离心泵快速启动作为一种特殊的瞬态过程,其转速在启动过程中迅速上升,水泵内部的流动变化十分剧烈,压力分布严重不均匀,使得叶轮上有径向力产生,导致启动过程中出现振动噪声现象。本文以一台比转速为93的离心泵作为原模型,在其基础上分别设计了单、双蜗壳结构压水室,并建立了一套循环管路系统,运用CFD数值计算方法对单、双蜗壳离心泵启动过程进行研究。探究两种离心泵在启动过程中的外特性变化情况、内部流场演化特征和压力脉动特性,对比研究了不同蜗壳结构对离心泵瞬态径向力的影响规律,并分析了空化条件下离心泵在启动过程中的瞬态流动特点。本文主要研究内容和成果如下:1.运用大涡模拟和动网格方法对单、双蜗壳离心泵及循环管路系统启动过程进行非定常计算。对比分析了两种离心泵在启动过程中的外特性变化趋势,发现流量和扬程的上升趋势与转速的上升趋势相似,但在启动初期流量和扬程增长速率相对于转速有一定滞后性。两种离心泵在额定转速下的外特性相近,整体误差不超过4%,表明所采用的数值模拟方法是合适的。2.对单、双蜗壳离心泵在启动过程中的压力场和速度场演化过程分别进行了比较分析,结果发现,叶轮内部瞬态流动特征受蜗壳结构的影响较小,在启动初期,叶片末端压力面侧出现局部高压区,叶轮流道内有大面积的回流区域产生,占据约2/3流道;在启动中后期,叶片上的局部高压区消失,叶轮内回流区域逐渐缩小,并向叶片压力面移动。在启动期间,单蜗壳内部有较多不同尺度的漩涡产生,而双蜗壳中的隔板结构阻碍了叶轮上局部高压区的扩散,对压水室内部流动状态起到了一定的改善作用。3.在双蜗壳隔板两侧以及单蜗壳相应位置分别设立6个监测点,获得双蜗壳离心泵启动过程中隔板不同位置上的压力脉动变化趋势。结果发现,隔板初始和末端位置的压力脉动幅值较为剧烈,隔板对其外侧流道内的液流具有一定阻碍作用,导致隔板外侧压力高于隔板内侧,而单蜗壳内各个相邻监测点的压力大小和脉动幅值均较为接近。4.对单、双蜗壳离心泵在启动过程中受到的瞬态径向力进行数值计算,比较分析叶轮及蜗壳上产生的瞬态径向力时域变化和矢量分布变化特征,发现瞬态径向力受动静干涉作用影响,具有明显的脉动性,且随着流量的上升脉动幅值不断变大。叶轮瞬态径向力矢量分布绕转轴呈顺时针旋转,与转速方向相反,其螺旋结构由叶轮叶片数决定,具有明显的周期性。隔板加剧了压水室结构的非对称性,使得双蜗壳离心泵在启动中后期叶轮瞬态径向力矢量分布相对于单蜗壳较为紊乱,缺乏对称性。通过分析时域变化图能够发现,双蜗壳结构能有效平衡离心泵启动过程中的瞬态径向力,对降低离心泵启动过程中的振动噪声和提高使用寿命起到了重要的作用。5.对离心泵在空化条件下的启动过程进行非定常数值模拟,分析了叶轮和蜗壳内部空泡体积分布演化特点,以及在空化条件下离心泵流道内部的静压分布变化情况。发现在启动初期叶片根部吸力面位置就已有少量的空泡产生,而空化现象主要发生于启动的中后期,且随转速的上升空化程度不断加剧,当转速达到额定值时,空化程度最为剧烈,离心泵启动过程中的水力性能大幅降低。