离心泵叶轮进口前非定常流动研究

张　瑶，罗先武

(1.中国舰船研究设计中心,湖北 武汉 430064；

2.清华大学 北京市CO2资源利用与减排技术重点实验室, 北京 100084)

离心泵叶轮进口前非定常流动研究

张瑶1，罗先武2

(1.中国舰船研究设计中心,湖北 武汉 430064；

2.清华大学 北京市CO2资源利用与减排技术重点实验室, 北京 100084)

摘要：以一离心泵为对象，进行模型泵叶轮进口前非定常流动的PIV试验及数值模拟。基于PIV试验结果可知，在不同流量工况下，吸入管内均存在着较为强烈的预旋流动，预旋流的方向与叶轮旋转方向一致。且泵偏离设计流量工况越大、与叶轮距离越近，预旋流的绝对速度越大。同时，应用数值模拟的方法，详细分析了吸入管内部流场中涡线、压力脉动等的非定常变化，得出在小流量工况下，吸入管内非定常预旋流动将会引起与叶轮转频较为接近的压力脉动，从而对整个泵系统造成严重危害。

关键词：离心泵；吸入管；PIV；数值模拟；压力脉动

0引言

由于受到流线曲率、分离流、旋流、动静域干涉以及湍流效应的影响，离心泵中的流动通常是高度复杂的湍流流动。在研究和改善离心泵性能时，对其内部流场的研究往往是一个十分关键的因素。此外，叶轮进口上游流场也是影响离心泵水力及空化性能的另一重要因素。Kurokawa[1]利用试验方法测量了混流泵中，由于进口回流所造成的水力损失和角动量损失。Yang[2]利用定常和非定常数值模拟，研究了离心压缩机进口的循环流动对离心叶轮流动结构的影响。Xie[3]利用数值模拟方法，对具有3种不同吸入管结构的离心泵流场进行了分析。结果表明，在小流量工况下，在吸入管内存在着较大的回流。苗文斌[4]采用七孔探针测量了不同工况下泵的吸入管流场，得到了吸入管内涡量的分布及涡系位置的变化。阎庆绂[5]基于试验结果，分析了泵系统进口的轴向涡量，并利用涡线计算公式给出了平面涡流、柱面涡流和轴向涡流的分布。刘树红[6]、李永[7]等利用VOF两相模型，对水泵吸水池的进口流场进行了定量分析。结果显示，水泵吸水池进口处存在着很强的旋涡，可导致空化及振动现象。罗先武[8-10]认为叶轮进口流动的均匀性是影响离心泵空化性能的关键因素。黄建德[11-13]采用毕托管对具有不同叶顶间隙的开式离心泵叶轮上游流场进行了速度测量。

由此可见，叶轮进口前流动对离心泵性能有着十分重要的影响。本文以一离心泵为对象，进行了模型泵叶轮进口前非定常流动的PIV试验及数值模拟。以揭示叶轮进口前预旋、回流等因素对离心泵流动及其性能的影响。

1试验模型及试验方法

试验离心泵及泵吸入管的几何结构如图1所示。为了PIV测量的方便，将吸入管设计成为两端对称进口，并定义了如图1所示的4个观测截面，分别为1-1′，2-2′，3-3′，4-4′。由图可知，截面1-1′位于上游远端，截面4-4′紧邻叶轮进口。在进行试验时，利用二维PIV对这些截面进行测速，可得其平面速度分布。

图1　试验离心泵截面示意图Fig.1　Section view of the test centrifugal pump

为了方便加工，离心泵采用径向叶片式叶轮，叶轮直径为100 mm，其详细几何参数如表1所示。为了便于PIV测量和直接观察，泵吸入管、叶轮、压水室均用透明有机玻璃制成。

在1 000 r/min下，针对不同的流量工况(Qd和0.25Qd)，对吸入管内部4个观测截面(1-1′、2-2′，3-3′，4-4′)进行二维PIV非定常流动测量，得到各观测截面上的绝对速度分布。

表1　叶轮主要几何参数

试验采用的闭式流体机械试验台如图2所示。其中，试验模型泵由电机带动，泵的上游有一容量为60 L的水箱，在水箱中布置了分流栅以除去水中空气和未溶解的气泡。另外，在泵的进口和出口分别设置压力传感器，以测量扬程。扭矩由与电机相连的扭矩仪测得，试验流量由回路中涡轮流量计测得。

图2　流体机械闭式试验台Fig.2　Schematic of test rig

2计算模型

由于二维PIV只能得到吸入管内部分观测截面上的速度，而不能得到整个流场流动细节，因而对包括泵吸入管、叶轮、压水室在内的离心泵全流道进行了非定常湍流数值模拟。

进行模型泵全流道数值模拟时，其计算域如图3所示。边界条件的设置为：进口给定质量流量条件；出口给定平均静压；固壁给定不可滑移边界条件。湍流模型为SST k-ω湍流模型。对于非定常计算中时间步长的选取，经时间步长无关性验证，最终确定每时间步内叶轮旋转3°。

图3　模型离心泵全流道计算域Fig.3　Computation model for the full flow passage of the model　centrifugal pump

为确保计算的效率和准确性，对吸入管和径向叶片式叶轮均划分高质量的结构化网格。通过网格无关性验证，最终采用网格的总单元数为270万。

3试验结果分析

在1 000 r/min时，不同流量工况点下，PIV非定常测量结果及泵吸入管内4个观测截面上的瞬时绝对速度分布如图4和图5所示。由于在PIV试验过程中叶轮轮毂遮挡了截面3-3′和4-4′的部分光线，因此在这2个截面上，只得到了大部分区域的速度分布结果。

图4　Qd下吸入管观测截面上绝对速度分布Fig.4　Absolute velocity contour at monitor surfaces of the　suction pipe (Qd)

图5　0.25Qd下吸入管观测截面上绝对速度分布Fig.5　Absolute velocity contour at monitor surfaces of the suction　pipe (0.25Qd)

由图4和图5可知，在不同流量工况下，吸入管内均存在着预旋流，且预旋流动的方向与叶轮旋转方向一致。同时，对比设计流量和非设计流量工况下的结果可知，在同一截面上，不同的流量工况点下，预旋速度的大小也不相同。从设计流量工况点Qd到0.25Qd，预旋速度显著增大，说明偏离设计工况越远，吸入管内的预旋运动越强烈。因而在小流量工况点，高度紊乱，高强度的预旋流将使得泵吸入管内部的流动进一步恶化。另外，同一工况点下，从截面1-1′至截面4-4′，预旋速度也逐渐增大，说明离叶轮越近，预旋流的强度越大。

因而，由PIV试验结果可知，预旋流动在径向叶片式叶轮上游流场中广泛存在，且其旋转方向和叶轮旋转方向一致。偏离设计工况越远，距离叶轮越近，预旋速度相应也越大。

由图4和图5还可知，观测截面上的速度分布存在着非定常性，截面1-1′和2-2′中心的低速区将随叶轮旋转呈现出不同的形态，表现出强烈的非定常性。另外，各个截面的总体速度分布随时间变化也有细微差别。

4数值计算结果分析

4.1　数值计算结果验证

由PIV速度测量结果还可知，吸入管内部的预旋流动主要还是沿旋转方向的周向流动。因此，提取一个周期内各截面上周向速度的试验和数值计算值，进行数值平均后进行定量对比如图6所示。由图6可知，Qd和0.25Qd下数值计算结果与试验吻合较好，只是在截面4-4′的边缘处，数值计算结果略微偏大。但是从总体上说，数值计算结果准确地预测出了各截面预旋速度的分布及大小，从而也验证了所使用的数值方法有效。

图6　1 000 r/min时周向速度结果对比Fig.6　Comparison of tangential velocity results(n=1 000 r/min)

4.2　涡线分布分析

图7和图8分别为计算所得1 000 r/min时，Qd和0.25Qd下吸入管各观测截面上涡线的非定常分布。由图7可知，吸入管各个观测截面，在一个周期内，涡线随着叶轮的旋转，也在截面内以相同方向旋转。

由图8可知，与设计流量工况时相比，小流量工况下的涡线分布更为混乱。特别地，对于截面3-3′和截面4-4′，随着叶轮的旋转，在小流量工况下，截面内出现了2～3个，甚至更多的涡旋中心，充分说明了在小流量工况下，靠近叶轮进口处的流动要更加复杂。

图7　Qd工况时吸入管各观测截面上涡线分布Fig.7　The vortices lines distribution at monitor surfaces of the　suction pipe (Qd)

图8　0.25Qd工况时吸入管各观测截面上涡线分布Fig.8　The vortices lines distribution at monitor surfaces of　the suction pipe (0.25Qd)

4.3　压力脉动分析

为观测吸入管内非定常流动所带来的压力脉动，如图9所示，在吸入管4个观测截面的管壁，设立压力监控点P1～P4。

图9　吸入管各观测截面上压力监控点分布Fig.9　The pressure monitor points distribution at monitor　surfaces of the suction pipe

1 000 r/min下不同流量工况时各监控点上的压力脉动分布如图10所示。由图可知，设计流量工况时，各监控点的压力脉动幅值要明显低于小流量工况下的情况。说明小流量工况时，由于吸入管内预旋流、二次流、回流以及湍流强度的加强，将引起较大的压力脉动，从而更易对泵的运行造成危害。

图11和图12为1 000 r/min时，设计流量工况和小流量工况下各监控点上的压力脉动的FFT变化结果。

图10　吸入管监控点上的压力脉动Fig.10　The pressure fluctuations at pressure monitor　points of the suction pipe

由图11可知，设计流量工况下，所得的压力频域图不具有明显的脉动主频，而是集中在0～2倍的转动频率范围内，存在着许多密集分布的高幅值频率分布。由图12可知，在小流量工况下，压力脉动具有较为明显的主频，其分布在叶轮转动频率附近。因而，在小流量工况下，吸入管内的非定常压力脉动可能引起泵系统的较大振动，从而造成严重危害。

图11　Qd工况时各监控点上压力脉动的FFT变换Fig.11　The FFT treatment of the pressure fluctuations on the　monitor points (Qd)

图12　0.25Qd工况时各监控点上压力脉动的FFT变换Fig.12　The FFT treatment of the pressure fluctuations on the　monitor points (0.25Qd)

5结语

通过对离心模型泵，叶轮进口前非定常流动的PIV试验及数值模拟可知，在不同流量工况下，吸入管内均存在着较为强烈的预旋流动，预旋流的方向与叶轮旋转方向一致。且偏离设计流量工况越大、与叶轮距离越近，预旋流的绝对速度越大。通过采用数值模拟的方法分析不同流量工况下吸入管内的压力脉动，可知小流量工况时，由于吸入管内预旋流、二次流、回流以及湍流强度的加强，将引起较大的压力脉动，从而更易对泵的运行造成危害。

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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

作者简介：张瑶(1985-)，女，博士，工程师，研究方向为船舶系统。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50976061，51179091)

收稿日期：2013-10-12； 修回日期： 2014-03-12

文章编号：1672-7649(2015)01-0039-06

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.01.008

中图分类号：TH3

文献标识码：A