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非均匀来流条件下轴流泵内部压力脉动数值模拟研究

作　者: 张丽萍
导　师: 汤方平
学　校: 扬州大学
专　业: 水利水电工程
关键词: 轴流泵非定常数值模拟压力脉动叶轮
分类号: TV675
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

水利是国民经济的命脉,水利工程更是地方经济建设和社会发展不可或缺的先决条件,泵站工程又是水利工程的重要组成部分。其中,轴流泵因其流量大、扬程低等特点在长江中下游等地区的排涝泵站及南水北调等大型跨流域调水工程中广泛应用。但实际运行时水泵叶轮进口断面非均匀的流速,不仅会产生阵发性涡带导致水泵性能的大幅下降,甚至会引起机组产生严重的振动和噪声,严重影响泵站的安全稳定运行。因此,对不同来流条件下轴流泵压力脉动特性进行深入研究和预测不仅具有重要的理论意义,更具有重要的工程实用价值。本文采用定常和非定常数值模拟的方法对轴流泵段进行了以下几个方面的研究：结合轴流泵内部流动的特点,本文采用RNG k-ε湍流模型对轴流泵泵段进行了定常和非定常数值模拟,模拟了七个不同流量工况下的流场运动。通过与模型试验结果的外特性进行对比,验证数值模拟结果的可行性及可信性。并进一步说明非定常数值模拟在预测轴流泵外特性上较定常数值模拟准确。通过分析模型试验验证后的数值模拟结果,揭示轴流泵内部流动特性。考虑到叶轮和导叶的相互作用引起的轴流泵内部压力脉动,本文对均匀来流时三个不同流量工况下的轴流泵内部压力脉动进行了监测,得到各监测点的时域特性,并经过FFT变换得到频域特性。通过分析发现：轴流泵内部压力脉动频率主要受叶轮转动频率控制,较大压力脉动发生在叶轮进口前；叶轮进口处压力脉动从轮毂到轮缘逐渐增大,叶轮出口处压力脉动从轮毂到轮缘先减小后增大,导叶后压力脉动从轮毂到轮缘先增大后减小；小流量工况及大流量工况下压力脉动幅值较最优工况大；受叶轮转动影响,叶轮进口前压力脉动影响至叶轮中心前0.7D左右。本文建立了两种不同类型的非均匀来流进口速度分布,引入不均匀度。通过与均匀来流数值模拟数据的外特性对比,得知非均匀来流Ⅰ在扬程、轴功率和效率预测方面均高于非均匀来流Ⅱ,且在扬程和轴功率预测方面高于均匀来流。通过对比分析可知非均匀来流Ⅰ下叶片表面压力分布趋势同均匀来流相同,呈现四张叶片的对称分布；而非均匀来流Ⅱ下呈现出不对称分布,且小流速侧压力小于大流速侧的压力。非均匀来流Ⅰ下叶片压力面和吸力面的压差均小于非均匀来流Ⅱ下。分析两种来流条件下压力脉动变化趋势,得知非均匀来流Ⅰ和非均匀来流Ⅱ下小流速侧各断面压力脉动变化趋势相同,非均匀来流Ⅰ下压力脉动以叶轮和导叶动静干涉为主,非均匀来流Ⅱ下压力脉动以非均匀来流为主。进一步分析两种来流条件下压力脉动随不均匀度的变化趋势,发现在非均匀来流Ⅱ下随着不均匀度的增大各断面压力脉动整体不断增大,而在非均匀来流Ⅰ下各断面压力脉动基本不变。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
符号说明  11-13
1 绪论  13-18
  1.1 问题的提出及研究意义  13-14
  1.2 轴流泵研究概况  14-17
    1.2.1 轴流泵水力模型的研究  14
    1.2.2 轴流泵数值模拟的研究  14-16
    1.2.3 轴流泵压力脉动的研究  16-17
  1.3 本文主要研究内容  17-18
2 轴流泵三维流场数值计算理论  18-31
  2.1 控制方程  18-19
    2.1.1 质量守恒方程  18
    2.1.2 动量守恒方程  18-19
  2.2 湍流模拟方法及湍流模型  19-23
    2.2.1 湍流模拟方法  19-21
    2.2.2 湍流模型  21-23
  2.3 网格生成  23-24
    2.3.1 网格类型  23-24
    2.3.2 网格生成方法  24
  2.4 边界条件  24-26
    2.4.1 进口边界条件  25
    2.4.2 出口边界条件  25
    2.4.3 壁面边界条件  25
    2.4.4 对称边界条件  25-26
  2.5 初始条件  26
  2.6 计算软件介绍  26-27
    2.6.1 ICEM CFD  26
    2.6.2 Turbo-Grid  26-27
    2.6.3 CFX  27
  2.7 轴流泵三维流场的数值模拟  27-31
    2.7.1 轴流泵装置参数及三维实体建模  28
    2.7.2 网格生成  28-29
    2.7.3 计算参数  29-30
    2.7.4 边界条件  30
    2.7.5 交界面  30-31
3 轴流泵内外特性分析  31-41
  3.1 轴流泵外特性预测及分析  31-34
    3.1.1 数值计算  31
    3.1.2 模型试验  31-34
  3.2 定常模拟轴流泵内部流场计算结果与分析  34-39
    3.2.1 轴流泵内部粒子迹线  34-35
    3.2.2 出口断面流速分布  35-36
    3.2.3 叶片附近压力分布  36-37
    3.2.4 叶片附近速度分布  37-39
  3.3 非定常模拟轴流泵内部流场计算结果与分析  39-41
    3.3.1 非定常模拟设置  39
    3.3.2 非定常流场计算结果与分析  39-41
4 均匀来流轴流泵内部压力脉动预测及分析  41-50
  4.1 压力脉动监测点的设定  41
  4.2 信号的处理  41-42
  4.3 压力脉动特性的分析对比  42-46
    4.3.1 最优工况下各监测点压力脉动特性对比  42-44
    4.3.2 不同工况下压力脉动特性对比  44-46
  4.4 叶轮前压力脉动影响区域预测  46-50
5 非均匀来流轴流泵内部压力脉动分析及预测  50-65
  5.1 非均匀来流的引入  50-54
    5.1.1 CFX中的表达式语言  50
    5.1.2 非均匀来流的实现  50-54
  5.2 非均匀来流下叶片附近压力分布  54-56
    5.2.1 叶片表面压力分布  54-55
    5.2.2 翼型附近压力分布  55-56
  5.3 非均匀来流下轴流泵压力脉动变化趋势  56-61
    5.3.1 非均匀来流Ⅰ  56-58
    5.3.2 非均匀来流Ⅱ  58-61
  5.4 来流不均匀度对轴流泵压力脉动影响  61-65
6 结论与展望  65-67
  6.1 结论  65
  6.2 展望  65-67
参考文献  67-71
附录  71-77
  附图Ⅰ 叶轮和导叶附近静压力云图  71-72
  附图Ⅱ 叶轮和导叶附近速度云图  72-73
  附图Ⅲ 第8个周期内不同时刻叶轮前后速度分布  73-74
  附图Ⅳ 最优工况下轮毂侧各监测点的压力脉动时域图及频域图  74-75
  附图Ⅴ 最优工况下轮缘侧各监测点的压力脉动时域图及频域图  75-76
  附图Ⅵ 叶轮和导叶附近压力云图  76-77
致谢  77-78

非均匀来流条件下轴流泵内部压力脉动数值模拟研究

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