摘要：为了研究离心泵间隙内的流动结构以及其动态压力特性，初步探寻间隙流动与主流之间的关联关系，通过采用数值模拟和试验的方法揭示离心泵间隙流动的非定常流场特性，通过在所研究离心泵的不同位置安装高频动态压力传感器，获得压力脉动数据，与数值模拟的结果相结合，可知：模拟和试验外特性曲线较为接近，试验得出的扬程较低，效率较高；随着流量的增大，前腔内部流体的静压以及涡量强度随之增大，设计工况下前腔内部的流线较之偏流量工况更加均匀，且轴面上叶轮前盖板侧的涡量强度随之减小；在叶轮出口处的叶频及其谐波处的压力脉动能量最大，口环一周的压力脉动幅值较为接近，且受到叶片隔舌动静干涉作用减小，在叶轮进口处叶频及其谐波处的压力脉动能量最小。
关键词：离心泵，间隙，流动结构，压力脉动，试验
0引言
[项目基金]随着国民经济的发展，离心泵在工程应用中占据越来越重要的地位，并被广泛应用于石油工业、农业灌溉和航空航天等领域。由于其内部结构复杂，在离心泵的使用过程中其内部的间隙流动及其瞬时动态压力特性导致了振动噪声[1-3]。对离心泵内部间隙流动的研究不仅能找到非定常流动及其激励特性之间的关联，也对探索抑制离心泵振动噪声的方法增添新的方向。
目前对于离心泵间隙的非定常流动的研究尚未揭示其内部的瞬时流动结构，该区域既有二次流、旋涡，又有叶轮口环间隙泄露的高能量流体与进口的低能量流体之间的碰撞、混合现象[4-10]，对于这个区域的研究不仅可以探索抑制振动噪声的，为低噪声泵的设计提供理论支持，也可以为离心泵其它部分的水力性能的研究提供参考。
潘中永、陈士星、张大庆[11]等人通过数值模拟和试验,研究了叶轮口环间隙对离心泵性能的影响，从湍动能、涡量和径向力角度,分析了口环间隙对离心泵全流场水力效率和机械效率的影响，得出当口环间隙值减小时，离心泵的扬程和总效率均增大。赵伟国、孙建平[12]等人基于CFD平台，对不同口环间隙下的离心泵整机进行了三维数值模拟。研究表明，随口环间隙增大，泵的性能均有所下降，其中以后口环间隙同时变化对离心泵的性能影响最大，仅前口环间隙变化时次之。
赵王勇、赵爽、王磊、马鹏飞[13]等人通过改变叶轮前后口环间隙大小，研究叶轮口环间隙大小对泵腔流体流动的影响，结果表明其大小对泵腔内流体流动的压力及速度的分布均有较大影响，随着间隙值得增大，压力系数变小，泵腔内流体的速度随之增大。司乔瑞，袁寿其，袁建平[14]等人采用四端网络法声学测试模型，试验研究了离心泵性能和流动噪声随流量的变化规律，研究结果表明在高效区运行时，模型泵进出口流动诱导噪声均随流量先减小，再迅速上升，达到极值后缓慢下降。
Toshi Hirano[15]等对采用迷宫形式的叶轮密封采用CFX-TASCFlow进行了数值模拟，分析了密封间隙的泄漏流量uiji间隙流动对转子受力的影响，并指出网格密度对计算结果有着重要影响。Baskharone等[16]采用有限元分析的方法对多级泵内部间隙泄漏流动及其影响进行了数值计算，与现有的叶轮泄漏分析模型进行对比。塔鲁克[17]对间隙流动做了详细的论述，其中考虑了六台、可压缩性、位置偏心等各种因素。Lomakin[18]通过理论分析和试验对离心泵的环形间隙密封处的间隙力进行了研究，指出其对泵转子的临界转速和稳定性有重要影响。Tamm等[19]通过经验公式以及相似原理对某低比转速离心泵进行了间隙损失和圆盘摩擦损失的计算，并通过试验进行了验证。
国内离心泵间隙流动的研究多数运用数值模拟和试验结合的手段模拟和测量外特性，没有对间隙的非定常流动特性及其激励特性进行系统的研究。国外对于离心泵间隙的研究集中于揭示旋涡、二次流等流动现象对于固壁的作用力，以及其它进口段流动特征与其影响结果之间的关系，而且数量较少。
本文通过数值计算得到所研究离心泵间隙内的流场结构，由试验测量得到间隙流动的非定常流动特征，并验证数值计算的准确性，综合分析得出所研究离心泵间隙内的外特性、流动结构及其激励特性，为离心泵间隙流动的研究提供参考和依据。
1模型泵及网格划分
1.1模型泵
本文所研究的离心泵主要设计参数为：Q=55 m3/h, H=22 m, n=1450 rpm,其主要几何参数如表1所示。
表1主要几何参数
Table.1 Main parameters of the model pump
图1模型泵的三维造型
1.2网格划分
为保证数值模拟的准确性，各个部件均采用结构型网格划分，对于尺寸较小或本文所关注的部位进行网格加密，最后通过网格无关性检验采用的网格总数约为5×106。
2数值计算方法
数值模拟采用的是三维定常不可压雷诺时均N-S方程，并且使用基于k-ε的RNG湍流模型使方程封闭。此控制方程可直接应用在静止部件的内流场计算，转动部件里的流场计算在转动坐标系的参照下进行，二者流场的控制方程式的形势相同，但速度采用的是转动参照系下的相对速度，建立离散方程，各控制方程离散格式均采用一阶迎风格式，速度和压力的耦合方式采用SIMPLE算法。
基于RNG的定常计算结果，采用大涡模拟（LES）进行非定常计算，通过过滤方程把包括脉动运动在内的湍流瞬时运动通过某种滤波方法分解成大尺度涡和小尺度涡两部分，大尺度涡通过N-S方程直接求解，小尺度涡通过亚网格尺度模型，建立与大尺度涡的关系对其进行模拟。
3试验方法
在闭式系统中对试验泵进行安装，通过LMS信号采集系统以及PCB-113B27型号高频动态压力传感器获取泵不同位置处的压力脉动，其系统简图如图2a所示，在泵体上的压力脉动监测点的布置如图2b所示。
b.监测点布置位置
4 结论
通过对所研究离心泵进行数值计算和试验，可知二者结果较为接近，且均达到了设计点的要求。对得到的离心泵的流动结构和不同监测点的压力脉动特性进行分析和总结，得出以下结论：
（1）随着流量的变大，离心泵前腔内的静压随之增大，涡量强度也随之增大且其分布更加均匀，其内部的流线分布更加接近圆形。
（2）当流量增大时，叶轮前盖板侧涡量强度减小，受到口环间隙泄漏流体的影响减小，前腔进口处的旋涡区减小。
（3）由于间隙流动的影响，前腔进口处的压力脉动能量小于叶轮出口处，口环一周受到叶片隔舌动静干涉作用减小。
参考文献
[1]谈明高,王勇,刘厚林,吴贤芳等.叶片数对离心泵内流诱导振动噪声的影响[J].《排灌机械》2012,(2):131-135.
[2]王勇,刘庆,刘东喜,王健,唐晓晨. 不同叶片冲角离心泵内流诱导振动噪声研究[J]. 流体机械,2013,（7）:1-4+32.
[3] 吴登昊.高效低振动循环泵设计与试验研究[D].江苏大学,2013.
[4] ]吴大转,许斌杰,武鹏,李志峰,王乐勤. 多级离心泵内部间隙流动与泄漏损失[J]. 浙江大学学报(工学版),2011,08:1393-1398.
论文作者:熊婷，高波
论文发表刊物:《科技中国》2016年6期
论文发表时间:2016/10/18
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