离心泵变工况瞬态过程内流特性研究

作     者：孙健 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨建国

授予年度：2021年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：离心泵 节流调节 变速调节 瞬态过程 内流特性 

摘      要：离心泵常通过不同调节方式改变运行工况,以满足对其工况转换灵活的需求。目前离心泵内部流动的研究多集中于稳定工况,对于节流调节和变速调节等变工况瞬态过程中离心泵内流特性的研究相对较少,且对离心泵稳定运行时的内部流场与压力脉动特性研究缺乏与实际工况的结合。本文通过建立IS 80-65-160型离心泵三维模型,探究节流与变速调节对应稳定工况下离心泵的内流特征及压力脉动特性;模拟离心泵节流调节和变速调节瞬态过程,揭示该过程中离心泵的瞬态特性和内流机理,并探究了节流调节中调阀时间和调阀方式、变速调节中变速时间和变速方式对离心泵变工况瞬态过程的影响。本文的主要内容和结论如下:(1)分析离心泵变工况调节原理和对离心泵三维建模是开展离心泵变工况瞬态过程研究的理论依据和模型基础。基于此,本文借助离心泵变工况运行调节理论,分析了离心泵在不同调节方式下的水力性能和能耗特性;利用Pro E和ICEM软件对IS 80-65-160单级清水离心泵进行三维建模与网格划分。结果表明:相比于节流调节,变速调节具有明显的节能优势;所建的离心泵三维模型经验证具有较高可靠性。(2)离心泵的水力性能是其内流特性的重要表征,少有结合离心泵运行调节理论,分析泵内流动机理,指导工程中离心泵调节方式选择的研究。基于此,本文结合离心泵节流和变速调节时的性能及能耗表现,借助CFX数值模拟节流和变速调节对应不同稳定工况下的内部流场,探究离心泵不同调节方式下水力性能表现对应的内部流场响应及压力脉动特性。结果表明:(1)变速调节的节能和稳定优势随着流量调节范围增大逐渐明显。对于该泵,变速调节时,离心泵主要是通过改善叶轮内、隔舌、进口段的流态保持高效运行。(2)流量运行工况是决定压力脉动强度的重要因素。变速运行时,离心泵高稳定性表现主要是降低了叶轮和隔舌处的振动幅度。(3)节流调节属于变流量瞬态过程,对于此过程中离心泵的水力性能和内流特性有待深入分析。同时,工程中也缺乏确定节流调节中调阀时间和调阀方式的有效指导。基于此,本文利用CFX模拟了节流调节变流量瞬态过程,分析过程中离心泵的水力性能及内流表现,并探究调阀方式和调阀时间对节流调节瞬态过程的影响。结果表明:(1)节流调节瞬态过程中泵内流线分布更为集中、紧凑,具有明显的瞬态效应,过程中离心泵受到强烈的压力与速度冲击。(2)较短的调阀时间以及指数型调阀方式初始阶段中,离心泵的水力性能和内部流场变化更剧烈,瞬态效应更强。(4)变速调节瞬态过程中离心泵内流特性的研究偏少。同时,工程中在变速调节技术应用层面对于变速方式和变速时间的确定缺乏泵内流动特性的考虑。基于此,本文借助Flowmaster软件搭建离心泵管网系统,将获取的边界条件带入CFX模拟离心泵变速调节瞬态过程,揭示离心泵的瞬态特性和内流机理。同时,引入控制系统评价指标,结合泵内流场分析,探究变速时间和变速方式对变速调节瞬态过程的影响。结果表明:(1)瞬态过程中无量纲外特性参数同准稳态过程有明显差异,泵内流场相比准稳态过程湍动能更大,涡量更强,流线分布更集中。(2)离心泵变速调节过程具有明显的阶段特性,阶段Ⅱ(0.1st0.2s/0.4s)中离心泵的瞬态性能和内部流场变化更剧烈。(3)变速时间越短,离心泵瞬态效应越强,外特性参数随转速同步性越强。总体而言,较长的变速时间和指数型变速方式下,离心泵在瞬态过程中的水力性能表现更优异。