离心泵瞬态空化流动及压力脉动特性

离心泵内部空化特性的数值模拟与试验研究胡锦蘅;余波;刘彬;李文浩【摘要】以一台典型的清水式离心泵为研究对象，采用数值模拟和试验研究的方法，对3种不同流量工况下的离心泵内部空化特性进行了对比分析。

结果表明：数值模拟与试验结果存在一定差异，具体表现为小流量区比较吻合，大流量区差异较大；临界汽蚀余量时，离心泵空化已经很严重，通过数值模拟发现，初生空化发生在临界汽蚀余量之前很长一段时间。

因此后续应针对该泵展开初生空化研究。

%A water centrifugal pump is taken as the object of the research , with the methods of numerical simulation and experimental researchs , centrifugal pump cavitation performance of 3 flow conditions is compared and analyzed .The result shows:there are some differences between numerical simulation and experimental results , the differences of low flow area are less than the large flow area; When is the critical NPSH , centrifugal pump cavitation is highly serious , and the initial cavitation took place in a long time before the critical NPSH .Therefore , initial cavitation research should be expanded for the pump in the future .【期刊名称】《黑龙江大学工程学报》【年(卷),期】2016(007)001【总页数】5页(P87-91)【关键词】离心泵;数值模拟;空化特性;临界汽蚀余量【作者】胡锦蘅;余波;刘彬;李文浩【作者单位】西华大学能源与动力工程学院，成都 610039;西华大学能源与动力工程学院，成都 610039;西华大学能源与动力工程学院，成都 610039;西华大学能源与动力工程学院，成都 610039【正文语种】中文【中图分类】TH311空化现象是流体流动过程中局部压力低于饱和蒸汽压力以下时出现的空泡生成、长大、溃破现象，空化的发生会破坏离心泵内流动的连续性，导致泵的扬程下降，引起轴系振动、噪声，致使泵效率降低等特性变化，严重时会导致整个系统无法工作[1-2]。

离心泵作透平启动过程的瞬态内流特性研究离心泵作透平启动过程的瞬态内流特性研究摘要：离心泵作为一种常见的流体输送装置，广泛应用于各个领域，如工业、农业和民用等。

然而，在一些特殊情况下，离心泵需要与透平设备共同工作，以实现更高效的能源利用。

本文旨在研究离心泵作为透平启动过程中瞬态内流特性，并分析其对能量转换和系统稳定性的影响。

1. 引言离心泵和透平设备是常见的流体输送与能量转换装置，它们在许多领域都有着重要的应用。

离心泵通过离心力将流体加速到高速并推动流体在管道中流动，透平则利用流体的压力和动能产生机械能。

将离心泵与透平设备结合使用，可以实现流体能量的高效转换和能源的回收利用。

2. 离心泵作透平启动过程的瞬态内流特性2.1 离心泵与透平的工作原理离心泵的工作原理是利用叶轮的旋转运动，使流体的动能增加，从而推动流体在管道中流动。

透平的工作原理是将流体的压力和动能转化为机械能，透平的旋转运动与离心泵相反。

2.2 瞬态内流特性的定义与影响因素瞬态内流特性是指离心泵在启动过程中流体流动状态的变化特性。

其主要影响因素包括启动时间、管道长度、启动流量和流体性质等。

在启动瞬间，离心泵与透平之间会发生流体流动的变化，对系统能量转换和稳定性产生影响。

3. 实验方法与结果分析通过在实验室中搭建离心泵与透平的启动测试系统，对瞬态内流特性进行研究。

实验结果显示，在启动瞬间，离心泵的流量和速度呈现非线性变化，流体也会产生较大的振荡。

同时，启动时间的长短、管道长度的不同以及启动流量的大小都会对瞬态内流特性产生明显影响。

4. 数值模拟与仿真为了更好地理解离心泵作透平启动过程的瞬态内流特性，采用数值模拟与仿真的方法进行研究。

通过对系统的流体流动进行数值计算，可以得到离心泵的流量、速度和压力等关键参数的变化规律。

仿真结果显示，在启动瞬间，离心泵的流量和速度的变化呈现出更加明显的非线性特性。

此外，流体振荡现象也得到了验证。

5. 结论离心泵作为透平启动过程中的重要组成部分，其瞬态内流特性对能力转换和系统稳定性具有重要影响。

109中国设备工程Engineer ing hina C P l ant中国设备工程 2018.03 （上）离心泵的运行是利用叶轮的高速旋转而实现的，通过叶轮的高速旋转来带动叶片间的液体相应的转动，在离心力的作用下将液体实现从叶轮中心向外缘抛出，并赋予能量。

传统的离心泵的设计一般采用的是一元理论和相似理论，通过模型换算法和速度系数法来进行设计。

对于离心泵的性能参数而言其最终的确定还是通过以离心泵样机的实验来进行扬程和流量的设计，并在实践的过程中发现，样机实验很容易带来较大的误差。

随着现代流体力学和相关流体分析软件的不断发展，数值模拟技术在离心泵设计中的效果越来越好。

本文将围绕着离心泵内部不稳定流场压力脉动特性，结合流体力学和相关流体分析软件来进行分析与研究。

1 压力脉动理论研究表明，旋转叶片与静止的蜗壳之间的相对运用，及偏离最优工况时候吸水室水流圆周运动，局部空气及二次流等相关因素都会导致压力脉动的产生。

压力脉动的产生往往会导致离心泵设备出现振动及噪声，并且严重的时候往往还会对系统设备带来较为严重的影响。

基于此，为了提高离心泵运行的稳定性，我们就需要对压力脉动特性进行着重的分析和研究。

对泵内非稳定流场的压力脉动特性而言，在上文中已经对其计算方法进行了相应的论述。

在本文的研究和论述中，将以低比转数标准作为研究方法，通过运用相关计算方法来对不同工况下的压力脉动特性进行分析和论述。

2 研究意义为了研究离心泵内非定常流动引起的压力脉动现象及其特点，建立了某型离心泵流场的三维有限元网格。

采用Fluent 仿真技术和RNGk-ε湍流模型，通过设置监测点，利用泵的流场计算非定常状态，得到每个时间段的压力。

我们通过利用FFT 方法的叶轮和蜗壳检测而言，从目前检测研究中，我们可以大致了解到，叶轮与蜗壳的内部压力脉动主要集中在叶频及倍频，此外，叶轮与蜗壳之间的相对动静关系也会对压力脉动产生较大的影响。

对于目前的离心泵应用而言，随着其应用越来越广泛，对其设计效率的提升也越来越重要，通过对振动和噪声的降低能够有效的实现离心泵的高效利用，对于推动离心泵发展而言有着十分重要的意义。

高速离心泵空化特性研究罗旭; 宋文武; 万伦; 虞佳颖; 陈建旭【期刊名称】《《水力发电》》【年(卷),期】2019(045)011【总页数】6页(P74-78,94)【关键词】高速离心泵; 空化; 体积分数; 压力脉动【作者】罗旭; 宋文武; 万伦; 虞佳颖; 陈建旭【作者单位】国电大渡河检修安装有限公司四川乐山614900; 西华大学能源与动力工程学院四川成都610039【正文语种】中文【中图分类】TH3110 前言高速离心泵具有流量小，扬程高，转速快，结构紧密等特点，被广泛应用在航空航天、石油化工等领域[1]。

随着高速离心泵课题的研究，对其稳定性的要求也越来越高，而空化现象对高速离心泵的运行稳定有很大影响，空化问题一直是离心泵探讨的热点也是需要待解决的难点。

由于高速离心泵转速的提高，对内流场的变化更为敏感。

空化的产生不仅会导致其水力性能下降，同时也会改变内部流动特性，产生振动和噪音，还会造成叶轮材料的破坏，影响叶轮的使用寿命。

故研究空化过程中的发展机理，空泡主要发生位置及对水力效率的影响对提高稳定性具有重要参考意义。

目前，国内外采用试验和数值模拟方法对空化做出了诸多论述。

吴登昊等[2]对低比转速离心泵叶轮瞬态空化特性进行了研究，表明不同工况下产生的空泡特性不同，且对径向力有较大影响。

崔宝玲等[3]采用高速摄影技术对离心泵内诱导轮与叶轮流道内空化流动进行可视化研究，得出不同阶段的对应的汽蚀余量的具体变化范围。

罗亮等[4]基于zwart模型对化工离心泵空化在设计工况下叶轮空泡和总压分布规律进行数值模拟。

贺国等[5]对离心泵隔舌位置处的空化压力脉动进行分析，表明随着空化程度的增加，高频部分的谱峰增多，频率成分增加。

宗伟伟等[6]对带分流式的高速离心泵的压力脉动进行了试验研究。

胡帅等[7]主要研究了微型高速离心泵在小流量下的空泡流动变化。

但大多研究集中在常规转速下进行的，把空化当做一个静态的角度在处理，没兼顾到空化的变化是动态的，是一个不断积累的过程。

———————————————收稿日期：2021-06-17基金项目：国家自然科学基金（51375186）；湖北省教育厅重点科研项目（D2*******）作者简介：汤雄（1995－），男，湖北孝感人，硕士研究生，主要研究方向为流体机械及机械工程，E-mail ：；万攀 （1990－），男，湖北孝感人，硕士，工程师，主要研究方向为机械设计与仿真分析。

*通讯作者：王彦伟（1975－），男，河南开封人，博士，教授，主要研究方向为CAD/CAE 、机械优化设计，E-mail ：。

离心泵启动过程中蜗壳的瞬态特性分析汤雄1，王彦伟*,1，万攀2（1.武汉工程大学 机电工程学院，湖北 武汉 430073； 2.中国船舶集团有限公司 第七二二研究所，湖北 武汉 430205）摘要：为了分析高速离心泵启动过程中蜗壳的瞬态特性，首先通过Flowmaster 软件进行启动过程仿真，得出外特性曲线，然后使用CFX 对启动过程中的蜗壳进行全流场分析，得出蜗壳内部瞬态速度场分布规律以及轴向力和径向力瞬态变化曲线，同时布置8个监测点对蜗壳的压力脉动进行分析，再通过单向流固耦合对蜗壳的结构进行瞬态特性分析。

分析研究结果表明，在离心泵的启动过程中，蜗壳内速度场呈现先紊乱后稳定均匀分布变化，径向力和压力在0.19 s 内表现出快速增加，随后较为快速减小直至0.53 s ，0.53 s 后出现小幅度增加，并在0.91 s 逐渐趋向稳定状态。

蜗壳结构的振幅在0.19 s 达到最大值16.255 μm ，0.91 s 后在13 μm 上下小幅度波动且趋向稳定状态。

关键词：离心泵；蜗壳；启动过程；瞬态分析 中图分类号：TH311 文献标志码：Adoi ：10.3969/j.issn.1006-0316.2022.02.001文章编号：1006-0316 (2022) 02-0001-07Analysis of Transient Characteristics of Volute in Centrifugal Pump Start-Up ProcessTANG Xiong 1，WANG Yanwei 1，WAN Pan 2( 1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, China; 2.No.722 Research Institute, CSSC, Wuhan 430205, China )Abstract ：In order to analyze the transient characteristics of the volute in the start-up process of the high-speed centrifugal pump, the start-up process was simulated by the Flowmaster software to obtain the external characteristic curve. Then, CFX was used to analyze the volute in the start-up process to obtain the distribution law of the transient velocity field inside the volute and the transient change curve of axial and radial force. At the same time, eight monitoring points were arranged to analyze the pressure pulsation of the volute, and then the transient characteristics of the volute structure were analyzed through unidirectional fluid-solid coupling. The results show that during the start-up process of centrifugal pump, the velocity field in the volute changes from a disordered state to a stable uniform distribution. The radial force and pressure increase rapidly in 0.19 s, and decrease at a relatively high speed until 0.53 s, and then increase slightly and gradually trend to a stable state in 0.91 s. The amplitude of the volute reaches a maximum value of 16.255 μm at 0.19 s, and fluctuates slightly around 13 μm after 0.91 s and tends to be stable.Key words ：centrifugal pump ；volute ；start-up process ；transient analysisAll Rights Reserved.离心泵是一种把原动机的机械能转换为抽送液体的能量、具有高效转换且运输能力较好的机械，其内部液体流动是靠离心力的作用，性能良好、结构稳定并紧凑。