采樣頻率和時間對軸流泵壓力脈動特性的影響

2013-10-28 施衛(wèi)東江蘇大學流體機械工程技術研究中心

　　為了更準確地分析軸流泵的壓力脈動特性，基于結構化網(wǎng)格，在考慮葉頂間隙的情況下，以時均N-S方程為基本控制方程，采用標準k-ε雙方程湍流模型和SIMPLEC算法，對軸流泵模型進行了不同的采樣頻率和采樣時間下的全流場非定常數(shù)值計算，并分析其對計算結果的影響.

　　結果表明：在進行壓力脈動分析時，若取靜壓作為傅里葉變換的縱坐標，頻域圖中頻率為0時的物理意義即該點平均靜壓值；采樣頻率和采樣時間對軸流泵壓力脈動時域特性和頻域特性具有重要影響，指出了因采樣頻率過小而導致的混疊現(xiàn)象在時域和頻域中的表現(xiàn)；并推導出當保證采樣時間與葉輪周期和葉片數(shù)乘積的比值達到整數(shù)倍關系時，基頻處不會發(fā)生頻譜泄漏，并建立了普遍適用軸流泵壓力脈動數(shù)值計算采樣時間的選取公式，進而從公式得出針對不同轉速的軸流泵，應選擇不同的采樣時間.結果為進一步分析軸流泵壓力脈動提供了一定參考.

　　軸流泵流量大、揚程低，在農田灌溉、大型調水工程、市政給排水、污水處理以及電廠循環(huán)水工程等領域被廣泛應用，真空技術網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認為其運行穩(wěn)定性是整個機組正常工作的必要條件之一.壓力脈動對軸流泵的運行穩(wěn)定性有重要影響，如果流道內壓力脈動的主要頻率與系統(tǒng)固有頻率相同或相近，將引起共振現(xiàn)象，使整個機組產生強烈振動，長時間則會導致葉片疲勞損傷或軸承損壞，嚴重影響機組的安全運行.因此，準確描述壓力脈動規(guī)律對避免系統(tǒng)共振具有重要的指導意義.

　　盡管國內外學者對軸流泵的壓力脈動特性做過相關研究，但主要集中于流道內不同位置的壓力脈動規(guī)律，無論是數(shù)值模擬還是在實際測中，采樣頻率和采樣時間的選取都較大程度依賴前人的經驗.王福軍等對不同采樣時間下的軸流泵壓力脈動頻域圖進行了對比研究，提出8T時得到的計算結果及計算時間是可以被工程上所接受的，但沒有就采樣頻率的取值進行研究.姚志峰等對離心泵壓力脈動采樣頻率及采樣時間的選取進行了分析，得到采樣頻率主導頻域圖的頻率范圍及采樣時間主導頻域圖的頻率分辨率，并推導出離心泵壓力脈動測試采樣頻率和采樣時間的公式，但該公式是建立在頻率分辨率給定的前提下.Kaupert等[6]采用6000Hz的采樣頻率和270T的采樣時間對離心泵進行壓力脈動測試研究.Shi等在計算中分別對時間步長為旋轉周期的1/290和1/580進行了對比研究，認為時間步長選取對壓力脈動沒有明顯的影響.

　　文中以南水北調工程天津同臺試驗的軸流泵模型(模型編號為TJ-ZL-02，比轉數(shù)ns=700)為研究對象，基于結構化網(wǎng)格，對其進行全流場非定常數(shù)值計算，重點分析采樣頻率和采樣時間對軸流泵壓力脈動特性時序和頻域分析的影響，并對采樣時間的計算公式進行推導.

1、計算模型

　　計算模型包括進口段、轉輪段、導葉段以及出口段，其主要幾何參數(shù)分別為葉輪直徑D2=300mm，葉片數(shù)Z=4，導葉葉片數(shù)Zg=7；性能參數(shù)分別為設計流量Qd=367.50L/s，設計揚程Hd=7.262m，轉速n=1450r/min.計算中為了更接近實際模型，取葉頂間隙大小與試驗泵相同，為0.5mm.考慮到網(wǎng)格質量對計算精度有較大影響，采用正六面體網(wǎng)格對計算模型進行劃分，通過O型網(wǎng)格控制葉片表面邊界層和其附近網(wǎng)格質量，并對葉輪區(qū)域進行加密處理，最終網(wǎng)格數(shù)量約為1000000，模型網(wǎng)格如圖1所示.

模型網(wǎng)格

圖1 模型網(wǎng)格

　　計算以時均N-S方程為基本控制方程，采用標準k-ε雙方程湍流模型，進口邊界條件設為velocityinlet，出口邊界條件設為opening.首先進行定常計算，得到不同工況下模型泵的外特性曲線，并與試驗結果進行對比，如圖2所示.可以看出，數(shù)值計算得到的外特性曲線與試驗曲線總體變化趨勢一致，這表明所采用的計算模型及方法是可靠的.

泵特性曲線