多級離心泵整機(jī)流場三維非穩(wěn)態(tài)湍流壓力脈動特性分析
為了探究離心泵內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)流動引起的壓力脈動現(xiàn)象及其特性，以某型多級離心泵為對象，建立了流場三維有限元網(wǎng)格.采用Fluent仿真技術(shù)，選用RNGk-ε湍流模型對離心泵流場進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算，通過設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，得到了不同位置處在每個時間步長下的壓力值.運(yùn)用FFT方法，對葉輪及蝸殼等主要流道監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果表明葉輪和蝸殼內(nèi)的壓力脈動主要集中在葉頻及其倍頻處，并且葉輪與蝸殼之間動靜干涉對壓力脈動有較大的影響.
離心泵在船舶與海洋工程中具有廣泛的應(yīng)用，提高其設(shè)計效率、降低其運(yùn)行振動和噪聲，對綠色船舶設(shè)計具有很大的現(xiàn)實(shí)意義.
流體激勵力是離心泵主要振源之一，研究其對機(jī)腳振動影響變得尤為重要，從離心泵流體誘導(dǎo)振動入手，已經(jīng)對流體產(chǎn)生的振動進(jìn)行了一定研究.非穩(wěn)態(tài)壓力脈動的研究，主要有實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬2種方法.
上述研究有助于理解泵內(nèi)葉輪和蝸殼、導(dǎo)葉等靜止部件的相互作用，比較準(zhǔn)確地計算和預(yù)測了動靜干擾引起的壓力脈動的頻率和振幅等特性.多級離心泵因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，還未見對其非穩(wěn)態(tài)湍流壓力脈動特性的數(shù)值研究.因此本文針對多級離心泵中的壓力脈動問題，利用RNGk-ε湍流模型和滑移網(wǎng)格方法對某型多級離心泵進(jìn)行設(shè)計工況下整機(jī)三維非穩(wěn)態(tài)湍流數(shù)值計算，并利用FFT方法對計算結(jié)果進(jìn)行頻譜分析.通過在不同位置設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測壓力脈動，以揭示離心泵內(nèi)的壓力脈動特性，分析流激振動的來源，為解決泵的振動問題提供依據(jù).
1、計算區(qū)域及方法
1.1、計算區(qū)域及網(wǎng)絡(luò)
設(shè)計工況下，泵的運(yùn)行參數(shù)為:流量24m3/h，出口壓力0.46MPa，轉(zhuǎn)速1460r/min.3級葉輪葉片數(shù)依次為10、6、6.計算區(qū)域?yàn)榘ㄎ遥?級葉輪和蝸殼，壓水室的全部流道.考慮到計算區(qū)域的復(fù)雜性，文中首先利用Proe對多級離心泵進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后將實(shí)體模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到多級離心泵的整機(jī)實(shí)體模型如圖1所示.
圖1 整機(jī)實(shí)體模型
泵內(nèi)流道非常復(fù)雜，因此采用適應(yīng)性非常強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.葉輪的幾何形狀及其中的流體流動非常復(fù)雜，而且是運(yùn)動部件，因此葉輪葉片表面需要做較細(xì)致的網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格數(shù)對數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和所要求的計算資源影響非常大，因此選擇出口壓力進(jìn)行網(wǎng)格靈敏度分析.
圖2為網(wǎng)格數(shù)變化對出口壓力預(yù)測的影響.從中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為2011334(圖中虛線所示)時，出口壓力預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確，并且計算用時比較合理，因此選擇這個網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行數(shù)值計算.計算網(wǎng)格模型如圖3所示.
圖2 網(wǎng)格數(shù)對出口壓力預(yù)測的影響
圖3 計算網(wǎng)格模型
1.2、計算方法
首先對泵整機(jī)流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算，在相同條件下，將穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算的結(jié)果作為非穩(wěn)態(tài)計算的初始值.在每一級葉輪和蝸殼間分別形成滑移網(wǎng)格的條件，計算葉輪和蝸殼的相互干涉，得到整機(jī)內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)流動特征.
非穩(wěn)態(tài)計算采用全隱式時間格式，選擇RNGk-ε湍流模型，壁面上取無滑移邊界條件，用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理.采用SIMPLEC算法求解壓力速度耦合方程組，控制方程對流項(xiàng)的離散采用二階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)、源項(xiàng)的離散采用二階中心差分格式.代數(shù)求解采用亞松弛迭代，頻域采用快速傅里葉變換.泵的進(jìn)口處采用速度進(jìn)口邊界條件，假定進(jìn)口處速度均勻并垂直于進(jìn)口斷面，給定速度初值;泵出口處滿足充分發(fā)展的假定，采用壓力出口邊界條件，認(rèn)為出口靜壓值不變.
數(shù)值計算得到各個監(jiān)測點(diǎn)在每個時間步長下的壓力值，將這些壓力值進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)后得到壓力脈動的頻域特性.
結(jié)論
文中對某型多級離心泵整機(jī)流場進(jìn)行了設(shè)計工況下的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算，得到了各級葉輪流道和隔舌區(qū)的壓力脈動特性，揭示了多級離心泵內(nèi)重要的非穩(wěn)態(tài)特征.
1)在葉輪流道內(nèi)，不同半徑處壓力脈動頻率和幅值分布不同.不同結(jié)構(gòu)形式的葉輪壓力脈動頻率和幅值分布也不同.上下游不同過流元件對葉輪流道內(nèi)的壓力脈動分布也有影響.
2)葉輪和蝸殼的動靜干涉對流體造成不穩(wěn)定流動，產(chǎn)生了較大的壓力脈動，壓力脈動的主要頻率為葉頻及其倍頻.
3)通過不同測點(diǎn)壓力脈動的頻譜特征，分析出多級離心泵內(nèi)壓力脈動的振源所在，以便根據(jù)頻譜的分布特點(diǎn)合理選擇多級離心泵的葉輪形式及葉片數(shù)、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，合理設(shè)計泵的主要部件的固有模態(tài)，這對與振動噪聲相關(guān)的性能改進(jìn)具有很大的指導(dǎo)意義.
