离心泵压力脉动的特性分析和测试

　　离心泵主要用来在某一流量下产生一个稳定的压力差以达到输送介质的目的，理想的流量与扬程曲线给人的感觉是在某一流量点扬程是静态的。事实上，泵在产生静态压力分量的同时还产生动态压力分量，也就是压力脉动。压力脉动象交流信号一样叠加在静态压力分量上。

　　离心泵内的压力脉动是极其复杂的，不同的离心泵可能表现不同种类的压力脉动，即使对同一台离心泵，当处于不同工况时也可能呈现不同性质的压力脉动。因此，离心泵内压力脉动的定义必须包含随机脉动和周期脉动两种。设p为离心泵内某点的压力，

　　若对于任意的时间t和充分大的周期T，有平均压力基本不随时间而变化。

　　令，则即为离心泵内某点的压力脉动。这些压力脉动是由叶轮进出口回流、

　　汽蚀等非期望的流动特性形成的。

　　离心泵工作过程中，一定后缘厚度、一定数量的叶片会产生离散频率的压力脉动。而且偏工况时的脱流所引起的紊流，也会产生宽频带的压力脉动。宽频带的和离散频率的压力脉动都和进口管、叶轮、静子（导叶或蜗壳）的水力设计有复杂的关系。至今没有一个精确的理论来预测压力脉动的大小。

　　随着科学技术的发展，人们对泵的可靠性和噪声等方面提出了更高的要求，而泵的运行不稳定和噪声主要是由其内部流动情况决定的。泵内部流场非定常的湍流特性、叶轮与蜗壳的动静干扰、涡流及回流等都可能引起压力脉动，该压力脉动激发泵体和管道的机械振动，影响泵的正常运转，降低了泵的使用寿命；如果这种激励振动的频率接近泵的主频，还会发生共振，振动会在相邻的环境介质内产生声压波动，产生很大的噪声[1]。可见，泵内压力脉动是影响水泵运行稳定性的重要因素，也是导致噪声污染的重要原因。因而，对泵内部压力脉动进行研究，降低泵的振动噪声成为当前研究的重要任务之一。

　　离心泵广泛应用于生活和生产设备中，对其内部流动压力脉动的研究越来越受到人们的重视。因此，针对离心泵压力脉动的研究就具有极其重要的学术价值和应用价值，将有助于认识压力脉动特性，为控制和降低压力脉动提供有益的参考。本文选取离心泵为研究对象，在前人对泵内压力脉动的研究的基础上，对其内部流动及其压力脉动进行研究。

　　1.2.1国外研究现状

　　自上世纪五十年代，水泵在运行过程中所产生的压力脉动就引起了人们的注意，此时的研究将压力脉动看作随机信号，如清华大学的吴仁卿、刘冀生等；80年代初，日本学者宫代裕、近藤正遭等在对压力脉动进行研究时，把压力脉动看作是一种有规律的周期脉动。此后，随着测量技术的进步以及计算流体动力学CFD的飞速发展，压力脉动的研究进入了一个新的阶段。

　　用测试的方法了解离心泵内部压力脉动情况被认为是最基本和最可靠的手段。Arndt等试验研究了离心泵叶轮和蜗壳间的流动干扰，发现吸力面的压力波动大于压力面，最大的压力波动出现在吸力面进口边，当叶轮与蜗壳导叶间的径向间隙增大时该压力波动减小。Tatsuji等通过试验对叶轮出口速度、压力的波动特性进行了研究，指出速度的波动性深受尾迹的影响，而静压的波动性受其影响要小得多，并对波动的基波及其谐波特性进行了描述。Wang等通过试验研究了导叶内的压力脉动，得出其主频的压力脉动出现在非设计点时的叶频倍频处。Kelder等对一低比转速离心泵蜗壳内的非定常流动进行了理论分析和试验研究。分析计算了在设计工况下由二次流引起的压力脉动，发现即使是在设计点附近，由二次流引起的压力脉动已经达到了静态扬程的一半甚至还要大。Dong、Chu等使用带有噪声和压力测量装置的PIV（Particle Image Velocimetry）对不同隔舌间隙（间隙为叶轮半径的7%～28%）的蜗壳内的速度场进行了测量，并计算了蜗壳隔舌附近的非定常压力场。研究发现，当隔舌和叶轮之间的间隙约等于叶轮半径的20%时，离心泵的振动噪声将会明显地降低；在叶片间插入短叶片后，原始尾流有所减弱，但出现了另一射流一尾流现象。

　　由于成本过高，采用试验手段监测泵内（特别是转动的叶片上）的压力脉动通常比较困难，从而迫使叶轮内流动的数值模拟技术获得了更大的发展。1995年Fortes-Patella等应用重叠网格和相位滞后的周期边界条件，对泵内叶轮和蜗壳的动静干扰进行了二维非定常计算。Gonzfilez等应用Navier-Stokes方程和滑移网格技术，对离心泵全流道进行了三维非定常数值模拟，讨论了蜗壳隔舌附近由于动静干扰引起的压力脉动，并与试验值进行了对比，给出了预测叶轮出口和蜗壳隔舌动态相互作用的数学模型。在此前研究的基础上，2006年Gonzfilez等对流场结构与全局变量之间的关系作了进一步的研究，指出蜗壳内二次流与不同的压力脉动类型有关。Qin和Tsukamoto分别用奇点分布法和RANS（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations）模型计算了导叶泵内的叶轮-导叶干涉引起的非定常流，通过把两个结果进行对比来区别不稳定压力中的势流作用，从而确定了不同来源的压力脉动。涡方法因为它的无网格性所以适合应用在复杂几何体内的流动，可以用它来计算导叶泵内复杂的非定常流的压力脉动。Zhu用离散涡方法对额定流量下的动静干扰引起的压力脉动进行了计算，但是在改变工况点时这种方法就不适用了。Wang等在动静干扰问题上用边界集成方法引出一个能改进非稳定压力评估的新方法，其采用的涡方法可在变工况下应用。

　　随着研究的深入，除了对所获得的压力脉动现象进行分析之外，人们致力于把压力脉动与紊流理论联系起来深入到压力脉动内在机理问题的研究。Dring等指出动静干扰的两个直接机理：势流作用和尾流作用。一方面，由于叶轮叶片和静止的导叶之间的相对运动引起的无粘性相互作用产生了势流的相互作用；另一方面，叶轮流道内产生的尾迹进入后续的导叶流道时，由于尾迹的冲击和传播形成了尾迹的相互作用。此外，许多学者从离心泵的水力设计方面着手，致力于降低离心泵压力脉动以及振动、噪声的研究。大量研究表明，离心泵最强烈的压力脉动出现在隔舌附近。为此，许多学者试图通过改变叶轮和隔舌参数来降低压力脉动水平，如优化叶轮和隔舌的间隙、改变叶轮结构形式（分流叶片、双叶片叶轮）、改变隔舌形状（阶梯型隔舌）、改变叶轮叶片数等。

　　综上，国外对离心泵压力脉动的研究取得了较多的成果，有很好的借鉴价值，特别是关于压力脉动机理的分析以及现象的描述，对降低压力脉动的工程研究有很好的帮助。

　　1.2.2国内研究现状

　　目各高校针对工程实际用轴流泵、贯流泵等内部流动诱导压力脉动进行了数值计算与试验研究。中国农业大学的张玲采用大涡模拟对轴流泵多个工况下的压力脉动进行了预测，得到了监测点的时域特性和频域特性。耿少娟等应用商业软件Fluent分析了无短叶片、长短叶片和短短叶片三种叶轮的单级离心泵整机由于动静干扰引起的叶轮进口和蜗壳出口的压力脉动。清华大学的徐朝晖对高速泵动静叶栅间采用滑移网格技术建立交互界面，利用RNG（Random Number Generator）湍流模型对包括诱导轮在内的全流道进行了非定常数值模拟，并对频谱进行了FFT分析。陈党民等应用商业软件STAR-CD对三种工况下的部分流泵整机内的非定常流场进行了分析，对各叶轮流道内压力波动以及扬程的瞬变波动进行了描述。

　　施卫东等通过对轴流泵压力脉动特性的研究，表明不同转速下压力脉动的主频发生偏移，说明压力脉动主频与转速呈非线性关系。王福军提出轴流泵叶轮进口前压力脉动的幅值最大，压力脉动频率主要受叶轮转频影响，并提出应避免大型机组固有模态与叶片通过频率成整数倍。郑源等基于不同轴流泵叶片安放角度和扬程，探讨了压力脉动的变化规律及特性。王洪杰等通过对涡轮压力脉动的研究，表明在设计工况附近，叶轮入口处空化诱发连续的高频压力脉动，而动静干涉效应诱发压力脉动以转频、叶频以及两者的倍频为主。姚志峰等通过对种方案的双吸离心泵叶轮进行压力脉动同台试验，提出相对于传统双吸叶轮，两侧叶片交错布置后可改善压力脉动特性，减轻动静干涉的危害。潘中永通过对离心泵叶轮与锅壳动静干涉的研究，提出由动静干涉引起的压力脉动的主频与叶片通过频率相同，最终给出了一种可以测量转速的新方法。徐朝晖等对泵内动静干涉作用进行了数值模拟，认为定子与动子间各点的压力脉动频率相同，且幅值沿周向呈现出正弦变化规律。

　　1.使用Pro/E分别建立叶轮、蜗壳和进水管的三维模型，建立成功后装配成离心泵的整体结构；再使用Gambit软件进行网格划分，检查划分后的网格质量是否符合要求。

　　2.使用Fluent软件，通过在流场中布置监测点的方式，研究压力脉动与监测点位置、运行工况之间的关系，分析各监测点在不同工况下压力脉动值的时域特性以及内部流场的分布情况。

　　完成压力变送器、数据采集模块的器件选型和电路连接方式的测量系统方案设计；使用Labview软件绘制出上位机界面，采集所在布置监测点的压力脉动数据，显示压力脉动曲线、保存实验数据。

　　本章先通过定常数值模拟，得到离心泵内部的静压力场、速度场，进一步分析了隔舌处的压力及速度分布情况。

　　采用定常计算结果作为非定常计算的初始条件，通过对离心泵进行三维非定常数值模拟，数值分析了不同工况下、不同位置处和不同时刻时离心泵的压力脉动特性。

　　本文是以某离心泵作为研究对象，其中进水管、叶轮和蜗壳三个主要部件作为设计模型的计算区域，为了能够更加精确地分析流动部件内流场的分布规律，可以忽略一些对流动影响不大的部件如部件壁厚、联接零部件等，这样为计算模型的建模及数值模拟提供了极大的方便。本章详细介绍了利用Pro/E软件对计算模型进行三维造型过程及其计算模型计算域的网格划分过程。

　　该离心泵的转速为1500r/min，其三个主要过流部件包括进水管、叶轮和蜗壳。其中，叶轮是旋转运动的，进水管和蜗壳是静止不动的，通过叶轮与进水管、蜗壳的相互动静耦合，对计算模型全流道进行模拟计算。

　　本文根据已知的计算模型泵的水力图，采用功能强大的实体建模Pro/E软件分别对该离心泵的三个主要过流部件进行三维全流道建模，然后装配成整体的全流道实体模型。液体在泵内运动情况可通过泵的水力特性外在表现出来，而内部流体的流动情况是预测泵性能的基础。

　　2.1.1叶轮实体模型的建立

　　离心泵的叶轮是完成液体传输的主要部件。本文的叶轮结构对称，其具体建模过程如下：

　　（1）在圆柱坐标系中，使用偏移坐标系基准点命令，分别输入所给叶片轴面图中的每条轴面截线坐标点；使用插入基准曲线命令，将同一轴面截线上的坐标点连接起来；再使用边界混合工具将各个曲线连接起来，便生成了叶片的各个面；再使用曲面合并命令，将叶片六个面两两合并，最终构成一个封闭的曲面；选中形成的闭合曲面，利用实体化命令将闭合曲面变为实体；参照选择叶轮叶片的工作面和背面，驱动曲面选择叶轮叶片的内侧边界混合曲面，使用完全倒圆角工具对叶片模型加以修饰。

　　（2）建组从边界混合操作开始到最后倒圆角操作结束，右键组选择阵列操作，选定旋转轴，第一方向的阵列成员数输入6，再生选项选一般即通过假设所有成员形状各异且可能彼此相交来计算成员几何，使用阵列工具创造出另外5个叶轮叶片。

　　（3）使用草绘工具绘制出叶轮的轴面投影图，旋转轴选择内部CL，角度选择在第一个方向从草绘平面以指定的角度作为实体旋转，使用旋转工具生成出不完整的叶轮模型。

　　（4）使用插入-共享数据-合并/继承命令，将参照类型设置为外部，选取叶片实体作为参照模型，定义两个对齐约束类型。选择约束类型为对齐：分别选定叶轮模型和叶片模型中的基准轴；选择约束类型为对齐：选定叶轮模型和叶片模型中的基准平面，偏移选择重合即将原件置于和组件参照重合的位置。移除材料、选择从属关系，指定约束时在组件窗口中显示元件，实现外部切除。生成叶轮的实体模型保存为108-16-yl.prt，模型如图2.1所示。

　　2.1.2蜗壳实体模型的建立

　　蜗壳是离心泵中的又一重要过流部件，其具体建模过程如下：

　　（1）利用草绘工具绘制出离心泵蜗壳的截面图。为方便后续做扫描混合的时候使用，使用基准点工具创建出蜗壳八个断面与基圆的交点。按照给定的蜗壳的水力模型图，再利用草绘工具分别做出八个断面的形状。对于其他断面，参照基准坐标系CS0，类型选择圆柱坐标系，使用偏移坐标系工具，输入蜗壳水力模型图上的断面数据，选择创建出的基准点，使用插入基准曲线工具，绘制出其他断面的形状。

　　（2）使用偏移、镜像和草绘工具绘制出引导线，在第一方向上选择相邻两个断面作为链，在第二方向上选择引导线作为链，使用边界混合工具绘制出相邻两个断面的过渡曲面。在蜗壳的隔舌处，选中绘制处的样条曲线，利用拉伸工具，从中心向两侧拉升做一拉伸曲面，深度要超过涡室进口宽度，此步骤是方便后续的补面之用。参照选择修剪的面组为镜像步骤的一侧曲面、修剪对象选择拉伸出的曲面，保留修剪曲面，使用修剪工具进行修剪；使用相同的方法对镜像步骤的另一侧曲面进行修剪，最后使用边界混合工具生成蜗壳隔舌处的过渡曲面。

　　（3）利用曲面合并命令，两两合并逐步将所有的曲面合并为一个闭合的曲面。选中合并后的闭合曲面，利用实体化命令将闭合曲面变为实体。蜗壳的实体模型成功建立保存为108-16-wk.prt，模型如图2.2所示。

　　2.1.3进水管实体模型的建立

　　进水管模型的建立过程比较简单，使用草绘工具绘制出叶轮进口面曲线，从草绘平面以指定的深度值拉伸为实体即可获得进水管的实体模型，保存为108-16-jsg.prt，如图2.3所示。

　　2.1.4元件的装配

　　（1）使用装配工具将元件108-16-wk.prt添加到组件中，使用用户定义约束集，约束类型选择在缺省位置装配元件；运动类型选择平移定义方向，在视图平面中相对来调整或选取参照；指定约束时在组件窗口中显示元件。

　　（2）使用装配工具将元件108-16-yl.prt添加到组件中，定义两个对齐约束类型。选择约束类型为对齐：选定叶轮模型中的基准轴A_1和蜗壳模型中的基准轴A_1；选择约束类型为对齐：选定叶轮模型中的FRONT基准平面和ASM_FRONT基准平面，偏移选择重合即将原件置于和组件参照重合的位置。指定约束时在组件窗口中显示元件。

　　（3）使用装配工具将元件108-16-jsg.prt添加到组件中，仍定义两个对齐约束类型。选择约束类型为对齐：选定进口延伸段模型中的基准轴A_1和叶轮模型中的基准轴A_1；选择约束类型为对齐：选定进口延伸段模型中的FRONT基准平面和叶轮模型中的进口圆面，偏移选择重合即将原件置于和组件参照重合的位置。指定约束时在组件窗口中显示元件。装配完成后的离心泵实体模型组件如图2.4所示。

　　至此，整个离心泵的三维建模工作完成，模型保存为108-16-zhuangpei.asm。为方便后续导入Gambit软件里进行网格划分，将模型108-16-zhuangpei.asm保存副本为STEP类型文件即108-16-zhuangpei_asm.stp。

　　近年来，随着计算机技术以及数值计算理论的更新换代，针对流场进数值行模拟和预测的CFD技术应运而生。利用CFD技术，可以在短时间内预测流场性能，并通过改变流场中参数设置反复计算，使泵产品达到最佳设计效果，同时获得一些实验中无法获得的流场分布情况。经过多年的发展，CFD技术完全可以准确地反映流体机械内部的流场分布情况，因此在新产品开发方面应用广泛，在有效减少设计的工作量并提高设计的可靠性的同时节省了实验资源。

　　在基于Fluent软件平台，对离心泵的内部流场进行数值计算的过程中，需要分别对求解器中参数进行设置。每一个参数都有它的意义和适用范围，并且求解的模型不同，各参数不同的匹配方式得到的计算结果不同。因此，为了正确、高效运用Fluent软件解决具体问题，对CFD技术的基础知识做充分的了解是十分必要的。下面在针离心泵内部流动数值模拟时的应用过程，对CFD技术做简单介绍。

　　2.2.1流动控制方程

　　通常情况下，泵可以认为是一种工作介质为绝热的不可压缩流体的工作机，液体在泵内的流动状态主要表现为两个过程。第一旋转的叶轮叶片对液体做功，第二液体自身动能与势能之间相互转化。因此，在运用CFD技术对离心泵流动问题数值模拟的过程中，并不需要考虑其能量方程，而只需要考虑连续性方程和动量方程。具体控制方程如下：

　　（1）惯性坐标系下的控制方程

　　（a）连续性方程

　　本文采用数值模拟的方法详细研究了离心泵压力脉动的特性，分析了不同流量工况下定常和非定常流场的分布特点，且设计出测量系统的方案规划，为这种特点的离心泵的水力设计和性能优化提供了借鉴。

　　本文针对离心泵内部流场的压力脉动特性进行了研究，现对本文的工作总结如下：

　　1.对离心泵内部流动的国内外研究现状作了较为系统的综述，在总结和分析前人研究成果的基础上，提出了本课题的研究内容和手段。

　　2.本文首先对离心泵的水力设计作了详细的阐述，运用Pro/E软件对离心泵进行三维造型，着重介绍了叶轮和蜗壳的建模过程；然后运用网格划分软件Gambit对各模型计算域进行网格划分。

　　3.利用Fluent软件对离心泵内部流动进行了三维定常数值模拟，计算结果较全面地揭示了模型在各工况下全流道内的静压和速度分布规律，得出如下结论：

　　（1）静压分布规律：在0.8Q、1.0Q和1.2Q三种工况下，叶轮内部的静压变化平缓、区别不大；在蜗壳内部，由蜗壳进口至出口压力沿蜗壳逐渐增加，蜗壳内部的静压变化较明显。随着进口流量的增加，蜗型段内的静压区域呈明显的扩大，而蜗壳出口段的静压最大值和静压最大区域均有所缩减，说明流量的增加更有利于液体在离心泵内部流通，离心泵的工作效率也就更高，震动和噪声较小；蜗壳出口段的静压存在明显的梯度变化，出口段均为最大静压区。隔舌部位的压力波动是由于此处的回流和冲击形成的，随着进口流量的增加，回流现象越明显。

　　（2）速度分布规律：在0.8Q、1.0Q和1.2Q三种工况下，叶轮内部的速度大小明显高于蜗壳内速度大小，速度最大处为叶轮的出口处，这是因为叶轮的转动能量在此处保持最大；蜗壳内从蜗壳进口至出口，速度逐渐减小。随着进口流量的增加，蜗壳内流速也逐渐增大，而且蜗形段内的速度最大区增加，这与蜗壳内静压的变化相对应；蜗壳内部的速度大小区域也存在明显的梯度变化。在蜗壳的出口段，速度逐渐减小，这是因为叶轮的转动能量随着距离的增加作用在减小。

　　4.在定常计算的基础上，利用Fluent软件对三个模型的内部流动进行了非定常数值模拟，得出如下结论：

　　（1）小流量工况下，由于离心泵内部流场不稳定，各监测点的压力脉动特性值较大；大流量工况下，蜗壳的隔舌和出口处会出现回流，导致该处附近会有压力波动。

　　（2）蜗壳隔舌靠近叶轮的一侧压力脉动幅值明显大于靠近蜗壳流道的一侧，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间的动静干涉引起的。

　　（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。

　　5.设计测量系统的方案：先对压力变送器和数据采集模块的参数进行充分的了解，完成两者的器件选型以及测试系统硬件结构的构造。再设计测量系统的软件结构，利用Labview软件编写上位机界面，在完成系统的基本配置后，用户面板启动采样，系统在虚拟仪器驱动的支持下，连续地对8个通道进行实时采样，显示连续的实时压力脉动波形。

　　本文对离心泵内部流场的压力脉动特性进行了研究，得出一些结论，有些问题还需要进一步解决和完善：

　　1.本文只做了压力脉动特性幅域分析，在以后的研究中，可对其进行频域分析，进而详细研究离心泵的振动噪声问题。

　　2.本文只是设计了测量系统的方案，并未进行实际的测量操作，因此本文的数值模拟结果还有待进行试验验证。

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