离心泵内部不稳定流场压力脉动特性分析

魏川，张楠

（唐山冀东水泥外加剂有限责任公司，河北 唐山 064000）

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。对于流体的振动而言，在目前的离心泵振动源之中是比较严重的源头之一，振动对于机体的影响十分的严重，因此，我们需要对流体引起的振动进行重视，并尽可能的对流体振动流量因素进行论述和研究。

3 计算区域及方法

3.1 计算区域和网络

设计条件下，水泵运行参数：流量24m3/h，出口压力0．46MPa，转速1460r/min。叶轮叶片依次为10，6，6。计算区域包括吸入室、三叶轮和蜗壳，水压室的整个流程。根据计算面积的复杂程度，本文首先使用Proe对离心泵进行三维实体建模，然后将实体模型HyperMesh布尔运算来获得离心泵机实体模型。

3.2 计算方法

对于离心泵而言，稳定的数值计算能够确保离心泵的运行能够更加流畅。在一般情况下，稳态数值的计算结果一般认定为非定常计算的初值，并且在叶轮与蜗壳之间会分别形成一定的网格，为了对叶轮与蜗壳之间的干扰问题进行计算，在这里我们引入非稳态数值计算来对相应的问题进行处理。对于非稳态数值计算的解释，在美技术科学周刊中对其解释如下：在二阶迎风格式中，利用二阶中心差分格式离散扩散项和源项，利用代数解中的次松弛迭代法，利用频域中的快速傅立叶变换。泵进口采用速度入口边界条件，与进口截面均匀且垂直，给出了速度的初始值。出口满足发展假设，即出口边界的压力和出口处的静压。

数值计算每个时间步长的每个监测点的压力值，并在对这些压力值进行快速傅立叶变换（FFT）之后获得压力脉动的频率域特性。

4 数据预测结果分析

4.1 特性数值计算结果

通过相应的计算和实验得到流量扬程及流量曲线。其中各工况点的计算值是以某一叶片在一旋转周期均匀索取的四个时刻的数据作为平均点。RNGk-＆方法能够较为准确的将离心泵的外特性进行预测，计算的数值与实验的结果相对趋向一致。不同工况的效率预测误差也不超过百分之五。此外，其他各工况的扬程和效果相对误差也比较稳定。

4.2 压力脉动结果分析

不同工况之下，隔舌处的压力脉动使用特征，表现为波动特点，能够快速通过傅里叶变化来得到相应的频域特性。此外，隔舌处的压力脉动随着叶轮的旋转也会呈现出周期性的变化趋势，也就是，每当叶轮叶片经过隔舌处的时候，必然会产生旋转叶片与静止蜗壳之间的干扰，而在偏流量的工况下时，周期性依然表现的很明显。总的来说，不同工况下的压力脉动频率以叶频-291．6Hz为主。设计流量的脉动幅值相对较少，而离心泵一旦偏离设计流量运行的时候，就会导致脉动幅值增加。与起初的设计工况隔舌相比较，压力脉动特性，其主频率相对同步，但是振幅明显小于隔舌部分，这一现象明显表明了隔舌处的强压力脉动是导致泵振动及噪声的主要因素，同时也是影响机组稳定性的重要因素。在实验过程中发现，当压力脉动向上游进行传递的时候，能量会呈现出逐渐减少的特点。

此外，蜗壳出口的两侧的压力脉动的主频与幅值相对保持一致，这也足以说明叶轮和隔舌在相互作用的情况下所产生的压力脉动会随着流体的运动向下游进行传递，其中能量成本基本会保持一致。而在向下游的传递过程中，压力脉动的变化将开始逐渐的平稳，幅值会大幅的衰弱，这时候的压力脉动频率就会稳定在一个较好的水平阶段之上。

本研究总结相关特性如下。

（1）不同半径叶轮处压力脉动的频率和振幅分布不同，叶轮在不同结构下的压力脉动频率和振幅分布也不同，且上下游过流分量对叶轮内的压力脉动分布不同。

（2）叶轮和蜗壳的静动力干扰导致流体流动不稳定，造成压力脉动较大。压力脉动的主要频率是叶片频率及其乘数。

（3）根据不同测点压力脉动的频谱特征，分析了离心泵压力脉动的来源。根据频谱的分布特点，合理选择叶轮类型、叶片数量和转速等参数，各部件的固有模式对振动和噪声性能的改善具有重要的指导意义。

5 结语

对于离心泵内的压力脉动而言，主要集中于中频段位置，多数情况下叶频为转频和叶轮叶片数量的乘积。旋转叶轮与静止蜗壳之间得到相互干扰往往会产生中频压力脉动，隔舌起到了主要的作用，同时也是压力脉冲产生的主要脉动源。另外，压力脉动在整个离心泵流道之间的传播，会随着液体的运动方向也逐渐运动，引起蜗壳内的压力脉动，同时也会影响到叶轮的进口部位。另外，叶轮的沿叶片流道是以前后流动为主的，压力脉动的幅值逐渐增大的时候，压力面脉动幅值将会逐渐增强。

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