離心泵葉輪進口前非定常流動研究

張　瑤，羅先武

(1.中國艦船研究設計中心,湖北 武漢 430064；

2.清華大學 北京市CO2資源利用與減排技術重點實驗室, 北京 100084)

離心泵葉輪進口前非定常流動研究

張瑤1，羅先武2

(1.中國艦船研究設計中心,湖北 武漢 430064；

2.清華大學 北京市CO2資源利用與減排技術重點實驗室, 北京 100084)

摘要：以一離心泵為對象，進行模型泵葉輪進口前非定常流動的PIV試驗及數值模擬。基于PIV試驗結果可知，在不同流量工況下，吸入管內均存在著較為強烈的預旋流動，預旋流的方向與葉輪旋轉方向一致。且泵偏離設計流量工況越大、與葉輪距離越近，預旋流的絕對速度越大。同時，應用數值模擬的方法，詳細分析了吸入管內部流場中渦線、壓力脈動等的非定常變化，得出在小流量工況下，吸入管內非定常預旋流動將會引起與葉輪轉頻較為接近的壓力脈動，從而對整個泵系統造成嚴重危害。

關鍵詞：離心泵；吸入管；PIV；數值模擬；壓力脈動

0引言

由于受到流線曲率、分離流、旋流、動靜域干涉以及湍流效應的影響，離心泵中的流動通常是高度復雜的湍流流動。在研究和改善離心泵性能時，對其內部流場的研究往往是一個十分關鍵的因素。此外，葉輪進口上游流場也是影響離心泵水力及空化性能的另一重要因素。Kurokawa[1]利用試驗方法測量了混流泵中，由于進口回流所造成的水力損失和角動量損失。Yang[2]利用定常和非定常數值模擬，研究了離心壓縮機進口的循環流動對離心葉輪流動結構的影響。Xie[3]利用數值模擬方法，對具有3種不同吸入管結構的離心泵流場進行了分析。結果表明，在小流量工況下，在吸入管內存在著較大的回流。苗文斌[4]采用七孔探針測量了不同工況下泵的吸入管流場，得到了吸入管內渦量的分布及渦系位置的變化。閻慶紱[5]基于試驗結果，分析了泵系統進口的軸向渦量，并利用渦線計算公式給出了平面渦流、柱面渦流和軸向渦流的分布。劉樹紅[6]、李永[7]等利用VOF兩相模型，對水泵吸水池的進口流場進行了定量分析。結果顯示，水泵吸水池進口處存在著很強的旋渦，可導致空化及振動現象。羅先武[8-10]認為葉輪進口流動的均勻性是影響離心泵空化性能的關鍵因素。黃建德[11-13]采用畢托管對具有不同葉頂間隙的開式離心泵葉輪上游流場進行了速度測量。

由此可見，葉輪進口前流動對離心泵性能有著十分重要的影響。本文以一離心泵為對象，進行了模型泵葉輪進口前非定常流動的PIV試驗及數值模擬。以揭示葉輪進口前預旋、回流等因素對離心泵流動及其性能的影響。

1試驗模型及試驗方法

試驗離心泵及泵吸入管的幾何結構如圖1所示。為了PIV測量的方便，將吸入管設計成為兩端對稱進口，并定義了如圖1所示的4個觀測截面，分別為1-1′，2-2′，3-3′，4-4′。由圖可知，截面1-1′位于上游遠端，截面4-4′緊鄰葉輪進口。在進行試驗時，利用二維PIV對這些截面進行測速，可得其平面速度分布。

圖1　試驗離心泵截面示意圖Fig.1　Section view of the test centrifugal pump

為了方便加工，離心泵采用徑向葉片式葉輪，葉輪直徑為100 mm，其詳細幾何參數如表1所示。為了便于PIV測量和直接觀察，泵吸入管、葉輪、壓水室均用透明有機玻璃制成。

在1 000 r/min下，針對不同的流量工況(Qd和0.25Qd)，對吸入管內部4個觀測截面(1-1′、2-2′，3-3′，4-4′)進行二維PIV非定常流動測量，得到各觀測截面上的絕對速度分布。

表1　葉輪主要幾何參數

試驗采用的閉式流體機械試驗臺如圖2所示。其中，試驗模型泵由電機帶動，泵的上游有一容量為60 L的水箱，在水箱中布置了分流柵以除去水中空氣和未溶解的氣泡。另外，在泵的進口和出口分別設置壓力傳感器，以測量揚程。扭矩由與電機相連的扭矩儀測得，試驗流量由回路中渦輪流量計測得。

圖2　流體機械閉式試驗臺Fig.2　Schematic of test rig

2計算模型

由于二維PIV只能得到吸入管內部分觀測截面上的速度，而不能得到整個流場流動細節，因而對包括泵吸入管、葉輪、壓水室在內的離心泵全流道進行了非定常湍流數值模擬。

進行模型泵全流道數值模擬時，其計算域如圖3所示。邊界條件的設置為：進口給定質量流量條件；出口給定平均靜壓；固壁給定不可滑移邊界條件。湍流模型為SST k-ω湍流模型。對于非定常計算中時間步長的選取，經時間步長無關性驗證，最終確定每時間步內葉輪旋轉3°。

圖3　模型離心泵全流道計算域Fig.3　Computation model for the full flow passage of the model　centrifugal pump

為確保計算的效率和準確性，對吸入管和徑向葉片式葉輪均劃分高質量的結構化網格。通過網格無關性驗證，最終采用網格的總單元數為270萬。

3試驗結果分析

在1 000 r/min時，不同流量工況點下，PIV非定常測量結果及泵吸入管內4個觀測截面上的瞬時絕對速度分布如圖4和圖5所示。由于在PIV試驗過程中葉輪輪轂遮擋了截面3-3′和4-4′的部分光線，因此在這2個截面上，只得到了大部分區域的速度分布結果。

圖4　Qd下吸入管觀測截面上絕對速度分布Fig.4　Absolute velocity contour at monitor surfaces of the　suction pipe (Qd)

圖5　0.25Qd下吸入管觀測截面上絕對速度分布Fig.5　Absolute velocity contour at monitor surfaces of the suction　pipe (0.25Qd)

由圖4和圖5可知，在不同流量工況下，吸入管內均存在著預旋流，且預旋流動的方向與葉輪旋轉方向一致。同時，對比設計流量和非設計流量工況下的結果可知，在同一截面上，不同的流量工況點下，預旋速度的大小也不相同。從設計流量工況點Qd到0.25Qd，預旋速度顯著增大，說明偏離設計工況越遠，吸入管內的預旋運動越強烈。因而在小流量工況點，高度紊亂，高強度的預旋流將使得泵吸入管內部的流動進一步惡化。另外，同一工況點下，從截面1-1′至截面4-4′，預旋速度也逐漸增大，說明離葉輪越近，預旋流的強度越大。

因而，由PIV試驗結果可知，預旋流動在徑向葉片式葉輪上游流場中廣泛存在，且其旋轉方向和葉輪旋轉方向一致。偏離設計工況越遠，距離葉輪越近，預旋速度相應也越大。

由圖4和圖5還可知，觀測截面上的速度分布存在著非定常性，截面1-1′和2-2′中心的低速區將隨葉輪旋轉呈現出不同的形態，表現出強烈的非定常性。另外，各個截面的總體速度分布隨時間變化也有細微差別。

4數值計算結果分析

4.1　數值計算結果驗證

由PIV速度測量結果還可知，吸入管內部的預旋流動主要還是沿旋轉方向的周向流動。因此，提取一個周期內各截面上周向速度的試驗和數值計算值，進行數值平均后進行定量對比如圖6所示。由圖6可知，Qd和0.25Qd下數值計算結果與試驗吻合較好，只是在截面4-4′的邊緣處，數值計算結果略微偏大。但是從總體上說，數值計算結果準確地預測出了各截面預旋速度的分布及大小，從而也驗證了所使用的數值方法有效。

圖6　1 000 r/min時周向速度結果對比Fig.6　Comparison of tangential velocity results(n=1 000 r/min)

4.2　渦線分布分析

圖7和圖8分別為計算所得1 000 r/min時，Qd和0.25Qd下吸入管各觀測截面上渦線的非定常分布。由圖7可知，吸入管各個觀測截面，在一個周期內，渦線隨著葉輪的旋轉，也在截面內以相同方向旋轉。

由圖8可知，與設計流量工況時相比，小流量工況下的渦線分布更為混亂。特別地，對于截面3-3′和截面4-4′，隨著葉輪的旋轉，在小流量工況下，截面內出現了2～3個，甚至更多的渦旋中心，充分說明了在小流量工況下，靠近葉輪進口處的流動要更加復雜。

圖7　Qd工況時吸入管各觀測截面上渦線分布Fig.7　The vortices lines distribution at monitor surfaces of the　suction pipe (Qd)

圖8　0.25Qd工況時吸入管各觀測截面上渦線分布Fig.8　The vortices lines distribution at monitor surfaces of　the suction pipe (0.25Qd)

4.3　壓力脈動分析

為觀測吸入管內非定常流動所帶來的壓力脈動，如圖9所示，在吸入管4個觀測截面的管壁，設立壓力監控點P1～P4。

圖9　吸入管各觀測截面上壓力監控點分布Fig.9　The pressure monitor points distribution at monitor　surfaces of the suction pipe

1 000 r/min下不同流量工況時各監控點上的壓力脈動分布如圖10所示。由圖可知，設計流量工況時，各監控點的壓力脈動幅值要明顯低于小流量工況下的情況。說明小流量工況時，由于吸入管內預旋流、二次流、回流以及湍流強度的加強，將引起較大的壓力脈動，從而更易對泵的運行造成危害。

圖11和圖12為1 000 r/min時，設計流量工況和小流量工況下各監控點上的壓力脈動的FFT變化結果。

圖10　吸入管監控點上的壓力脈動Fig.10　The pressure fluctuations at pressure monitor　points of the suction pipe

由圖11可知，設計流量工況下，所得的壓力頻域圖不具有明顯的脈動主頻，而是集中在0～2倍的轉動頻率范圍內，存在著許多密集分布的高幅值頻率分布。由圖12可知，在小流量工況下，壓力脈動具有較為明顯的主頻，其分布在葉輪轉動頻率附近。因而，在小流量工況下，吸入管內的非定常壓力脈動可能引起泵系統的較大振動，從而造成嚴重危害。

圖11　Qd工況時各監控點上壓力脈動的FFT變換Fig.11　The FFT treatment of the pressure fluctuations on the　monitor points (Qd)

圖12　0.25Qd工況時各監控點上壓力脈動的FFT變換Fig.12　The FFT treatment of the pressure fluctuations on the　monitor points (0.25Qd)

5結語

通過對離心模型泵，葉輪進口前非定常流動的PIV試驗及數值模擬可知，在不同流量工況下，吸入管內均存在著較為強烈的預旋流動，預旋流的方向與葉輪旋轉方向一致。且偏離設計流量工況越大、與葉輪距離越近，預旋流的絕對速度越大。通過采用數值模擬的方法分析不同流量工況下吸入管內的壓力脈動，可知小流量工況時，由于吸入管內預旋流、二次流、回流以及湍流強度的加強，將引起較大的壓力脈動，從而更易對泵的運行造成危害。

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Investigation on the unsteady flow field upstream of a centrifugal pump impeller

ZHANG Yao1，LUO Xian-wu2

(1.China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China； 2.Key Laboratory for CO2

Resource Utilization and Emission Reduction of Beijing, Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Abstract：In this paper, the unsteady flow upstream of a model pump impeller has been investigated by both PIV experimental test and numerical simulation. From the PIV experimental test results, it is noted that the strong pre-swirl flow whose direction is the same as the impeller rotation exists in suction pipe at different flow rates. Further, the pre-swirl intensity becomes higher at smaller flow rates away from the design condition or where the distance is closer to the impeller. Also, the unsteady behavior of vortices lines and pressure fluctuations in the flow field of suction pipe was analyzed in detail based on the three dimensional numerical simulation. From numerical simulation results, it is noted that those pre-swirl flows in the suction pipe can induce pressure fluctuations at smaller flow rates conditions, whose dominant component having the equivalent frequency of impeller revolution, to threaten the safe operation of a pump.

Key words：centrifugal pump; suction pipe; PIV; numerical simulation; pressure pulse

作者簡介：張瑤(1985-)，女，博士，工程師，研究方向為船舶系統。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(50976061，51179091)

收稿日期：2013-10-12； 修回日期： 2014-03-12

文章編號：1672-7649(2015)01-0039-06

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.01.008

中圖分類號：TH3

文獻標識碼：A