各监测点的压力幅值,这说明大凹坑直径的仿生叶轮可以减小蜗壳处压力脉动。（5）对不同仿生叶轮的振动特性进行分析,发现在小凹坑直径时,会增加叶轮处的振动位移、振动烈度以及振动能量;在小凹坑直径的范围内,随着仿生凹坑直径的增加,对于叶轮处振动的降低效果越好,而且将凹坑布置在叶片压力面的改善效果高于吸力面。
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