新型側(cè)流道泵內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)研究.pdf

1、本文的研究工作是在國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“水力機(jī)械空化特性及對(duì)策”（51239005）和國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項(xiàng)目（201408320163）的資助下開展的。
　　側(cè)流道泵是一種介于容積式泵和離心泵之間的徑向式葉片泵，由葉輪一側(cè)有一個(gè)橫截面為半圓形的側(cè)流道而得名，通常具有超低比轉(zhuǎn)數(shù)特性和自吸能力，其體積小、流量低。與普通離心泵相比，側(cè)流道泵作為一種新型泵，更適用于極端條件下氣液兩相流體和接近臨界狀態(tài)流體的輸送，應(yīng)用越來(lái)越廣

2、泛。但是，側(cè)流道泵內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，水力效率相對(duì)較低，本文在旋渦泵設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上研發(fā)出一種命名為SCP35.2_IMb15_Z24的開式側(cè)流道泵，并對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)，為開發(fā)水力性能更優(yōu)、應(yīng)用領(lǐng)域更寬的側(cè)流道泵提供依據(jù)。本文的主要工作和創(chuàng)造性成果有：
　　（1）利用CFD對(duì)側(cè)流道泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了分析，指出側(cè)流道泵內(nèi)流體從進(jìn)口進(jìn)入葉輪流道后，開始以螺旋形式往返于葉輪流道和側(cè)流道中，最終從出口流出；葉輪中的徑向漩渦影響側(cè)流道泵的性能，而縱向漩渦則

3、有利于流體在葉輪與側(cè)流道中的交換。
　?。?）研究了側(cè)流道泵徑向葉片吸力面形狀對(duì)側(cè)流道泵性能的影響，具體分析了葉片吸力面三角形底角對(duì)側(cè)流道泵性能的影響。在一定范圍內(nèi)，葉片吸力角越大，側(cè)流道泵性能越好，尤其是側(cè)流道泵的揚(yáng)程受葉片吸力角影響明顯。同時(shí)，利用基于動(dòng)量守恒定律和交換質(zhì)量流量獲得的一種側(cè)流道泵性能的理論評(píng)價(jià)方法，在無(wú)試驗(yàn)條件下驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性。
　?。?）討論了不同葉片吸力角葉輪流道內(nèi)速度矢量分布特點(diǎn)，從內(nèi)部流

4、動(dòng)形式分析了葉片吸力角對(duì)側(cè)流道泵性能的影響。葉片吸力角越小，葉片背面流道空間越大，葉輪流道中有部分流體并未流向側(cè)流道，同時(shí)有部分流體撞擊壁面，損失較大；但是葉片吸力角較大，側(cè)流道中流向葉輪流道中的部分流體剛好沿著葉片吸力面的壁面進(jìn)入，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，這部分流體恰好流入下一個(gè)葉片流道，然后繼續(xù)向側(cè)流道中流動(dòng)，完成下一個(gè)能量交換。
　?。?）首次討論了開式側(cè)流道泵內(nèi)部湍流流動(dòng)強(qiáng)度特性，分析了側(cè)流道泵內(nèi)壓力和速度分布規(guī)律，并對(duì)不同方案?jìng)?cè)

5、流道泵內(nèi)部湍流特性進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，葉片吸力角越大，側(cè)流道泵內(nèi)部交換運(yùn)動(dòng)越激烈，無(wú)論葉輪流道還是側(cè)流道，整體湍流強(qiáng)度也就越大；葉輪與側(cè)流道交界面附近流體受到了從葉輪中進(jìn)入側(cè)流道和從側(cè)流道中返回至葉輪流道過(guò)程中的相反方向交換作用，導(dǎo)致葉輪流道靠近葉片工作面中部的壓力波動(dòng)強(qiáng)度較大。
　?。?）通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法首次研究了開式側(cè)流道泵葉輪和側(cè)流道內(nèi)部壓力脈動(dòng)特點(diǎn)。葉輪和側(cè)流道內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)振蕩式的壓力脈動(dòng)，葉輪流道內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)除了旋轉(zhuǎn)

6、至側(cè)流道中斷處之外的其他位置上壓力脈動(dòng)規(guī)律幾乎相同，側(cè)流道上監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)在整個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的規(guī)律基本相同。從葉輪與側(cè)流道上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻域特性來(lái)看，葉輪流道和側(cè)流道內(nèi)主要壓力脈動(dòng)激振頻率相同，均為軸頻的整數(shù)倍，說(shuō)明葉輪和側(cè)流道之間的交換作用產(chǎn)生相應(yīng)的壓力脈動(dòng)，脈動(dòng)頻率與流體在葉輪和側(cè)流道之間的交換次數(shù)有關(guān)，這是側(cè)流道泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)區(qū)別于其他離心泵或軸流泵的顯著特點(diǎn)。不同葉輪方案監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值相差不大，說(shuō)明葉片吸力角對(duì)主要激振頻率下的壓力

7、脈動(dòng)幅值影響較小。
　　（6）利用熱力學(xué)第二定律，借鑒了一種基于熵產(chǎn)的流動(dòng)損失分析方法，主要通過(guò)計(jì)算流動(dòng)過(guò)程中增加的熵產(chǎn)，定性分析了側(cè)流道泵內(nèi)部流動(dòng)損失特點(diǎn)。葉輪流道內(nèi)的損失主要出現(xiàn)在葉輪內(nèi)緣至0.4 r處，且吸力面流動(dòng)損失大于同一半徑壓力面上的流動(dòng)損失。在側(cè)流道內(nèi)，流動(dòng)損失主要出現(xiàn)在流道進(jìn)口、流道中間靠近內(nèi)緣部分以及出口附近，這些區(qū)域的流動(dòng)軌跡有明顯漩渦。從不同葉輪方案對(duì)比來(lái)看，葉片吸力角越大，相鄰葉片區(qū)域內(nèi)能量轉(zhuǎn)化程度越大，側(cè)