离心泵压力脉动的特性分析与测试

沈阳工业大学信息科学与工程学院 惠 彪 许 会

0 引言

离心泵的压力脉动是流体的不均匀流动在离心泵中产生的某个位置某段时间的压力变化。由于压力脉动是离心泵产生振动、噪声的重要原因之一，很大程度上影响着离心泵运行的稳定性。因此，分析离心泵内部压力脉动情况，能够有助于提高系统工作品质，达到降低振动、噪声的目的[1]。本文首先应用CFD技术Fluent软件，分析叶轮与蜗壳流道在不同工况下及不同位置处的压力脉动特性，揭示产生离心泵压力脉动的原因以降低离心泵的压力脉动，最终保证离心泵的正常稳定工作。其次设计出测量的硬件和软件系统，满足试验的功能要求、制定试验的技术指标，为后续的试验做基础。

1 计算模型及网格划分

1.1 三维造型

本文选某离心泵为研究对象，该泵的主要设计参数如下:叶轮进口直径D=116mm，叶片数z=6，设计流量Q=108m3/h，扬程H=16m，转速n=1500 r/min。计算模型包括进水管、叶轮和蜗壳三个部分，利用Pro/E软件分别建立三个部分的三维模型再进行装配，组件如图1(a)所示[2]。

1.2 网格划分

应用非结构化网格划分技术，用Gambit软件对建立的离心泵三维模型进行网格划分[3]。最后划分完的网格数为810705个，网格质量在8.3左右满足要求。图1(b)为对图1(a)划分后的网格。

图1 三维建模与网格划分

2 数值计算

数值计算采用Fluent15.0软件。

2.1 数值计算方法

采用基于质量守恒定律的不可压缩流体的雷诺时均控制方程和标准的k-ε模型，近壁区采用标准壁面函数法处理。速度与压力耦合方式采用SIMPLE算法，对流项均采用一阶迎风格式。定常计算时叶轮区域采用多重参考坐标系MRF技术进行处理，收敛精度设为10-3；在非定常计算中，叶轮区域采用滑移网格技术，且以定常计算的结果作为非定常计算的初始值，有利于非定常计算的快速收敛，减少计算时间[4]。

2.2 边界条件设置

(1)叶轮进口采用速度进口条件。在叶轮的进口处加一段进水管使进入叶轮的流体充分流动。

(2)蜗壳出口采用自由出流条件。流量加权设定为1，表示离心泵内的流动在蜗壳出口段已达到充分发展状态。

(3)进水管和蜗壳的壁面设定为固体壁面，采用无滑移边界条件；叶轮除了耦合面外其余的所有壁面都设定为移动壁面，采用旋转参考坐标系。

2.3 时间步长设置

叶轮转速为1500 r/min，设定叶轮每旋转3°为一个时间步长[5]，则时间步长值为3.33×10-4s。时间步数设定为130步，叶轮旋转超过一周。

2.4 监测点设置

为了分析该离心泵内部压力脉动与不同位置的时域特性，在叶轮和蜗壳的中截面上布置8个监测点。其中，在叶轮工作面和背面上取4个监测点Y1～Y4，在蜗壳的隔舌、蜗型段和出口处取4个监测点V5～V8，位置如图2所示。

图2 监测点的位置分布

3 计算结果与分析

3.1 定常数值模拟结果分析

图3是在进口流量分别为0.8Q、1.0Q、1.2Q的三种不同工况下离心泵的静压分布云图。由图中可以看出：三种工况下，叶轮内部的静压变化比较明显，压力脉动表现剧烈；在蜗壳内部，从蜗壳进口到出口压力沿蜗壳逐渐增加，蜗壳内部的静压变化平缓。大工况下，蜗壳出口段的静压最大值和静压最大区域都在减小，这说明流量的增加更有利于液体在离心泵内部的流通，离心泵震动和噪声更小，离心泵能更稳定的工作；隔舌部位的回流和冲击形成的压力波动随着进口流量的增加，回流现象减弱。

图3 静压分布云图

3.2 非定常数值模拟结果分析

为有效反映不同工况下不同位置处的压力脉动特性，这里我们采用压力系数[6]。压力系数Cp定义如式(1)所示：

其中表示压力与其平均压力之差，Pa；ρ为流体的密度，m/s；u2为叶轮出口的圆周速度，m/s。

3.2.1 不同工况下的压力脉动特性

图4(a)为三个工况下位于叶轮流道内部的监测点Y3在一个周期内的压力脉动时域特性。由图可见，该监测点的压力脉动在三种工况下均具有非常明显的周期性，曲线显示规律的6个波峰和波谷。三个工况下的压力脉动幅度基本一致，但0.8Q下的压力脉动相比其他两种较高，这是因为小流量时流体的波动更剧烈。

3.2.2 不同位置处的压力脉动特性

图4(b)为在设计工况下蜗壳流道内部4处监测点的压力脉动时域特性。由图可见，蜗壳内4处监测点压力脉动的幅值有所不同，其中以靠近叶轮侧的隔舌处监测点V5的压力脉动幅值最大，这主要是因为随着叶轮的旋转，叶轮叶片与蜗壳隔舌间的距离不断变化，阻止叶轮流道中的流体进入蜗壳出口，从而此处流动受叶片的转动影响较大。监测点V7位于蜗壳流道中，此处基本没有影响流道运行的外界条件，流场随着叶轮的旋转逐渐稳定，因此此处压力脉动最小。

图4 不同流量下与不同位置处的压力脉动时域特性

4 测量系统的方案设计

4.1 硬件设计

在离心泵的模型和原型试验中，测试硬件系统主要包括计算机、数据采集卡、信号调理模块与压力传感器等部分。系统中传感器与被测设备完成各种试验参数的测量，输出模拟信号。信号调理电路通过传感器驱动、模拟信号的放大、隔离和滤波等调理功能，将原始信号及传感器的输出接口到数据采集卡。数据采集卡在计算机端上位机的调控下高速采样8个通道的数据，实时显示压力脉动的波形数据及其他数据的采集。

4.1.1 压力变送器

根据Fluent软件仿真获得的数据结果，本文选择符合试验要求的CYYZ31-45-DZ-14-B-G2型号压力变送器，其参数指标如下：压力量程：-100～200kPa；输出信号：0～10VDC；供电电压：15～36VDC；精度等级：0.25%FS；外螺纹：M20*1.5；响应频率：模拟信号输出 ≤ 500Hz、数字信号输出 ≤ 5Hz。

4.1.2 数据采集卡

本文选用USB-6005采集卡在计算机的控制下对8个通道的数据进行高速采样，其主要参数如下：工作电源：4.75～5.25V，电流最小250MA；最高指令速度 ≤ 50MS。模拟输入详细参数如下：8路双极性同步输入，同时采集无时间差；输入频率在0～100KHz；输入量程有±5V、±10V，最大输入保护电压±16V；输入精度有16位，最大值65536，非线性误差±0.01%[7]。

4.2 软件设计

测试软件系统主要包括虚拟仪器驱动、系统设置、采样显示、数据存储和后处理分析等几个部分。虚拟仪器驱动由数据采集卡驱动程序组成，为测试软件提供强大的技术支持。系统设置完成采样频率、采集量程、和通道配置等模拟量参数的设置，采样显示则完成波形的显示及采样结果的实时分析，它与系统设置组成了软件系统的主要部分。

4.2.1 程序面板的设计

使用Labview软件设计程序面板时，模拟采集部分是在设备内部完成模拟量与数字量的转换，通过analog_strat函数设置采集量程和采集频率并将数据读取到内存缓存，再使用analog_fifo_data函数读取缓存数据完成数据的采集。不过，需要注意的是采集之前需要使用clr_fi fo_buffer清空USB设备缓存数据，以免造成数据采集的干扰[8]。

4.2.2 前面板的设计和程序打包

程序界面设计部分主要是波形图的显示，可以在“前面板”上按照自己的想法设计不同的背景颜色、排列方式等，最终设计界面如图5所示。

图5 采集系统的界面设计

5 结论

(1)小流量工况下，离心泵内部流场流动不稳定，压力脉动幅值比其他两种工况更大；大流量工况下，蜗壳的隔舌和出口处会出现回流，导致此处会有压力梯度。

(2)蜗壳隔舌靠近叶轮侧的压力脉动幅值明显高于靠近蜗壳流道侧，这主要因为隔舌附近的流域比较复杂，与叶片的旋转位置有关。叶轮出口处压力脉动特性值很大，这主要是由叶轮和蜗壳的动静干涉引起的。

(3)压力脉动主要产生于叶轮出口与蜗壳的交界面处，影响离心泵的正常稳定运行，研究离心泵的压力脉动特性，对降低离心泵损耗、减小振动噪声等问题，在理论上有一定的指导意义。

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