离心泵快速变工况瞬态过程特性模拟

第30卷第11期农业工程学报Vol.30No.11682014年6月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringJun.2014离心泵快速变工况瞬态过程特性模拟张玉良1，肖俊建1，崔宝玲2，朱祖超2（1.衢州学院机械工程学院，衢州324000；2.浙江理工大学浙江省流体传输技术研究重点实验室，杭州310018）摘要：为研究离心泵在不同工况点快速切换过程中的瞬态特性，该文以一台低比转速离心泵为研究对象，对其工况流量突然减小的瞬态过程，分别采用理论分析和数值计算的方式进行了外特性预测和内流场仿真研究。首先基于叶轮机械广义欧拉方程式，对离心泵模型在流量突然减小瞬态过程中的附加理论扬程进行了定量计算与分析。结果表明，同等条件下，变工况过程结束后的稳定流量越小，附加理论扬程越大，瞬态效应愈发明显；同时该瞬态过程后期的瞬态效应比前期更为明显。动静干涉效应对泵出口流动参数产生显著影响，而对泵进口流动参数的影响并不明显；动静干涉效应对小流量工况时各个流动参数的影响将尤为显著。叶片与隔舌相对位置最近时，计算扬程最小；当隔舌位于叶轮流道中间位置稍后时，计算扬程最大。同一个转动周期（T）内，选取叶片转过隔舌后的0.225T和0.825T位置进行单次定常计算可取得较高精度的数值预测结果。动静过流部件和粘性效应使得叶轮和蜗壳内的轴向速度分布规律完全相反。瞬态过程中流体加速效应使得瞬态流场演化整体上滞后于准稳态流场。关键词：离心泵；数值方法；阀门；仿真；调阀；准稳态；瞬态效应doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.11.009中图分类号：TH312文献标志码：A文章编号：1002-6819(2014)-11-0068-08张玉良，肖俊建，崔宝玲，等.离心泵快速变工况瞬态过程特性模拟[J].农业工程学报，2014，30(11)：68－75.ZhangYuliang,XiaoJunjian,CuiBaoling,etal.Simulationoftransientbehaviorinprototypecentrifugalpumpduringrapidregulatingflowrate[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2014,30(11):68－75.(inChinesewithEnglishabstract)0引言离心泵运行时工况通常较为稳定[1-7]，即工作转速或负载不变或者变化非常缓慢。到目前为止国内外对离心泵的研究主要集中在该领域，研究成果非常丰富。随着尖端技术领域的不断拓展，在一些瞬态操作过程中（如快速启动[8-13]、断电停机[14-16]、转速波动[17]、快速调节阀门[18-21]）表现出的瞬态效应受到越来越多的重视。与最为受关注的启动过程瞬态特性研究相比，离心泵变工况瞬态操作过程的特性研究则发展较为缓慢。Tanaka等[18]重点对调节离心泵出口阀门瞬态操作过程中的汽蚀性能进行了实验研究，发现该瞬态过程中压力和流量的非定常波动特性与汽蚀和流动分离有关。武鹏等[19]对离心泵出口阀门突然开启的瞬态过程进行了实验测试与数值模拟研究。该过程实际上是离心泵输送流量突然增大的过程。结果发现，流量增加时流体的加速效应是瞬态性能曲线位于稳态曲线下方的直收稿日期：2014-03-21修订日期：2014-05-08基金项目：浙江省自然科学基金资助项目（LY14E090011,LY12E06002）；国家自然科学基金资助项目（51276172）作者简介：张玉良（1978－），男，博士，讲师，主要从事离心泵非稳态条件下的瞬态特性研究。衢州衢州学院机械工程学院，324000。Email:zhang002@sina.com接原因。吴大转等[20]对一台离心泵出口阀门快速开启过程中的外特性和内流场进行了实验测试和数值模拟研究。实验中运用PIV技术获得了不同工况下的内部流场分布特征，并与数值模拟结果做了对比。研究发现阀门开启过程中的流体流动加速效应使得其外特性曲线整体上位于稳态计算结果之下，阀门开启过程中泵内部的旋涡运动也是影响泵性能的一个重要因素。汤跃等[21]根据水泵性能曲线和流量随时间变化规律，在三维空间建立了水泵运行状态体系。提出了一种变工况条件下水泵能耗指标的计算模型，解决了现有水泵能耗指标计算方法的局限性。黎义斌等[22]对离心泵在不同工况点时的内部流动进行了多次数值计算，提出了离心泵径向力数值预测的数学模型。本文将首先根据前期推导得到的叶轮机械广义欧拉方程式进行离心泵出口阀门快速调节（流量迅速减小）瞬态操作过程中附加理论扬程