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。

第３８卷　第９期Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．９王凯丽高比转数离心泵空化状态下的压力脉动特性王凯丽１，李红１，沈振华２（１．江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏镇江２１２０１３；２．格兰富（中国）投资有限公司，北京１００１９０）收稿日期：２０１９－０２－２２；修回日期：２０１９－０５－２１；网络出版时间：２０２０－０７－１１网络出版地址：ｈｔｔｐｓ：／／ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２．１８１４．ＴＨ．２０２００７０９．１７０８．０２４．ｈｔｍｌ基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１２７９０６８）第一作者简介：王凯丽（１９９５—），女，安徽阜阳人，硕士研究生（８６９４４９６６０＠ｑｑ．ｃｏｍ），主要从事离心泵压力脉动研究．通信作者简介：李红（１９６７—），女，江苏兴化人，研究员，博士生导师（ｈｌｉ＠ｕｊｓ．ｅｄｕ．ｃｎ），主要从事流体机械及排灌机械研究．摘要：通过相似变换得到高比转数离心泵缩小模型，并通过试验和数值模拟发现模型泵和设计泵的性能曲线相近，可代替设计泵进行试验研究．基于ＲＮＧｋ－ε湍流模型，采用ＳＩＭＰＬＥＣ方法求解不可压缩时均方程，通过对离心泵内部流场进行定常和非定常数值模拟，得到不同工况点的外特性、汽蚀及压力脉动特性，并通过模拟结果和试验结果的对比，验证了模拟的准确性．通过模拟发现：额定流量下隔舌处的压力脉动幅值最大；不同工况下各监测点的压力脉动主频均为叶频；隔舌压力脉动最大，进口压力脉动最小．额定工况下压力脉动幅值最小，非设计工况下压力脉动幅值明显增大；通过对空化不同阶段的瞬态数值模拟，发现从未空化到严重空化，不同工况下隔舌和出口处的压力脉动变换规律相同，随着空化发展，压力脉动幅值降低，且脉动主频均为叶频；并且随着空化程度加剧，压力脉动高频成分增多，各监测点主频下降明显，并可将此作为判定空化初生的依据．关键词：高比转数离心泵；压力脉动；外特性；空化中图分类号：ＴＨ３１１；Ｓ２７７．９　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７４－８５３０（２０２０）０９－０８９１－０７Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８５３０．１９．００２０ 王凯丽，李红，沈振华．高比转数离心泵空化状态下的压力脉动特性［Ｊ］．排灌机械工程学报，２０２０，３８（９）：８９１－８９７． ＷＡＮＧＫａｉｌｉ，ＬＩＨｏｎｇ，ＳＨＥＮＺｈｅｎｈｕａ．Ｐｒｅｓｓｕｒｅｐｕｌｓａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｏｗｎ ｓｃａｌｅｄｈｉｇｈｓｐｅｃｉｆｉｃｓｐｅｅｄｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐｕｎｄｅｒｃａｖｉｔａｔｉｏｎｓｔａｔｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｒｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＪＤＩＭＥ），２０２０，３８（９）：８９１－８９７．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）Ｐｒｅｓｓｕｒｅｐｕｌｓａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｏｗｎ ｓｃａｌｅｄｈｉｇｈｓｐｅｃｉｆｉｃｓｐｅｅｄｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐｕｎｄｅｒｃａｖｉｔａｔｉｏｎｓｔａｔｅＷＡＮＧＫａｉｌｉ１，ＬＩＨｏｎｇ１，ＳＨＥＮＺｈｅｎｈｕａ２（１．ＮａｔｉｏｎａｌＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＰｕｍｐｓ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｒｕｎｄｆｏｓ（Ｃｈｉｎａ）ＩｎｖｅｓｔｍｅｎｔＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｏｗｎ ｓｃａｌｅｄｍｏｄｅｌｐｕｍｐｏｆａｈｉｇｈｓｐｅｃｉｆｉｃｓｐｅｅｄｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅａｆｆｉｎｉｔｙｌａｗｓｆｏｒｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐｓ．Ｉｔｔｕｒｎｅｄｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｐｕｍｐｉｓｓｉｍｉｌａｒｔｏｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｓｃａｌｅｐｕｍｐｂａｓｅｄｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ，ａｎｄｔｈｅｍｏｄｅｌｐｕｍｐｃａｎｒｅｐｌａｃｅｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｐｕｍｐｆｏｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＲＮＧｋ－εｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅｔｉｍｅ ａｖｅｒａｇｅＮ－ＳｅｑｕａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｆｌｕｉｄｆｌｏｗｉｎｔｈｅｐｕｍｐｍｏｄｅｌｗｅｒｅｓｏｌｖｅｄｂｙＳＩＭＰＬＥＣｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃ，ｃａｖｉｔａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｐｕｌｓａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｐｕｍｐｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｓｔｅａｄｙａｎｄｔｒａｎｓｉｅｎｔｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａ ｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｔｈｅｐｕｍｐ．Ｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｖａｌｉｄａｔｅｄｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ．Ｉｎｔｅｒｍｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｌａｒｇｅｓｔｐｒｅｓｓｕｒｅｐｕｌｓａｔｉｏｎａｍｐｌｉｔｕｄｅｉｓｓｅｅｎａｔｔｈｅｔｏｎｇｕｅａｔｔｈｅｒａｔｅｄｆｌｏｗｒａｔｅ．Ｔｈｅｄｏｍｉｎａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｐｕｌｓａｔｉｏｎａｔｅａｃｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅｂｌａｄｅｐａｓｓｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｔｈｅｔｏｎｇｕｅｅｘｐｅ ｒｉｅｎｃｅｓｔｈｅｌａｒｇｅｓｔｐｒｅｓｓｕｒｅｐｕｌｓａｔｉｏｎ，ｂｕｔｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒｉｎｌｅｔｉｓｓｕｂｊｅｃｔｔｏｔｈｅｓｍａｌｌｅｓｔｐｒｅｓｓｕｒｅｐｕｌｓａ ｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｐｕｌｓａｔｉｏｎａｍｐｌｉｔｕｄｅｉｓｔｈｅｓｍａｌｌｅｓｔｕｎｄｅｒｔｈｅｒａｔｅｄｆｌｏｗｒａｔｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｂｕｔｓｉｇｎｉｆｉ ｃａｎｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｕｎｄｅｒｏｆｆ ｄｅｓｉｇｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔａ ｇｅｓｏｆｃａｖｉｔａｔｉｏｎ，ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｆｒｏｍｎｏｎ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎｔｏｓｅｖｅｒｅｃａｖｉｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｐｕｌｓａｔｉｏｎｃｈａ ｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｏｎｔｈｅｔｏｎｇｕｅａｎｄａｔｔｈｅｏｕｔｌｅｔｒｅｍａｉｎｓｕｎｃｈａｎｇｅｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｏｒ ｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｓｐｅｃｉａｌｌｙ，ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｐｕｌｓａｔｉｏｎａｍｐｌｉｔｕｄｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｃａｖｉｔａｔｉｏｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｄｏｍｉｎａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｐｕｌｓａｔｉｏｎｉｓｔｈｅｂｌａｄｅｐａｓｓｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ａｎｄｗｉｔｈｅｘｔｅｎｄｉｎｇｃａｖｉｔａ ｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅ，ｔｈｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｐｕｌｓａｔｉｏｎｂｅｃｏｍｅｒｉｃｈ，ａｎｄｔｈｅｄｏｍｉｎａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｔｅａｃｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔｄｒｏｐｓｏｆｆｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．Ｔｈｅｓｅｏｕｔｃｏｍｅｓｃａｎｂｅｕｓｅｄａｓｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｊｕｄｇｉｎｇｃａｖｉｔａｔｉｏｎｉｎｃｅｐｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｓｐｅｃｉｆｉｃｓｐｅｅｄｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐ；ｐｒｅｓｓｕｒｅｐｕｌｓａｔｉｏｎ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ 随着科学技术的不断发展，工程上对技术的稳定性要求越来越高．高比转数离心泵具有流量大等特点，广泛应用于城市排污等方面．其中空化是影响泵稳定性和性能的一个重要因素．空化严重时会堵塞流道，导致泵的扬程和效率骤降，还会引起泵的振动和噪声［１－２］．因此清楚离心泵的空化特征具有重要的工程价值．由于离心泵蜗壳和隔舌结构的不对称性，使得泵在产生静态压力的同时还产生动态压力分量，也就是压力脉动．其中叶轮与蜗壳间的动静干涉是产生压力脉动的主要原因［３］．离心泵压力脉动的获取方法主要有试验法和数值模拟计算法．试验法成本高，且难以监测转动叶片上的脉动．目前计算流体力学技术的广泛应用，极大地改变了叶片泵内部流动分析的现状．刘厚林等［４］通过对３种工况及蜗壳不同位置的非定常流场进行数值计算，发现压力脉动主频为叶片通过频率，从蜗壳底部到蜗壳背面压力脉动由小变大且以高频脉动为主．周玉林［５］通过对偏离工况下的压力脉动研究，发现大流量下离心泵各部分的压力脉动特性和设计工况下的基本相同，但幅值略有增大，小流量下叶轮出口处压力脉动幅值有所增大．王松林等［６］通过对比非空化和空化时叶轮内压力脉动特性，发现各监测点的压力脉动最大幅值空化时大于非空化．ＣＨＡＬＧＨＯＵＭ等［７］研究了蜗壳扩散器类型对离心泵内流动特性以及压力脉动特性的影响，发现切向扩散器压力脉动大于径向扩散器，为设计泵的扩散器提供参考．ＳＰＥＮＣＥ等［８］通过计算不同检测点的压力脉动，发现蜗壳中心顶部检测点是确定泵关键部件时状况压力脉动的有效测量点．相似定律作为离心泵设计中的一种常用手段，对设计出结构相似性能优良的离心泵具有重要意义．对于性能优良的水力模型泵直接进行相似变换，极大地缩短了的设计周期，减少了设计成本．施卫东等［９］基于缩比模型换算法得到设计泵，发现在０．４～１．６倍额定流量工况下，设计泵与模型泵的性能预测满足相似换算准则，并且缩比模型具有更好的水力性能．闵思明等［１０］通过缩小模型试验研究表明，工况相似的模型泵和设计泵的水力效率和容积效率近似相等，但两者的机械效率却不等．赵丽娟等［１１］以相似定律为基础，设计出性能优良的螺旋滚筒，为提高采煤机螺旋滚筒设计效率提供了一种简洁、快速的设计方法．目前国内学者侧重于对小流量低比转数离心泵非空化状态下压力脉动的研究，而对于高比转数离心泵尤其是空化状态下的内流研究较少．因此研究高比转数离心泵空化与非空化状态内流，尤其是压力脉动的变化规律有助于了解空化对于高比转数离心泵的影响大小．文中对设计泵直接进行比例缩放，保证叶轮出口安放角、叶片出口角、叶片数不变，保证缩放后工况点不会偏移，并对缩放模型不同工况下以及空化状态下进行压力脉动数值模拟．通过分析泵内脉动幅度变化，为设计低脉动、低振动噪声的高比转数离心泵提供理论基础．１　试　验１．１　试验装置试验台如图１所示，进行模型泵的外特性和汽８９２蚀试验．试验过程中电动机的转速由变频器调节控制；在进出口管道安装阀门并通过出口管道上的电磁流量计监测流量；水温由温度传感器测得；蜗壳进出口安装压力传感器计算得到扬程，流量、进出口压力、水温均在无纸记录仪上显示读取，转速由手持式测速仪测得．图１　试验装置示意图Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｅｓｔｓｔａｎｄ１．２　试验对象试验及数值模拟所用泵为缩小后的模型泵和原型泵．缩小后的模型泵主要性能参数分别为流量Ｑｄ＝６４ｍ３／ｈ，扬程Ｈ＝９ｍ，转速ｎ＝２３００ｒ／ｍｉｎ，比转数ｎｓ＝２１５；几何参数为叶轮进口直径Ｄ１＝８０ｍｍ，叶轮出口直径Ｄ２＝１０７ｍｍ，叶片数Ｚ＝５，叶轮出口宽度ｂ２＝３２ｍｍ．原型泵主要性能参数为Ｑｄ＝１３８０ｍ３／ｈ，扬程Ｈ＝１９ｍ，转速ｎ＝１４５０ｒ／ｍｉｎ；主要几何参数为叶轮进口直径Ｄ１＝２５２ｍｍ，叶轮出口直径Ｄ２＝３１５ｍｍ，叶片数Ｚ＝５，叶轮出口宽度ｂ２＝１００．８ｍｍ．２　数值计算２．１　建模以及网格划分图２为离心泵三维造型，主要由蜗壳、叶轮、前后盖板以及进出口延长段等６部分组成．图２　三维模型Ｆｉｇ．２　Ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｓｏｆｐｕｍｐ利用ＧｒｉｄＰｒｏ软件生成六面体网格，并调节各节点之间的距离从而改变边界层密度．对离心泵全流道网格在同一流量工况下进行无关性验证．改变网格密度后的流量系数最大误差在５％以内，此时网格数为５６５７６８０，选择此网格数进行后续计算．２．２　流场计算计算域由进口延长段、叶轮、蜗壳、出口延长段、前盖板、后盖板６个部分组成．采用计算流体动力学软件ＣＦＸ对高比转数离心泵内部流场进行定常及非定常计算．进口边界条件采用质量流量，出口边界条件为压力出口，通过改变出口压力来控制泵内部汽蚀的发生程度．壁面粗糙度设为２０μｍ，近壁面处选用标准壁面函数，壁面边界条件设为绝热无滑移壁面．转子和定子交界面采用滑移网格技术，网格关联采用ＧＧＩ方式．定常和非定常计算湍流模型均选用ＲＮＧｋ－ε湍流模型，采用ＳＩＭＰＬＥＣ方法求解不可压缩时均方程．以稳态结果作为初始条件进行非定常计算，求解精度设为１０－５．时间步长设置为Δｔ＝２８９．８６μｓ，即叶轮旋转４°所需的时间．为了保证数据处理时脉动稳定，数值计算１０个周期，选取最后１个周期进行分析．图３为压力脉动监测点位置，从隔舌处开始，每隔６０°设置１个监测点．监测点位置在叶轮与蜗壳交界处，这是因为在叶轮巨大离心力的作用下，流体在叶轮出口压力波动是最不稳定的，把监测点安置在此处可以更好地提取到泵内压力脉动波动的情况．图３　监测点设置Ｆｉｇ．３　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔｓｓｅｔ ｕｐ２．３　空化模型选择空化数值模拟的关键是建立合适的空化模型，目前应用最广的是输运方程类空化模型．基于输运方程的空化模型常用的有Ｚｗａｒｔ模型、完全空化模型、Ｓｃｈｎｅｒｒ－Ｓａｕｅｒ模型等．文献［１２］采用Ｋｕｎｚ模型在不同流量系数下对离心泵的空化性能进行数值模拟，并对内流场空泡和脉动规律进行分析，结果表明，采用Ｋｕｎｚ模型计算离心泵内部空化流动特性８９３有较好的表现．文中选用Ｋｕｎｚ模型，方程表达式为Ｒｅ＝Ｃｄｅｓｔρｖ（１－αｖ）ｍａｘ（ｐｖ－ｐ，０）０．５ρ１Ｕ２ｔ，（１）Ｒｃ＝Ｃｐｒｏｄρｖαｖ（１－αｖ）２ｔ∞，（２）式中：ｐｖ为气化压力；αｖ为气相体积分数；ρ１为液相密度；ρｖ为气相密度；Ｃｄｅｓｔ，Ｃｐｒｏｄ为经验常数，分别取９．０×１０５，９．０×１０４．３　结果与分析３．１　缩小模型泵和原模型泵的外特性比较图４为不同工况下原模型泵和缩小模型泵的扬程和轴功率数值计算结果对比，可以看出，根据相似变换定律得到的缩小模型泵与原模型泵流量扬程曲线结果基本一致，说明在全流量工况下，缩小模型泵能较好地满足相似变换定律．原模型泵和缩小模型泵的最大功率点均出现在１．２Ｑｄ左右，说明缩小过后的设计泵仍然具有较好的无过载性能．图４　缩小模型和原模型外特性曲线Ｆｉｇ．４　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｕｒｖｅｓｏｆｄｏｗｎ ｓｃａｌｅｄｐｕｍｐｍｏｄｅｌａｎｄｏｒｉｇｉｎａｌｐｕｍｐ３．２　缩小模型泵试验和ＣＦＤ结果对比３．２．１　定常模拟结果与分析图５为缩小模型泵数值计算与试验得到的性能曲线对比．图５　缩小模型泵试验与数值计算对比Ｆｉｇ．５　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｄｏｗｎｓｃａｌｅｄｍｏｄｅｌａｎｄｏｒｉｇｉｎａｌｐｕｍｐ由图５可以看出：计算和试验得到的功率和扬程在变化趋势上基本一致；缩小模型泵的功率在数值计算和试验条件下均在流量７０ｍ３／ｈ左右达到最大值；数值计算结果和试验值之间误差小于２％，说明ＲＮＧｋ－ε模型可以准确地模拟泵的外特性，文中所采用的数值计算方法是可靠的．３．２．２　空化特性曲线图６为原模型泵和缩小模型泵数值计算及试验的空化性能曲线，可以看出：缩小模型泵和原模型泵的试验结果和数值模拟结果基本一致；缩小模型泵的必需汽蚀余量峰值比原模型泵的提前，且峰值降低约３３％；缩小模型泵和原模型泵的计算和试验的误差小于６％，其中一个重要原因是数值计算没有考虑泄漏流量；试验的峰值（８．２ｍ）低于计算值（８．７ｍ）．图６　缩小模型泵和原模型泵ＮＰＳＨＲ变化曲线Ｆｉｇ．６　ＮＰＳＨＲ－ｆｌｏｗｒａｔｅｃｕｒｖｅｓｏｆｄｏｗｎ ｓｃａｌｅｄｐｕｍｐｍｏｄｅｌａｎｄｏｒｉｇｉｎａｌｐｕｍｐ尽管两者结果不完全相同，但性能变化趋势都相同，验证了空化数值计算的可靠性，也说明了缩小模型泵可以有效减小泵的必需汽蚀余量，并提高装置的运行稳定性．３．３　不同空化阶段叶轮内空泡变化图７为额定工况下不同空化数σ下的叶轮空泡体积分布，对应有效空化余量分别为７．４６０，３ ３８０，２．８８６，２．３８０，１．８５１，１．３４０ｍ．由图７可以看出：在进口压力较大时，离心泵流道内流体均匀流动，泵性能较为稳定，流道内没有出现空泡；随着进口压力不断降低，空泡首先出现在叶片靠近进口的吸力面．并且随着空化数降低，叶片间空泡体积分数增大，当空化系数达到０．１７２时，低压区几乎占据了叶片吸力面的整个区域，空泡大量出现，堵塞叶轮流道，造成了叶轮进口的静压损失，导致离心泵噪声增大，振动加剧，效率及扬程降低．额定工况下，空化最先产生和最严重的位置都是在叶片进口处，这是因为进口处流道面积较小，流速相对较大，导致进口压力降低，诱导产生空化。

离心泵知识、性能参数与特性曲线要正确地选择和使用离心泵，就必需了解泵的性能和它们之间的相互关系。

离心泵的主要性能参数有流量、压头、轴功率、效率等。

离心泵性能间的关系通常用特性曲线来表示。

一、离心泵的概‎念：水泵是把 ‎动机的机械能转换成抽送液体能量的机器。

来增加液体的位能、压能、动能。

动机通过泵轴带动叶轮旋转，对液体作功，使其能量增加，从而使需要数量的液体，由吸入口经水泵的过流部件输送到要求的高处或要求压力的地方。

二、离心泵的 ‎本构造离心泵的 本构造是由六部分组成的，分别是：叶轮，吸液室，泵壳，转轴，托架，轴承及轴承箱，密封 ， 台 等‎。

1、叶轮是离心泵的核心部分，它转速高输出力大，叶轮上的叶片又起到主要作用，叶轮在 配前要通过静平衡实验。

叶轮上的的 表 ‎要求光滑，以减少水流的摩擦损失。

2、泵壳，它是水泵的主体。

起到支撑固定作用，并与安 轴承的托架相连接。

3、转轴的作用‎是借联轴器和电动机相连接，将电动机的转距传给叶轮，所以它是传递机械能的主要部件。

4、轴承是套在泵轴上支撑泵轴的构件，有滚动轴承和滑动轴承两种。

轴承的 托‎为轴承箱。

滚动轴承使用牛油作为润滑剂加油要适当一般为2/3～3/4的体积太多会发热，太少又有响声并发热！滑动轴承使用的是透明油作润滑剂的,加油到油位线。

太多油要沿泵轴渗出， 热‎；太少轴承又要过热烧坏造成事故！在水泵运行过程中轴承的温度最高在85度一般运行在0度左右，如果高了就要查找 因（是否有杂质，油质是否发黑，是否进水）并及时处理！5、密封 。

叶轮进口与泵壳间的间隙过大会造成泵 高压区的水经此间隙流向低压区，影响泵的出水量，效率降低！间隙过小会造成叶轮与泵壳摩擦产生磨损。

为了增加回流阻力减少漏，延缓叶轮和泵壳的所使用寿命，在泵壳 缘和叶轮 援结合处 有密封 ，密封的间隙保持在0.25～1.10mm之间为宜。

三、泵的分类泵的种类很多，可按其各种特征加以分类，见表1-1。