离心泵动静叶栅内部流动特性的大涡模拟

【摘要】动静叶栅相互干涉是引起水力机械振动、噪音和效率降低的重要原因之一,在偏离设计工况下离心泵动静叶栅内液体的流动会使泵运行不稳定性增大。本文以带有导叶的离心泵为计算模型,采用大涡模拟数值计算方法对泵运行在以设计流量Q=45m3/h为参考的0.6Q、0.8Q、1.OQ、1.2Q和1.4Q五种不同流量工况下泵外特性变化曲线、径向力和轴向力矢径分布、叶轮Z轴中间截面和导叶、蜗壳Z轴中间截面静压、速度、流线、涡量分布进行分析。本文主要研究内容及所得结论如下：1.采用MATLAB软件对导叶、蜗壳水力设计计算过程进行编程,提高了导叶、蜗壳水力设计效率；采用Pro/E软件对全流道各过流部件的三维实体进行建模；采用ICEMCFD对全流道各部件进行结构化网格划分,其中,叶轮和导叶进行周期性结构化网格划分。2.采用标准κ-ε湍流模型对模型泵全流场内部定常流动特性进行数值计算,结果表明：(1)随着流量的增大,叶轮与蜗壳径向力逐渐减小,导叶径向力逐渐增大,叶轮轴向力逐渐增大,方向与叶轮进口速度方向相反。(2)从叶轮进口处至叶轮出口处,叶轮Z轴中间截面静压沿半径方向近似呈递增趋势。不同流量工况下导叶蜗壳Z轴中间截面静压分布相似。(3)叶轮内小流量工况下出现明显回流,随着流量增大,相对速度分布趋于均匀。小流量工况下流体流动状态较差,导叶可改善叶轮在大流量工况下的流动状态。(4)涡量极大值和极小值相差很大,绝大部分涡量值不超过25001/s。随着流量的增大,叶轮Z轴截面最低涡量区间云图范围减小,涡量分布趋于均匀。3.对水力机械的大涡模拟计算方法进行研究,以五种不同流量工况的定常计算结果分别作为采用标准Smagorinsky模型对五种变流量工况下泵非定常流动特性大涡模拟数值计算的初始条件,得到五种不同流量工况下模型泵内非定常流动特性。结果表明：(1)当叶轮旋转一个流道范围时,扬程、效率、扭矩和轴功率均发生一个周期的变化,在一个旋转周期内均有与叶片数相等个数的近似正弦变化的周期。(2)在小流量工况下叶轮所受径向力近似呈椭圆分布。整体上,随着流量的增大,径向力矢径椭圆发生畸变的程度增大,径向力矢径分布椭圆逐渐减小(3)叶轮Z轴中间截面静压分布与叶轮旋转相位无明显相关性,与叶轮旋转至与蜗壳断面的相对位置有关。(4)随着流量的增大,叶片压力面侧流动混乱区域厚度减小,内部漩涡减小,叶片吸力面脱流起始位置逐渐沿叶片扭曲方向移动。(5)在某一流量工况下,涡量在叶轮Z轴截面内的分布随时间变化不明显,涡量分布存在明显的拟序结构。在同一时刻,拟序涡结构随着流量的变化而发生有序的变化。随着流量的增加,叶轮Z轴截面大涡量区逐渐减小。叶轮Z轴截面大涡量区主要集中在叶片出口处的吸力面侧。大流量工况下,靠近叶片出口处的叶片吸力面大涡量区呈带状分布。随着流量的增大,导叶Z轴截面上的大涡量区分布较不均匀,导叶扩散段、延长段内部和隔舌处局部大涡量区域分布越多。
【作者】王汉义；
【导师】李仁年；韩伟；
【作者基本信息】兰州理工大学，流体机械及工程，2014，硕士
【关键词】动静叶栅；内流特性；大涡模拟；拟序涡；

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