离心泵是一种通用机械,在国民经济各个领域都发挥着至关重要的作用。离心泵除要求具有优越的水力性能和抗空化性能外,还要求具有优越的动态特性,以确保可靠地运行。前期研究发现缝隙引流叶片通过改变离心泵的内部流动结构改善了水力性能和空化性能,这种流动结构的变化势必带来离心泵压力脉动特性的变化。研究缝隙引流叶片式离心泵压力脉动特性及其影响机理,有助于探索控制离心泵内压力脉动的方法,以提高离心泵运行稳定性。本文采用数值、实验和理论分析的方法对缝隙引流叶片式离心泵和传统叶轮离心泵的压力脉动特性进行了对比研究,深入分析了离心泵压力脉动的产生机理,并在此基础上研究了缝隙引流叶片对离心泵压力脉动特性的影响及其机理。全文的主要工作如下:一、搭建实验装置和确定实验方法为全面探究离心泵压力脉动特性,在现有离心泵闭式实验台基础上设计搭建了高速摄影装置和压力脉动信号采集系统,并确定了实验内容和实验方法。二、构建非线性混合RANS/LES湍流模型在分析离心泵内部流动和压力脉动特性的基础上,针对以往数值模型模拟离心泵压力脉动存在的不足,提出了一种一阶非线性涡粘模型,并引入冯·卡门尺度LvK构建了一种自适应的非线性混合RANS/LES模型。通过在多个算例和离心泵上的测试,验证了该模型模拟非稳态流动和离心泵内压力脉动的有效性。三、缝隙引流叶片式离心泵压力脉动特性及其影响机理研究(1)传统叶轮离心泵的压力脉动特性a.随着流量增大压力脉动幅值先逐渐减小,后又显著增大。大流量工况下脉动幅值较小流量工况大得多。b.叶轮流道内压力脉动幅值总体上沿径向逐渐增大,压力面侧较吸力面侧更大。在大流量工况下1/3叶片半径处的流道中部出现压力脉动幅值急剧上升的现象。c.叶轮流道内测点的压力脉动以轴频为主,出水管扩散段测点Outlet处压力脉动以2倍叶频为主,蜗壳内测点压力脉动以叶频为主。各测点压力脉动在小流量和大流量工况下出现显著的低频脉动特征。(2)缝隙引流叶片式离心泵压力脉动特性缝隙引流叶片式离心泵内压力脉动特性与传统泵相似,但在特征流量和大流量工况下,其压力脉动幅值较传统泵显著降低,且大流量工况下未见1/3叶片半径处压力脉动异常增长的现象,此外蜗壳中2倍叶频特征相对更为显著。(3)离心泵压力脉动机理a.蜗壳的非对称结构引起叶轮流道内压力呈轴频的周期性变化。叶轮叶片尾缘压力场的分布特征导致叶轮旋转过程中蜗壳内部产生以叶片频率为周期的压力脉动。b.偏流量工况下吸力面前缘和压力面前缘流动分离引起的涡脱落等非稳态流动会引起泵内的低频压力脉动,泵体隔舌附近和出水扩散段内的冲击和脱流等非稳态流动也会引起叶频压力脉动。c.对流的非线性效应促进各处压力脉动2阶以及更高阶的谐频脉动。d.叶片尾缘的局部低压和非稳态流动特征随流量的变化,导致离心泵内压力脉动幅值随着流量的增大先逐渐减小,后又显著增大。(4)缝隙引流叶片影响离心泵压力脉动的机理缝隙引流叶片的导流和引流作用改善了叶轮流道内速度场和压力场的分布,使得叶轮出口压力面附近相对速度和叶片尾缘的低压区压降程度均有所减小,且流道内部非稳态特征显著降低,进而导致蜗壳内压力脉动强度减弱。四、缝隙引流叶片式离心泵空化工况压力脉动特性及相关机理分析1、传统叶轮离心泵和缝隙引流叶片式离心泵在不同工况下,所经历的空化形态有所差异。不同的空化形态对泵的水力性能和压力脉动有不同的影响。震荡空化和云空化的发生既会降低离心泵的水力性能,也会引起低频压力脉动,低频压力脉动随空化的发展而增强,其它空化形态对压力脉动影响不大。缝隙引流叶片式离心泵中发生的固定流道相间云空化具有2倍轴频特征。2、缝隙引流叶片的导流和引流作用提高了特征流量和大流量工况下离心泵的抗空化性能,改善了空泡对流道的阻塞效应,降低了压力面尾缘出流速度,导致空化崩塌前低频和叶频压力脉动水平的降低。