離心泵壓力脈動的特性分析與測試

沈陽工業大學信息科學與工程學院 惠 彪 許 會

0 引言

離心泵的壓力脈動是流體的不均勻流動在離心泵中產生的某個位置某段時間的壓力變化。由于壓力脈動是離心泵產生振動、噪聲的重要原因之一，很大程度上影響著離心泵運行的穩定性。因此，分析離心泵內部壓力脈動情況，能夠有助于提高系統工作品質，達到降低振動、噪聲的目的[1]。本文首先應用CFD技術Fluent軟件，分析葉輪與蝸殼流道在不同工況下及不同位置處的壓力脈動特性，揭示產生離心泵壓力脈動的原因以降低離心泵的壓力脈動，最終保證離心泵的正常穩定工作。其次設計出測量的硬件和軟件系統，滿足試驗的功能要求、制定試驗的技術指標，為后續的試驗做基礎。

1 計算模型及網格劃分

1.1 三維造型

本文選某離心泵為研究對象，該泵的主要設計參數如下:葉輪進口直徑D=116mm，葉片數z=6，設計流量Q=108m3/h，揚程H=16m，轉速n=1500 r/min。計算模型包括進水管、葉輪和蝸殼三個部分，利用Pro/E軟件分別建立三個部分的三維模型再進行裝配，組件如圖1(a)所示[2]。

1.2 網格劃分

應用非結構化網格劃分技術，用Gambit軟件對建立的離心泵三維模型進行網格劃分[3]。最后劃分完的網格數為810705個，網格質量在8.3左右滿足要求。圖1(b)為對圖1(a)劃分后的網格。

圖1 三維建模與網格劃分

2 數值計算

數值計算采用Fluent15.0軟件。

2.1 數值計算方法

采用基于質量守恒定律的不可壓縮流體的雷諾時均控制方程和標準的k-ε模型，近壁區采用標準壁面函數法處理。速度與壓力耦合方式采用SIMPLE算法，對流項均采用一階迎風格式。定常計算時葉輪區域采用多重參考坐標系MRF技術進行處理，收斂精度設為10-3；在非定常計算中，葉輪區域采用滑移網格技術，且以定常計算的結果作為非定常計算的初始值，有利于非定常計算的快速收斂，減少計算時間[4]。

2.2 邊界條件設置

(1)葉輪進口采用速度進口條件。在葉輪的進口處加一段進水管使進入葉輪的流體充分流動。

(2)蝸殼出口采用自由出流條件。流量加權設定為1，表示離心泵內的流動在蝸殼出口段已達到充分發展狀態。

(3)進水管和蝸殼的壁面設定為固體壁面，采用無滑移邊界條件；葉輪除了耦合面外其余的所有壁面都設定為移動壁面，采用旋轉參考坐標系。

2.3 時間步長設置

葉輪轉速為1500 r/min，設定葉輪每旋轉3°為一個時間步長[5]，則時間步長值為3.33×10-4s。時間步數設定為130步，葉輪旋轉超過一周。

2.4 監測點設置

為了分析該離心泵內部壓力脈動與不同位置的時域特性，在葉輪和蝸殼的中截面上布置8個監測點。其中，在葉輪工作面和背面上取4個監測點Y1～Y4，在蝸殼的隔舌、蝸型段和出口處取4個監測點V5～V8，位置如圖2所示。

圖2 監測點的位置分布

3 計算結果與分析

3.1 定常數值模擬結果分析

圖3是在進口流量分別為0.8Q、1.0Q、1.2Q的三種不同工況下離心泵的靜壓分布云圖。由圖中可以看出：三種工況下，葉輪內部的靜壓變化比較明顯，壓力脈動表現劇烈；在蝸殼內部，從蝸殼進口到出口壓力沿蝸殼逐漸增加，蝸殼內部的靜壓變化平緩。大工況下，蝸殼出口段的靜壓最大值和靜壓最大區域都在減小，這說明流量的增加更有利于液體在離心泵內部的流通，離心泵震動和噪聲更小，離心泵能更穩定的工作；隔舌部位的回流和沖擊形成的壓力波動隨著進口流量的增加，回流現象減弱。

圖3 靜壓分布云圖

3.2 非定常數值模擬結果分析

為有效反映不同工況下不同位置處的壓力脈動特性，這里我們采用壓力系數[6]。壓力系數Cp定義如式(1)所示：

其中表示壓力與其平均壓力之差，Pa；ρ為流體的密度，m/s；u2為葉輪出口的圓周速度，m/s。

3.2.1 不同工況下的壓力脈動特性

圖4(a)為三個工況下位于葉輪流道內部的監測點Y3在一個周期內的壓力脈動時域特性。由圖可見，該監測點的壓力脈動在三種工況下均具有非常明顯的周期性，曲線顯示規律的6個波峰和波谷。三個工況下的壓力脈動幅度基本一致，但0.8Q下的壓力脈動相比其他兩種較高，這是因為小流量時流體的波動更劇烈。

3.2.2 不同位置處的壓力脈動特性

圖4(b)為在設計工況下蝸殼流道內部4處監測點的壓力脈動時域特性。由圖可見，蝸殼內4處監測點壓力脈動的幅值有所不同，其中以靠近葉輪側的隔舌處監測點V5的壓力脈動幅值最大，這主要是因為隨著葉輪的旋轉，葉輪葉片與蝸殼隔舌間的距離不斷變化，阻止葉輪流道中的流體進入蝸殼出口，從而此處流動受葉片的轉動影響較大。監測點V7位于蝸殼流道中，此處基本沒有影響流道運行的外界條件，流場隨著葉輪的旋轉逐漸穩定，因此此處壓力脈動最小。

圖4 不同流量下與不同位置處的壓力脈動時域特性

4 測量系統的方案設計

4.1 硬件設計

在離心泵的模型和原型試驗中，測試硬件系統主要包括計算機、數據采集卡、信號調理模塊與壓力傳感器等部分。系統中傳感器與被測設備完成各種試驗參數的測量，輸出模擬信號。信號調理電路通過傳感器驅動、模擬信號的放大、隔離和濾波等調理功能，將原始信號及傳感器的輸出接口到數據采集卡。數據采集卡在計算機端上位機的調控下高速采樣8個通道的數據，實時顯示壓力脈動的波形數據及其他數據的采集。

4.1.1 壓力變送器

根據Fluent軟件仿真獲得的數據結果，本文選擇符合試驗要求的CYYZ31-45-DZ-14-B-G2型號壓力變送器，其參數指標如下：壓力量程：-100～200kPa；輸出信號：0～10VDC；供電電壓：15～36VDC；精度等級：0.25%FS；外螺紋：M20*1.5；響應頻率：模擬信號輸出 ≤ 500Hz、數字信號輸出 ≤ 5Hz。

4.1.2 數據采集卡

本文選用USB-6005采集卡在計算機的控制下對8個通道的數據進行高速采樣，其主要參數如下：工作電源：4.75～5.25V，電流最小250MA；最高指令速度 ≤ 50MS。模擬輸入詳細參數如下：8路雙極性同步輸入，同時采集無時間差；輸入頻率在0～100KHz；輸入量程有±5V、±10V，最大輸入保護電壓±16V；輸入精度有16位，最大值65536，非線性誤差±0.01%[7]。

4.2 軟件設計

測試軟件系統主要包括虛擬儀器驅動、系統設置、采樣顯示、數據存儲和后處理分析等幾個部分。虛擬儀器驅動由數據采集卡驅動程序組成，為測試軟件提供強大的技術支持。系統設置完成采樣頻率、采集量程、和通道配置等模擬量參數的設置，采樣顯示則完成波形的顯示及采樣結果的實時分析，它與系統設置組成了軟件系統的主要部分。

4.2.1 程序面板的設計

使用Labview軟件設計程序面板時，模擬采集部分是在設備內部完成模擬量與數字量的轉換，通過analog_strat函數設置采集量程和采集頻率并將數據讀取到內存緩存，再使用analog_fifo_data函數讀取緩存數據完成數據的采集。不過，需要注意的是采集之前需要使用clr_fi fo_buffer清空USB設備緩存數據，以免造成數據采集的干擾[8]。

4.2.2 前面板的設計和程序打包

程序界面設計部分主要是波形圖的顯示，可以在“前面板”上按照自己的想法設計不同的背景顏色、排列方式等，最終設計界面如圖5所示。

圖5 采集系統的界面設計

5 結論

(1)小流量工況下，離心泵內部流場流動不穩定，壓力脈動幅值比其他兩種工況更大；大流量工況下，蝸殼的隔舌和出口處會出現回流，導致此處會有壓力梯度。

(2)蝸殼隔舌靠近葉輪側的壓力脈動幅值明顯高于靠近蝸殼流道側，這主要因為隔舌附近的流域比較復雜，與葉片的旋轉位置有關。葉輪出口處壓力脈動特性值很大，這主要是由葉輪和蝸殼的動靜干涉引起的。

(3)壓力脈動主要產生于葉輪出口與蝸殼的交界面處，影響離心泵的正常穩定運行，研究離心泵的壓力脈動特性，對降低離心泵損耗、減小振動噪聲等問題，在理論上有一定的指導意義。

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