蜗壳喉部面积对离心泵非定常特性的影响
蜗壳式离心泵内部非定常数值计算与分析
蜗壳式离心泵内部非定常数值计算与分析施卫东;徐磊;王川;陆伟刚;周岭【摘要】为研究设计工况下蜗壳式离心泵内部瞬态流动的状态和规律,基于高质量结构化网格和快速成型技术,利用商业计算软件CFX对某型号蜗壳式离心泵进行了全流场非定常数值模拟.通过与定常数值模拟结果及试验结果比较,表明非定常数值模拟能够更为准确地预测蜗壳式离心泵的性能参数,其中扬程最大偏差在4％以内,效率最大偏差在3％以内.受叶轮-蜗壳耦合作用影响,蜗壳式离心泵内部压力脉动周期性明显,监测点压力脉动主频均为叶片通过频率.非定常下的压力场表明,各叶轮流道进口及中间位置的压力分布相近,靠近叶轮出口的压力分布差异明显;蜗壳内部存在明显的二次流动现象,并且随主流运动向前发展.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2014(045)003【总页数】6页(P49-53,60)【关键词】蜗壳式离心泵;非定常;性能预测;流场分布;压力脉动【作者】施卫东;徐磊;王川;陆伟刚;周岭【作者单位】江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212013;江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212013;江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212013;江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212013;江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TH311引言由于蜗壳几何结构的非对称性，离心泵内部流动呈现出明显的非定常特性。
叶轮和蜗壳间的动静干涉作用对水泵效率、机组稳定性、振动噪声等都有着直接影响［1］。
近年来，随着计算流体动力学的不断发展，相关学者指出因叶轮、蜗壳相对位置不同，定常模拟结果与试验结果有较大差异。
基于非定常理论的性能参数预测、压力脉动分析、机组过渡过程分析和振动分析等日渐成为研究的热点。
本文基于高质量结构化网格，对某型号蜗壳式离心泵在不同工况下进行非定常数值模拟，以分析该方法预测性能参数的可行性。
同时，在设计点对内部脉动特性和流动规律也进行分析与探讨，以加深对瞬态流动特点的认识，为设计性能优良、运行稳定的泵类产品提供参考。
离心泵内部非定常空化流动特征的数值分析
离心泵内部非定常空化流动特征的数值分析杨敏官;孙鑫恺;高波;邵腾【摘要】运用完整空化模型和混合流体两相流模型,对比转数为130的离心泵流道内部的空化流动进行了定常及非定常的数值模拟.预测了叶轮流道内空化发生部位和发展程度,对蜗壳隔舌附近处流场的压力场进行了监测,得到了压力脉动的变化规律.结果表明:空化初生位于叶片背面进口边附近处,随着进口压力的降低,空泡分布区域及空泡体积分数不断扩大,当空化严重时,叶片工作面上会有空泡聚集;在叶轮的1个旋转周期中,单个叶片表面上的空化发展程度随叶轮与蜗壳相对位置的改变而发生规律性的变化;压力脉动频率存在明显离散特性,叶片通过频率下的脉动幅值较大;随着空化程度的发展,空化流动诱导泵流道内压力脉动幅值不断增加,并且两者存在相互对应关系.%Based on full cavitation model and mixed two-phase flow model, the steady and unsteady cavitating flow-passages in centrifugal pump with specific speed of 130 were numerically simulated. The region and the degree of cavitation in the centrifugal pump flow-passage were predicted. The characteristics of pressure fluctuation was achieved by monitoring the pressure fields around the volute tongue. The simulation results indicate that the cavitation generates at the suction side of blades near leading edge. The region of vapor extends and the volume fraction of vapor increases with the decreasing of total inlet pressure. The vapor appears on the pressure side of blades when the cavitation is deteriorated. The cavitation degree on each blade changes periodically with the change of relative position between impeller and volute. The frequency of pressure fluctuation shows obvious discrete characteristic with high blade passingfrequency amplitude. With the development of cavitation degree, the pressure fluctuation amplitude induced by cavitating flow in flow-passage is increased with a corresponding relationship.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(033)004【总页数】6页(P408-413)【关键词】离心泵;空化;非定常空化流动;压力脉动;频域分析【作者】杨敏官;孙鑫恺;高波;邵腾【作者单位】江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江 212013;江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江 212013;江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江212013;江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江 212013【正文语种】中文【中图分类】TH311泵叶轮内发生空化时液体的能量交换受到干扰和破坏，引起泵运行特性的改变、振动和噪声等一系列问题［1－3］．通常情况下，泵内空化现象不能被完全消除，只能通过各种方法尽可能减小空化造成的不利影响，因此，研究离心泵内部的空化流动对离心泵安全、稳定、高效运行具有重要意义．空化流动的本质是汽液两相流动，汽泡和液体之间有着很复杂的动量和能量交换关系［4］．随着计算机技术的发展和CFD技术的逐渐应用，数值模拟在空化流动的研究中也有了很大的进步，利用模拟可以预测泵流道内部空化发生部位和程度以及对能量性能造成的影响，对离心泵内空化流动的研究起着重要的作用［5－6］．对于现有的空化流动计算，以定常计算为主，未考虑叶片与蜗壳间的动静干涉，影响了计算结果的准确性［7－9］．笔者将比转数为130的单级离心泵作为研究对象，采用完整空化模型与混合流体两相流模型相结合，对不同工况下离心泵内部空化流动进行定常及非定常数值模拟，预测叶轮流道内空化发生部位和发展程度，得到泵运行过程中叶片位置发生变化时，叶片表面空化流场的变化情况，并对蜗壳隔舌附近处流场的压力脉动进行监测，获得泵内部压力脉动变化情况与空化流动之间的关联．1 离心泵基本参数研究用离心泵流量为48 m3·h－1，扬程为7．8 m，额定转速为1 450 r·min－1，比转数为 130，泵的效率为85%．根据离心泵各个部件的几何参数，建立了包括泵的进口段、叶轮及蜗壳内流道的几何模型．其中叶轮的进口直径为100 mm，叶轮外径为172mm，叶片数为6，蜗壳隔舌安放角为30°，泵出口直径为100 mm．图1为离心泵流道的三维造型图．图1 离心泵流道的三维造型图2 空化湍流基本原理及控制方程在运用 Fluent软件中，选用 A．K．Singhal等［10］研究的完整空化模型和混合流体两相流模型模拟离心泵内部的空化流动．该模型考虑了空化流动中的相变、空泡动力学、湍流压力脉动和流体中含有的不凝结性气体的影响．用混合流体两相流模型，假定在较小的空间尺度范围内，两相之间耦合强烈同时满足局部平衡条件，空泡相与液体相达到了动力平衡与扩散平衡，即可以认为流场内各处空泡相与液相的时均速度相等，具有相同的湍流扩散，可以把空泡相和液相同作为流体加以研究．这样就可以只需用同一组动量方程描述，从而在方程中的物理量为空泡相和液相的体积分数分布的平均量，在求解方程时得到的速度场由两相共用．利用完整的空化模型和混合流体两相流模型描述离心泵空化流动的连续性方程和动量方程如下: 混合流体相连续性方程为空泡相连续性方程为动量方程为式中:ρ为空泡相和液相形成的混合流体质量密度;v为混合流体的速度矢量;f为空泡相的质量分数;R e为水蒸气凝结率;p为静压力;μ为分子黏性系数;μt为湍流黏性系数．采用标准k－ε模型使空化湍流的控制方程组封闭．模型中的k和ε方程在形式上与单相流动相同，但是其中的变量均为混合流体的平均量．根据离心泵的实际运转情况，计算中的物理参数取水温为20℃时的值，其中水的饱和蒸汽压力pv=2．367 kPa，水－空泡表面张力σ =0．071 7 N·m－1．假定水中不凝结性气体的质量分数为1．5×10－5，计算中流场的压力均为绝对压力．3 数值计算方法和边界条件用SIMPLE算法实现速度和压力之间的耦合．利用图1所示离心泵流道三维模型作为数值计算的求解区域．利用Gambit软件划分网格，并用3种网格数对数值求解区域的网格无关性进行检验，在综合考虑计算精度和计算结果准确性的基础上，采用非结构化四面体单元对求解区域进行网格划分，流道的划分网格数为732 520，其中叶轮部分网格数为322 541．在计算求解区域的进口断面采用绝对速度进口，进口无预旋，在计算求解区域的出口断面给定出口绝对静压，流场中空泡相体积分数的初值均为0;固体壁面采用无滑移条件，湍流壁面采用壁面函数法处理．为了提高计算的收敛速度和稳定性，先进行单相定常流动计算，适当减小各求解变量的松弛因子，加载混合两相流模型及完全空化模型，对3种流量下多个工况点进行定常及非定常空化流动的计算．4 空化流动计算结果分析对3种流量下离心泵流道内空化流场进行数值计算，汽蚀性能曲线如图2所示，Q 为设计流量．图2 3种流量下离心泵汽蚀性能曲线4．1 设计流量下叶轮流道内空化流场分析选取设计流量下的进口压力逐渐降低的6个工况点，对叶轮流道内空化流场进行分析．图3为6个工况下叶轮流道内空泡体积分数φ分布情况．如图3a所示，空泡最初出现的部位为叶片背面进口边位置附近的低压区，是由于液流内气体析出和液相汽化所致，此时空泡体积分数较小．由图3a，c可以看出，随着进口压力的降低，叶片背面空泡分布区域明显扩大，叶片进口附近及叶片喉部靠前盖板附近处空泡体积分数明显增加．图3 不同工况下叶轮流道内空泡体积分数分布从图3c－d可以看出，位于叶片喉部的高体积分数空泡区域沿径向方向向外移动，到工况6时，如图3f所示，空泡体积分数在流道中部靠近叶轮前盖板处达到最大，此时空泡已经堵塞部分流道，空化现象严重，通过计算发现此时泵扬程及效率下降10%以上．不同部位处产生的空泡，随着液流向叶轮出口迁移，随着压力逐渐升高，空泡会在压力较高区域发生破裂，从图3可以看出，空泡体积分数在流道内某位置处时较大，在向径向方向延伸时突然减小，形成较大的梯度，这与该区域压力分布相对应，并且进口压力越低，空泡在流道内扩散的半径也越大．当空化现象严重时，叶片工作面上也会有空泡聚集．4．2 1．0Q下临界NPSH非定常计算结果分析选取离心泵在设计流量下临界NPSH值(泵扬程下降3%时对应NPSH)时的工况点进行非定常计算．泵在一个旋转周期T内的6个不同时刻叶片背面上的空泡体积分数分布，如图4所示．图4 不同时刻叶片背面空泡体积分数分布从图4可以看出，叶片旋转至不同位置时，背面空泡分布区域及体积分数值随时间的变化，这是由于离心泵内流道的非对称性所致．通过对离心泵3个旋转周期中叶片背面空化流场变化情况的监测，发现当叶片运动至图4a中叶片2所在位置附近时，也就是当叶片进口边接近于蜗壳第Ⅳ断面时，叶片背面空化区域以及空泡体积分数值均达到最小．叶片从此位置开始运动，在一个旋转周期中，叶片背面空化的发展程度经历了由弱变强，再由强变弱的过程．在上述变化过程中，虽然不同时刻叶片背面空泡分布情况有差异，但空化发展最严重的地方均位于叶片背面进口边附近．这是由于该区域内圆周速度及相对速度较大，从而进口压力损失及绕流引起的压降相应变大所致．在1个旋转周期中，空泡体积分数最大达到0．52，此时在叶片工作面进口边附近也出现明显的空泡区域，集中在叶片进口边靠前盖板附近的很小区域内，空泡的最大体积分数超过0．20，该时刻叶片表面沿径向方向空泡体积分数分布如图5所示．图5 叶片表面沿径向空泡体积分数分布从图5可以看出，空泡体积分数在叶片进口附近经历了急剧增大，再急剧减小的过程，最大值所在位置与叶片进口处空泡高体积分数空泡中心位置相对应．远离进口的区域，空泡体积分数的下降相对比较平缓．图5中叶片进口附近得到的均是离散的空泡体积分数，代表进口处空泡相体积分数分布很不均匀．在叶片出口附近处，空泡体积分数已降至0．05以下，此时液相已接近连续分布．由于叶片工作面压力明显大于背面，在叶片不同位置处，背面上的空泡体积分数始终大于工作面上的．单个叶片在6个连续的泵旋转周期内经过泵压水室流道内某一固定位置时其背面空化状况如图6所示．总体上可以看出，不同周期内叶片背面空泡分布区域形态相似，但图中红色区域即高体积分数空泡分布区域的面积有明显的差异．空化流动时，空泡会堵塞部分流道，导致相邻叶片流道中流速增加，进口处冲角减小，伴随着空化程度的增强，会加剧这种变化，空化程度减弱则相反;空泡在流道中沿叶片表面法线方向移动时，也会对相邻叶片流道内流速及进口处冲角产生影响．流速及冲角的变化引起该流道内空泡发展情况及运动趋势的变化，最终导致空泡体积分数分布的变化．此外，空泡的随机生成及溃灭也会对流场内空泡运动情况及空泡体积分数造成影响．因此，由于各叶片流道内空化流动间存在的复杂关联及空泡相本身具有的非定常随机变化的特性，致使单个叶片在不同旋转周期内经过压水室流道内同一位置时，叶片表面空泡体积分数分布存在差异．图6 不同周期内单个叶片经流道内同一位置处其背面空泡体积分数分布4．3 泵内部空化流场压力脉动特征分析为了说明泵内部压力场的脉动规律，对离心泵在设计流量下运行时流道内部压力脉动情况进行监测，监测点分布及各点处压力脉动情况，如图7所示，p0为静压，N为监测时间步数．由于叶片转动相位的差异，泵内静压分布呈周期性变化，这种变化规律在隔舌附近更为明显，由于叶轮与隔舌的动静干涉作用导致隔舌附近压力场波动较剧烈，这也是该区域成为泵内一个重要振动噪声源的主要原因．从图7可以看出，P1处也就是隔舌附近处的压力脉动幅值最大，计算中还对其他位置的多个点处压力脉动进行监测，通过对比发现，其压力脉动幅值均小于P1处的值．因此选取设计流量下多个工况点，对1个旋转周期内隔舌附近(监测点P1)压力脉动情况进行监测．将时域内的压力脉动通过FFT变换为频域内的压力信号，如图8所示，f为频率，p1为P1处压力脉动幅值．图7 监测点分布及各点处压力脉动情况图8 不同工况时的压力脉动频域图叶轮转速为1 450 r·min－1，故轴频为 24．17 Hz，叶片通过频率(简称叶频)为145 Hz，在流体压力脉动中，叶轮叶片对流体的影响频率应为叶频及其谐波，从图8可以看出，在不同工况下均是叶频下的脉动幅值较大，其次为叶频的二次谐波．在进口压力不断下降的过程中，叶频及其谐波下的压力脉动幅值均有不同程度的增加．监测点P1处压力脉动情况随NPSH变化情况如图9所示．p RMS为P1处压力脉动均方根．图9 压力脉动随NPSH变化情况从图9可以看出，压力脉动均方根值的变化趋势与145 Hz下压力脉动幅值变化趋势基本一致，也验证了叶片通过频率为压力脉动中的主要影响频率．NPSH下降初期，扬程H及压力脉动的变化情况均比较平缓，当NPSH下降到2．30 m时扬程H下降了3%．临界汽蚀点后NPSH由2．30 m变化到1．25 m过程中，p RMS以及各频率下压力脉动幅值上升速率明显加快．NPSH继续减小，由1．25 m变化到1．23 m的过程中，扬程H急剧下降，p RMS及压力脉动幅值急剧上升．泵内空化空蚀发展程度越严重，空化流动诱导隔舌附近处的压力脉动强度越大，在NPSH值减小的整个过程中，p RMS及各频率下压力脉动幅值的增加和扬程的减小趋势相对应．因此可以利用对泵流道内隔舌附近处压力脉动情况的监测，来判断泵内空化空蚀发展的程度．5 结论1)空化的初生位于叶片背面进口边附近处，随着进口压力的降低，空泡分布区域以及空泡体积分数不断扩大．当空化现象严重时，叶片工作面上也会有空泡聚集，主要发生在进口边靠前盖板附近．空化空蚀的发展最终会导致离心泵能量性能的下降．2)离心泵1个旋转周期中，单个叶片上空化程度会经历由弱变强，再由强变弱的过程，并且当叶片进口边接近蜗壳第Ⅳ断面时，叶片背面空化区域以及空泡体积分数均达到最小．单个叶片在不同旋转周期内经过压水室流道中同一位置时，叶片表面空泡体积分数分布存在一定差异．3)泵内空化发展程度越严重，空化流动诱导的压力脉动强度越大．在NPSH值减小的过程中，压力脉动均方根值p RMS及各频率下压力脉动幅值的增加与扬程的减小的趋势相对应．因此，可以利用对泵流道内隔舌附近处压力脉动情况的监测，来判断泵内空化空蚀发展的程度．参考文献(References)【相关文献】［1］Cˇudina M，Prezelj J．Detection of cavitation in situ operation of kineticpumps:Effect of cavitation on the characteristic discrete frequency component ［J］．Applied Acoustics，2009，70:1175 －1182．［2］Cˇudina M，Prezelj J．Detection of cavitation in operation of kinetic pumps:Use of discrete frequency tone in audible spectra［J］．Applied Acoustics，2009，70:540 － 546．［3］Tan C Z，Leong M S．An experimental study of cavitation detection in a centrifugal pump using envelope analysis［J］．Journal of System Design and Dynamics，2008，2(1):274－285．［4］王勇，刘厚林，袁寿其，等．离心泵内部空化特性的CFD 模拟［J］．排灌机械工程学报，2011，29(2):99 －103．Wang Yong，Liu Houlin，Yuan Shouqi，et al．CFD simulation on cavitation characteristics in centrifugal pump［J］．Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering，2011，29(2):99 －103．(in Chinese)［5］ Coutier-Delgosha O，Fortes-Patella R，Reboud J L．Experimental and numerical studies in a centrifugal pump with twodimensional curved blades in cavitating condition ［J］．Journal of Fluids Engineering，2003，125:970 －978．［6］Coutier-Delgosha O，Morel P，Fortes-Patella R．Numerical simulation of turbopump inducer cavitating behavior［J］．International Journalof Rotating Machinery，2005，2:135－142．［7］Lee D I，Lim H C．Erosion-corrosion damages of water pump impeller ［J］．International Journal of Automotive Technology，2009，10(5):629 －634．［8］Majidi K．Numerical study of unsteadyflow in a centrifugal pump［J］．Journal of Turbomachinery，2005，127:363－371．［9］Friedrichs J，Kosyna G．Rotating cavitation in a centrifugal pump impeller of low specific speed［J］．Journal of Fluids Engineering，2002，124:356 －362．［10］Singhal A K，Athavale M 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离心泵蜗壳内非定常流动特性
离心泵蜗壳内非定常流动特性王松林;谭磊;王玉川【摘要】基于修正的RNGk-ε湍流模型和输运方程空化模型,对离心泵内部非空化和空化的非定常流动进行了数值模拟,计算结果与试验结果吻合较好,验证了数值模型和计算方法的准确性.在离心泵蜗壳内布置了5个监测点,分析了蜗壳内非空化和空化工况时流动特性.结果表明:离心泵非空化和临界空化工况下,蜗壳内压力脉动的主频为叶片通过频率145 Hz或290 Hz,而在充分发展空化工况下,压力脉动的主频非常低,可能原因是空泡剧烈的脱落及溃灭引起的.三种工况下,离心泵蜗壳第2断面附近的压力脉动最大幅值均远大于其它监测点,原因是此处存在较强的二次流,出现了两个非对称反向旋涡,两个旋涡的涡心位置、形状、强度随时间不断变化,对流动产生较强扰动,诱发强烈的压力脉动.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2014(033)011【总页数】6页(P43-48)【关键词】离心泵;蜗壳;非定常;流动特性【作者】王松林;谭磊;王玉川【作者单位】华北水利水电大学水利学院,郑州450011;清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京100084;清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京100084【正文语种】中文【中图分类】TH311离心泵蜗壳的主要作用是汇聚流体，减小流体运动的圆周速度分量，进一步将流体的动能转化为压能，使其流动均匀地进入后续流道。
离心泵蜗壳内流动状况对其运行特性具有重要影响[1-2]。
康伟等[3]采用大涡模拟方法计算了离心泵蜗壳内非定常流动，结果发现常规的等速度矩的型线设计并不能获得完全等速度矩的流动，压水室径向断面上存在较强的二次流。
张兄文等[4]对离心泵内部流动进行了数值研究，结果表明叶轮出口的射流-尾迹结构相对蜗壳不同位置而变化，蜗舌区射流-尾迹现象比蜗壳蜗型段中部更加明显。
祝磊等[5]采用非定常数值模拟，分析了蜗舌结构对离心泵压力脉动和径向力的影响。
导叶喉部与叶轮出口面积比对高速泵性能的影响分析
导叶喉部与叶轮出口面积比对高速泵性能的影响分析【摘要】为了探讨叶片与叶片的匹配关系对高速泵的工作特性的影响，采用不同叶片喉区的方法，分别设计出5种叶片与叶片相匹配的叶片。
在此基础上，采用雷诺数均匀N-S方程与RNNk-ε紊流模型，开展三维数值仿真，研究不同区域比下，泵内流场特征与压力波动的关系。
研究发现，在大流量条件下，随着面积比的降低，泵体的扬程和效率降低，随着面积比的降低，泵体的效率降低速度变快，非稳态工作区域和高效率点随着面积比的降低而向小流量方向迁移。
在设计条件下，降低表面比对降低了叶片出口和叶片流道中的流动分离，降低了叶片的内耗，但是，在压力水腔中，液体的流速和损失都会增加，特别是在大流量时；通过减小叶片表面比例，使叶片内部轴频率范围内的低频波动减弱，使叶片内部的压力波动峰和波动振幅减小，从而使叶片频率的倍频以及高频频率向叶片出口处的传递得到了有效的抑制。
本文的结论可以作为一-定的理论依据，对高速水泵的优化设计发挥出指导作用。
关键词：导叶喉部；叶轮出口面积比；高速泵；性能影响分析叶轮与导向叶片是高速离心泵中最主要的两个水力元件，与一般的离心泵相比，在叶轮进口与导向叶片的流道中，容易出现射流、倒流、二次流、分流器等现象，这些现象对水泵的工作特性有较大的影响。
由于两者之间的动态和静态干扰，会导致泵中的液体发生周期的压力波动。
沿导流叶片的流向在非定常流动产生的压力波动频率与机组的自振频率相同或相近时，这将引起系统的谐振，导致导流叶片和叶轮叶片的疲劳失效，对机组的稳定运行构成威胁。
本项目拟以一台超高速泵为例，通过改变叶片喉区面积，建立5种不同的超高速泵的表面比流场，利用数值模拟的手段，分析超高速泵的外部特性、内部流场、损失和压力波动等对超高速泵性能的影响，为超高速泵的优化设计奠定理论奠定基础。
一、导叶喉部与叶轮出口面积比对高速泵性能影响的计算模型和数值计算（一）网格划分本项目拟采用 CFTurbo、 Creo等先进计算工具，通过合理延长水泵进出水管，使得水流得到更好的发展。
叶轮和蜗壳匹配关系对离心泵性能影响的研究
(3)
S ij
=
1 2
9U i 9xj
+
9U j 9xi
(4)
采用标准 κ2ε模型使控制方程封闭
ρD k
Dt
=
μ t
9U j 9xi
+
9U i 9xj
9U j 9xi
+
9 9xi
μ μ +σt
k
9k 9xi
- ρε + Gb - YM
+ Sk
(5)
ρDε
Dt
=
C1ε
ε
k
μ t
9U j 9xi
+
9U i 9xj
(5) 同样在各自的最高效率工况点 , 3个泵各 自叶轮内流场优劣情况大不相同 , 面积比为 1的泵 叶轮内流场最优 , 面积比为 5的最差 。
(6) 面积比为 5的泵尾迹射流现象最明显 , 叶轮出口处速度分布最不均匀 , 所产生的水力损失 最大 ; 面积比为 1的泵尾迹射流现象最不明显 , 即 出口处速度分布最均匀 , 水力损失最小 。
2008年 第 36卷 第 3期
# 专题研究 !
石 油 机 械
CH INA PETROLEUM MACH INERY
— 9 —
叶轮和蜗壳匹配关系对离心泵性能影响的研究
邓文剑 楚武利
(西北工业大学动力与能源学院 )
摘要 运用计算流体动力学 (CFD ) 技术研究不同蜗壳面积对泵流场的影响 , 采用六面体结 构化网格离散计算区域 , 数值计算使用 NUM ECA 软件包的 Euranus求解器 , 采用 Jameson有限体 积差分格式 , 并结合 κ2ε湍流模型对三维雷诺时均 N 2S 方程进行求解 。模拟结果认为 , 泵的面积 比越大 , 泵的高效区范围越狭窄 , 性能曲线越陡峭 ; 扬程曲线随面积比的减小向右上方移动 。在 设计中实现叶轮和蜗壳的最佳匹配 , 可使离心泵发挥最佳的工作性能 。
蜗壳基圆对离心泵性能的影响
2012年6月农机化研究第6期蜗壳基圆对离心泵性能的影响王洋，刘静，王维军，张文静，李敏敏(江苏大学流体机械研究中心，江苏镇江212013)摘要：通过联立蜗壳的两个不同形式特性方程，得出了基圆直径的计算公式，建立了基圆直径和蜗壳喉部面积及叶轮外径之间的关系。
为了验证公式的准确性，在保证蜗壳其他主要几何参数不改变的前提下，取基圆直径分别为叶轮外径1．05，1．10。
1．15，1．20倍的不同的蜗壳与同一叶轮匹配，数值模拟和试验分析了蜗壳基圆和泵性能的关系。
结果表明：在一定范围内，随着基圆的增大，流量扬程曲线有明显的变化，符合公式给出的变化趋势，且较大基圆对流量扬程曲线的驼峰有显著的改善；但是超过一定范围后，由于蜗壳和叶轮之间间隙的二次流增加，致使泵性能明显下降。
关键词：离心泵；蜗壳基圆；数值模拟；蜗壳喉部面积中图分类号：TH3”文献标识码：A文章编号：1003—188×(2012)06—0184一050引言蜗壳是离心泵主要的过流部件之一，在很大程度上影响着泵整体性能。
对于低比转速离心泵而言，蜗壳内部的损失占总损失的比重很大【1。
bba nom V．S旧1和关醒凡【31分别给出了不同形式蜗壳的水力设计方法。
何希杰等M1分析了离心泵隔舌间隙对泵性能的影响，提出了清水离心泵隔舌安放角和间隙大小的计算公式。
严敬掣副介绍了一种国外最新蜗壳设计的速度系数法。
王洋等∞1给出了低比转速离心泵蜗壳第8断面面积确定新方法。
郭鹏程等"o通过数值模拟得出了不同断面型式蜗壳对离心泵性能、扬程、效率和压力脉动的变化因蜗壳断面形式的不同而各异的结论。
M eakhai等旧1对叶轮、蜗壳和扩散段内边界层进行了数值模拟，给出了蜗壳边界层对泵性能改变的规律。
M i gI l el A s uaj e等p1通过数值模拟给出了速度和压力分布。
祝磊等¨刨通过对不同径向间隙离心泵数值模拟，得出基圆的变化对泵振动特性的影响。
不同断面型式蜗壳对离心泵性能影响的数值模拟
叶轮组合进行三维数值模拟． 计算 结果 表 明， 同型 式断 面的蜗 壳对 离心 泵性能有 一定 的影响 ， 不
矩形和 圆形蜗壳在 大流量工况 区的效率 比马蹄形蜗 壳略有提 高 ， 计点， 在设 矩形蜗 壳的效率 比马蹄 形的略低 ， 大流量工况却高 ； 小流量 工况 圆形蜗 壳的扬 程 比马蹄 形蜗 壳 的扬程 低 ， 但 在 而矩 形蜗 壳 和马蹄形蜗 壳相 差不大 ， 在设计 点矩形蜗壳和马蹄形蜗 壳略 高于圆形蜗 壳， 大流量 工况马蹄形蜗 在 壳的扬程有所 降低． 同的断面型式对蜗 壳的水力损 失也有一定的影响 ， 不 而且 随着流量 的变化损失 也在 变化． 矩形蜗 壳壁 面上 的压 力脉动 的幅值在设 计流量工况较马蹄形蜗 壳和 圆形蜗 壳要 小一些．
ｗｉ ｈ ｏ ｖ ｒａｉ ｎ Ａｔｌｗ ｏ ｒｔ ｈ ｙ ｒ ｕ ｉ ｏ ｓ ｉ ｈ ｒｇｎ ｌｖ ｌ ｔ ｍｐ ｉ ｈ ｎ ｍｕ ， ｔ ｔ ｅ ｆ ｗ ａ ｉｔｏ ． ｏ ｆ ｗ ａｅ ｔ ｅ ｈ ｄ ａ ｌ ｌｓ ｎ ｔｅ ｏ ｉｉ ａ ｏｕ ｅ ｐｕ ｓｔ ｅ ｍｉ ｉ ｍ ｈ ｌ ｌ ｃ ａ ｄ ｔｅ ｏ ｅ ｉ ｈ ｉｃ ｌｒｖ ｌ ｔ ｕ ｓ ｍａ ｉ ｕ ． Ｗ ｈｉ ｔ ｈｇ ｏ ｒ ｔ ｈ ｙ ｒ ｕ ｉ ｏ ｓ ｉ ｈ ｎ ｈ ｎ ｎ ｔ ｅ ｃｒ ｕａ ｏｕ ｅ ｐ ｍｐ ｉ ｘｍ ｍ ｌ ａ ｉｈ ｆ ｗ ａｅ ｔ ｅ ｈ ｄ ａ ｌｃ ｌｓ ｎ ｔ ｅ ｅ ｌ ｃｒ ｕ ａ ｏ ｕｅ ｐ ｍ ｐ ｉ ｈ ｎ ｍｕ ，ａ ｄ ｔｅ ｏ ｅ ｉ ｈ ｅ ｔ ｎ ｕ ａ ｏｕｔ ｍｐ ｉ ｘｍ ｕ ． ｉｃ ｌｒ ｖ ｌ ｔ ｕ ｓ ｔ ｅ ｍｉ ｉ ｍ ｎ ｈ ｎ ｎ ｔ ｅ ｒ ｃａ ｇ ｌ ｒｖ ｌ ｅ ｐｕ ｓｍａ ｉ ｍ
吸油烟机蜗壳系统的优化设计研究
吸油烟机蜗壳系统的优化设计研究摘要：本文主要阐述了国内吸油烟机风机-蜗壳系统技术改进研究进展，包括各结构的优化方案，以及各结构的降噪技术研究，对于工程设计具有极为重要的指导意义。
为进一步完善和提高吸油烟机性能，对风机-蜗壳系统技术改进的发展提出了展望。
关键词：吸油烟机、离心风机、蜗壳、降噪前言为了满足消费者的高品质生活需求，攻克吸烟效果和噪音无法兼顾的难题，本文对我国油烟机风机-蜗壳系统的技术研究进展进行阐述。
1.吸油烟机风机-蜗壳性能研究现状蜗壳的几何结构对风机性能的影响是复杂的[8-16]。
王树立研究了蜗壳宽度对离心风机噪声的影响，计算得到蜗壳宽度关于噪声的函数关系式，并求出极值最小的蜗壳宽度[17]。
祁大同采用气动噪声源数值分析方法，分析了蜗壳宽度对非定常流场的离心风机噪声的影响。
计算表明：当风机变工况运行时，增大蜗壳宽度，主要的偶极子声源强度逐渐降低，基频噪声也有降低，而涡流噪声却增大。
当风机在中流量或大流量范围内运行时，气动性能提高，且其噪声特性有所改善[18]。
蜗壳和叶轮的匹配情况对流体机械的整体性能产生重要影响。
当风机蜗壳与叶轮的匹配欠合理时，叶片吸力面上出现明显的气流分离现象，前盘区域也存在强烈的漩涡，蜗舌部分存在的紊流现象也尤其明显[19]。
1.蜗壳系统技术改进2.1蜗壳优化设计传统的蜗壳在设计过程中，忽略了蜗壳的形状和大小，导致风量、风压不能满足生产所需，因此有必要对离心风机的蜗壳设计进行优化。
11目前选取蜗壳宽度B 主要依靠经验公式以及经验数据。
一般风机的蜗壳宽度B 与叶轮出口宽度b 的比值B/b 在2-4之间，而多叶离心式风机在1.2-1.6之间，在此经验范围之内，其他参数不变的情况下，更改B/b 值，对于多叶离心式风机的效率和噪声影响最小。
离心风机蜗壳设计的优化方案还有，通过改变螺旋角优化蜗壳型线数值，然后采用二次回归正交实验的方法对其进行优化，从而降低噪声。
另外，通过改变蜗壳形状和大小，减小风机使用过程中的阻力，提高蜗壳制作质量，延长其使用寿命。
蜗壳隔舌安放角对离心泵特性及流动稳定性的影响
浙江理工大学学报，2021, 45(3): 351-364Journal of Zhejiang Sci-Tech UniversityD()I：10. 3969/j.issn.l673-3851(n).2021. 03.009蜗壳隔舌安放角对离心泵特性及流动稳定性的影响吕剑渊、许文倩、张玉良2，李龙海、窦华书1(1.浙江理工大学机械与自动控制学院，杭州310018;2.衢州学院浙江省气动设备技术重点实验室，浙江衢州324000)摘要：采用数值模拟方法对蜗壳隔舌安放角角度的大小进行研究，分析其对离心泵内部流动状态的影响。
根 据比转速与蜗壳隔舌安放角的关系，设计4种蜗壳隔舌安放角方案；采用Navier-Stokes方程与S S T(剪■切应力传输）点-⑴湍流模型来研究高比转速离心泵的瞬态内部流动。
结果表明：在外特性方面，蜗壳隔舌安放角为35°时，离心泵 的杨程和效率最高，并且大流量工况时，蜗壳隔舌安放角为29°和32°的离心泵扬程和效率都急剧下降；在能量方面，蜗壳隔舌安放角从29°增大到38°的过程中.离心泵的能量损耗和熵产率都先减小后增大，在蜗壳隔舌安放角为35°时取得最小值；在内部流动稳定性方面，适当地增大蜗壳隔舌安放角，可以明显地降低蜗壳内部的压力脉动，减少蜗 壳隔舌处的回流，使蜗壳和叶轮的内部流动更加稳定。
因此，适当地增大蜗壳隔舌安放角对离心泵内部流动的稳定 起促进作用，同时也能够抑制能量的耗散。
关键词：离心泵；蜗壳隔舌安放角；能量耗散；压力脉动；熵产率中图分类号：TH311 文献标志码：A 文章编号：1673-3851 (2021) 05-0351-14The influence of volute tongue angle on the characteristicand flow stability of centrifugal pumpL U Jia n y u a n1 , X U Wenqian1 , Z H A N G Y u lian g2, L I L o n gh ai1 , DOU H uash u1(1.Faculty of Mechanical Engineering Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou310018，China；2.Key Laboratory of Air-Driven Equipment Technology of ZhejiangProvince, Quzhou University, Quzhou 324000, China)Abstract：Numerical simulation is used to study the volute tongue angle and analyze its influence on the internal flow state of the centrifugal pump. According to the relationship between the specific speed and volute tongue angle, 4 volute tongue angle schemes are designed. The Navier-Stokes equation and SST (shear stress transport) k~〇j turbulence model are used to explore the transient internal flow of centrifugal pump at high specific speed. The results indicate that in terms of external characteristics, the lift and efficiency of centrifugal pump are the highest when the volute tongue angle is 35° and the lift and efficiency of centrifugal pump decrease sharply when the volute tongue angles are 29° and 32° under high flow conditions；in terms of energy, the energy loss and entropy generation rate of centrifugal pump decrease first and then increase when the volute tongue angle grows from 29° to 38° and the minimum value is obtained when the volute tongue angle is 35°；in terms of internal flow stability, the pressure fluctuation inside the volute and the back-flow at the volute tongue decrease dramatically when the volute tongue angle increases as appropriate，which makes the internal flow of the volute and impeller more stable. To sum up, increasing the volute tongue angle as appropriate can not only promote the stability of the internal flow of centrifugal pump, but also inhibit energy dissipation.Key words：centrifugal pump；volute tongue angle；energy dissipation；pressure fluctuation；entropy generation rate收稿日期：2020—12—18 网络出版日期：2021—02 —04基金项目：国家自然科学基金项目（51536008, 51579224);浙江省重点研发计划（2018C03046)作者简介：吕剑渊（1993 —），男，江西上饶人，硕士研究生，主要从事流体机械理论及应用方面的研究。
用蜗壳隔舌插件技术对蜗壳式离心泵实施优化改进
图 １ 原始 蜗壳 隔舌 打磨
２ 蜗 壳 隔舌 插 件 技 术 实 施 方 案
２ ． １ 叶轮 优 化设 计
对于石油管线输送泵站来说 ，其流量降低 、扬
作面、增大叶轮的出口面积改变叶轮出口流速 ；通 过可切除隔舌的一部分或打磨隔舌的背部 ，调整蜗
壳 喉部 隔舌 速度 ；通 过修 改蜗 壳 隔舌 、改变 叶轮 的
叶片出口厚度 ，改装成大流量的叶轮 ，可实现同一 个泵在较大流量变化范围内的高效运行。这种增加 泵流量有效的经验方法已被众多操作者所熟悉 ，但 通过安装蜗壳隔舌插件和小流量叶轮的方法 ， 将这 做法理念按反向来操作 ，却不为众人所知 。蜗壳
程增大 ，效率降低。当末端用户需求量降低时 ，泵 的流量降低 ，石油管道 中流速降低 ，泵所需的扬程 将大幅降低 。因此 ，需根据新工况下的小流量重新 核算管路损失 ，确定新叶轮的扬程。 叶轮优化设计 中，在保证满足新工况流量及扬 程 的前提下 ，确保叶轮外径及轴 向安装尺寸基本不
变 ，通过 调整 叶 片数量 、叶片包 角 、叶片 出 口安放
１ 石油管线泵的优化方案
对石油管线输送泵组 ，常见的节能改造优化方
小 器 柱 采
组水力部件 的优化设计方法 ：在不改变泵组外部安 装 尺寸的前提下 ，对泵 的水力部件进行优化设计 ， 更 换 成可 满 足小 流量 工况要 求 的小 叶轮 ，同 时基于
２ ０ １ ７ 年第 １ 期
蜗壳隔舌插件技术设计新的蜗壳隔舌插件 ，改造过 程 中无需更换原有蜗壳及泵壳。通过安装适用于小
一
离心泵叶轮几何参数对能量、空化及噪声特性的影响
摘要离心泵由于其结构的独特性，离心泵的综合性能与诸多方面的因素相关，一个具有良好性能的离心泵必然是考虑多方面因素后的综合。
随着计算机技术的发展，CFD数值模拟方法越来越多的应用到产品的辅助设计与性能优化当中，本文主要基于这一方法，以控制变量法为原则，在众多影响离心泵的参数中选取离心泵的几何参数作为研究对象，来探讨其与离心泵综合性能的关系。
对于离心泵的综合性能，本文分为能量特性，空化特性和噪声特性三个主要部分，而选取的叶轮具体几何参数分别为叶片进口冲角、叶片出口安放角、叶片出口宽度、叶片数。
叶轮作为离心泵的能量传输和转化的核心部件，对离心泵性能具有至关重要的-湍影响。
本文能量特性和空化特性的研究主要以叶轮作为主要载体，基于RNGκε流模型，数值模拟了上述几种不同几何参数下的能量特性和空化特性。
结果表明，叶片进口冲角对效率有较大影响，一定范围内的正冲角有利于内部流动分布的改善，但对空化性能影响不显著；叶片出口角和叶片出口宽度相似，均与扬程呈正相关关系，且对空化的影响强于叶片进口冲角；叶片数对空化性能影响较大，属于强影响因素，在一定范围内，叶片数越多则扬程和轴功率越大，效率的变化取决于扬程和轴功率的增幅大小。
研究噪声特性的模型是增加了进口段和蜗壳压水室后的整体模型，出于几何参数变化引起的蜗壳结构的变化因素，本文从噪声源的角度探讨了不同噪声源对离心泵远声场的影响。
结果显示，旋转叶片表面的压力脉动对离心泵的噪声贡献更加显著。
关键词：离心泵；叶轮几何参数；数值模拟；能量特性；空化特性；噪声特性AbstractThe synthesize performance of a centrifugal pump is associated with many factorsbecause of its unique structure. The centrifugal pump with a good performance must beconsidered with various factors. With the development of computer technology, themethod of CFD numerical simulation to applied to the aided design and performanceoptimization of products become more and more popular, common and important. In thispaper, based on this method and the principles of control variable method, choose theimpeller geometrical parameters of centrifugal pump among numerous factors whichinfluence its performance as the research object, to explore its relationship with thecentrifugal pump performance. In this paper, for the performance of a centrifugal pump, itdivided into three parts: energy properties, cavitation characteristics and noisecharacteristics. Impeller geometric parameters include the blade inlet angle of attack,blade outlet angle, blade outlet width, blade number.Impeller as the core component of transmission and transformation of energy has avital influence on performance of a centrifugal pump. In this paper, the research of energyand cavitation characteristics mainly used the impeller as the main carrier, based on -turbulence model and numerical simulation method. The results show that the RNGκεblade inlet angle of attack has a greater effect on impeller efficiency, is within the scope ofa certain angle of attack is helpful for the improvement of the internal flow distribution,but no significant effects on cavitation performance; Blade outlet angle and blade outletwidth is similar, are positively correlated with head relationship, and the effect ofcavitation is stronger than blade inlet angle of attack; Blade number on the cavitationperformance, belongs to the strong influence factors, within a certain range, the moreblade number, the lager head and shaft power, the efficiency changes is depending on thehead and shaft power increasing size.Adding the import part and spiral case to the impeller as the model of noisecharacteristics researching. The article discussed the influence of different noise source onfar sound field of centrifugal pump considering the spiral case changes caused by thechange of impeller geometric parameters. Results show that the pressure pulsation on thesurface of rotor blades as the noise source making a more significant contribution to the noise.Keywords:Centrifugal pump; Impeller geometric parameters; Numerical simulation;Energy characteristics; Cavitation characteristics; Acoustic characteristics目录摘要 (I)Abstract (II)1绪论1.1研究背景与意义 (1)1.2国内外研究现状及文献综述 (2)1.3离心泵水力性能概述 (7)1.4研究内容与思路 (8)1.5小结 (9)2离心泵的设计思路、三维造型及数值模拟2.1初始模型的设计思路 (10)2.2主要设计流程 (10)2.3原始模型的主要参数 (13)2.4离心泵原始模型的数值模拟 (13)2.5小结 (16)3离心泵叶轮几何参数对能量特性的影响3.1离心泵能量特性的表述 (17)3.2叶片进口安放角对离心泵能量特性的影响 (18)3.3离心泵叶片出口角对其能量特性的影响 (21)3.4叶片出口宽度b2对离心泵能量特性的影响 (25)3.5叶片数Z对离心泵能量特性的影响 (29)3.6小结 (32)4离心泵叶轮几何参数对空化特性的影响4.1空化机理以及空化数值模拟方法 (33)4.2叶片几何参数对离心泵空化性能曲线的影响 (34)4.3不同叶片几何参数对应的离心泵叶轮内部空泡分布 (38)4.4小结 (43)5离心泵流动诱导噪声数值分析5.1离心泵诱导噪声数值计算方法与声学方程 (44)5.2流动诱导噪声数值计算 (47)5.3噪声计算结果及后处理 (48)5.4小结 (52)6总结与展望6.1总结 (53)6.2展望 (54)致谢 (56)参考文献 (57)附录1 攻读学位期间发表论文 (62)1绪论1.1研究背景与意义泵是一种广泛用于国民经济各个领域建设的通用流体机械，其主要功能是进行不同形式的能量转换和输运，而离心泵作为泵类产品中最重要的一种产品，它具有需求量大、应用范围广、品种规格多、结构形式多种多样、性能稳定效率高等特点。
离心泵蜗壳内压力脉动特性数值分析
离心泵蜗壳内压力脉动特性数值分析刘厚林;杜辉;董亮;吴贤芳;刘东喜【摘要】为揭示离心泵蜗壳流道内的压力脉动变化规律,采用雷诺时均方法(RANS),对3种工况下的离心泵内部三维非定常湍流流场进行数值计算,分析同一蜗壳断面不同位置以及沿蜗壳周向不同点的压力脉动特性.结果表明:蜗壳流道内具有非常明显的压力脉动,在各种工况下压力脉动的主频均是叶片通过频率；同一蜗壳断面上的压力脉动从蜗壳底部到蜗壳背面先减小后增大,蜗壳底部监测点的高频脉动成分较多；沿蜗壳周向,随着圆周角的增大,压力脉动减弱,隔舌附近压力脉动幅度最大,且高频脉动成分明显增加.%In order to reveal the variation laws of the pressure fluctuation in the volute of a centrifugal pump, the three-dimensional unsteady flow fields in the centrifugal pump under three different conditions are numerically solved by means of the Reynolds-averaged Navier-Stokes method. The pressure fluctuations at different points of the same section of the volute and different points along the circumferential direction of the volute are analyzed. The results show that the pressure fluctuations in the volute are obvious. The dominant frequencies under three conditions are found to be the ones that the blades pass. The pressure fluctuations at the same section decrease first and then increase from the bottom to the rear of the volute, and high-frequency fluctuations at the monitoring points on the bottom of the volute are evident. Along the circumferential direction, with the increase of circular angles, the pressure fluctuations decrease. The amplitude of pressure fluctuations isthe largest near the tongue where high-frequency fluctuations dramatically increase.【期刊名称】《水利水电科技进展》【年(卷),期】2013(033)001【总页数】5页(P18-21,32)【关键词】离心泵;蜗壳隔舌;压力脉动;雷诺时均法;数值分析【作者】刘厚林;杜辉;董亮;吴贤芳;刘东喜【作者单位】江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江212013;江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江212013;江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江212013;江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江212013;江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TV136+.2离心泵的空间非对称结构使其内部流动呈现出复杂的非定常特性,这种特性使泵在产生静态压力分量的同时还会产生动态压力分量,也就是压力脉动[1]。
双蜗壳式离心泵内部非定常流动压力特性分析
双蜗壳式离心泵内部非定常流动压力特性分析张帆;袁寿其;付强;洪锋;陶艺【摘要】为研究双蜗壳式离心泵内部流动特性,基于标准k-ε湍流模型和标准无滑移网格模型,应用CFX软件对其不同工况下的非定常流动进行三维数值模拟,得到了不同工况下双蜗壳式离心泵叶轮和蜗壳内部流道的压力脉动特性.计算结果表明,在小流量工况下,各监测点处的压力脉动都比较大且不均匀;在叶轮流道中,叶轮流道靠近出口边缘的压力脉动是叶轮流道其他区域压力脉动的5～8倍;在流量Q为34、110、148、160 m3/h 4个工况下叶轮分别旋转30步(90°)和90步(270°)时,压力脉动出现最大值.双蜗壳内圈流道的压力脉动强于外圈流道的压力脉动且隔舌处出现压力脉动较大值,大流量工况下双蜗壳隔舌和出口产生一定回流导致蜗壳该处附近监测点压力脉动先减小后增大.从傅里叶变换得到频域特性可知,叶频及其倍频是压力脉动的主要频率,且呈衰减趋势.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2015(046)002【总页数】7页(P52-58)【关键词】离心泵;双蜗壳;非定常流动;压力脉动【作者】张帆;袁寿其;付强;洪锋;陶艺【作者单位】江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心,镇江212013;江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心,镇江212013;江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心,镇江212013;江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心,镇江212013;江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心,镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TH311;TV131.3+3引言双蜗室是一种重要的蜗壳结构形式，具有两个单独且对称布置的流道。
由于双蜗壳形式能平衡泵轴内部径向力，减轻泵系统的振动，延长泵轴使用寿命，因此被广泛应用于高压头泵系统。
与普通单蜗室相比，双蜗室结构复杂，内部流动特性具有不稳定性，许多学者对此进行了研究［1－3］。
但他们均是对单一工况泵内部压力特性分析，关于多工况双蜗壳式离心泵压力脉动方面的研究还很少。
蜗壳喉部面积对低比转速离心泵性能的影响研究
化：工设备与管道PROCESS EQUIPMENT & PIPING 第57卷第4期2020年8月Vol. 57 No. 4Aug. 2020蜗壳喉部面积对低比转速离心泵性能的影响研究王辉S 杨军虎S 谷帅申,刘航泊I,程.卸（1.西安泵阀总厂有限公司，西安710025； 2.兰州理工大学，兰州730050）摘要：为研究蜗壳喉部面积对低比转速离心泵性能的影响，以比转速久=20.8的一台单级单吸离心泵为研究对象，针对同一叶轮，设计3种不同喉部面积的蜗壳，使用PumpLinx 软件分别在进口压力 p, = 0.1 MPa 和厂=0.015 MPa 进行泵内定常数值模拟计算，分析了喉部面积变化对泵外特性和抗汽蚀性能的影响。
结果表明：在同一进口压力下，在一定范围内，随着喉部面积的增大，扬程和效率有所升高，叶轮进口气体体积分数逐渐下降；合理的喉部面积能够明显改善蜗壳第vn 、\io 断面的局部压降。
研究结果可为低比转速离心泵的优化设计提供一定的参考。
关键词：低比转速离心泵；蜗壳；喉部面积；优化设计中图分类号：TQ 051.2； TH 311文献标识码：A 文章编号：1009-3281 （2020） 04-0062-004离心泵作为重要的能量转化装置，已被广泛应用于化工、水利及航空等领域。
低比转速离心泵主 要使用于小流量、高扬程工况，由于其出口宽度小、叶轮外径大、流道细长的结构特点，致使圆盘摩擦损 失较大。
谈明高等E 提出，对于低比转速离心泵而言，除圆盘摩擦损失外，蜗壳内部的损失占总损失的比重 也很大。
任轶等卩】认为，超低比转速蜗壳中的水力损失会达到泵整个水力损失的20%-50%。
因此，合理 的蜗壳喉部面积对低比转速离心泵的优化设计有重要意义。
施卫东等⑷对低比转速离心泵进行设计与试验研究，结果表明适当增大喉部面积有助于离心泵特性曲线趋于平坦，同时可以扩大高效区范围和提高最 高效率。
邓文剑等⑷研究了叶轮与蜗壳的匹配关系对离心泵性能的影响，分析了面积比对离心泵水力性能 的影响规律。
改变蜗壳宽度对离心风机性能影响的数值模拟研究
改变蜗壳宽度对离心风机性能影响的数值模拟研究摘要：以G4-73№8D型风机为研究对象，利用NUMECA软件对其改变蜗壳宽度方案进行了数值模拟，就各方案对蜗壳内部流场特性及风机性能的影响进行了对比分析，确定了改变宽度的优化参数。
在最优方案下，额定流量下风机全压提高2.73%，效率提高2.55%。
关键词：离心风机；蜗壳宽度；NUMECA；数值模拟中图分类号：TK284.80 引言据统计，在全国总用电量中，风机耗电约占9%左右[1]。
在火电厂中，风机是仅次于泵的耗电大户，其耗电量约占发电机组发电量的1.5%～3%，占厂用电的25%～30%左右[2]。
高负荷、大流量、高效率、低噪声、小型化以及更好的运行性能成为现代风机发展的总趋势。
高性能、高效率风机成为现代流体机械气动热力学研究的热点之一[3]。
本文借鉴上述研究经验，以G4-73№8D型离心风机为具体研究对象，利用NUMECA软件对改变蜗壳宽度不同方案进行数值模拟，研究不同方案对风机性能的影响，以确定优化参数，提高风机运行性能。
1风机模型的建立和数值方法1.1 结构模型利用Solidworks软件建立风机物理模型，风机结构参数取自风机产品样本[7]，其外观结构如图1所示。
本次计算中，蜗壳宽度分别增加了B = -20，-10，10，20，30mm ，B = 0表示蜗壳原宽度。
B的变化参数见表1。
图1 G4-73№8D型离心式风机结构图表1 蜗壳宽度变化参数参数方案012345B/mm-20-101231.2网格的划分本文在数值模拟时采用的是结构化网格，针对计算中的具体实例，采用AutoGrid提供的H型网格自动生成功能，通过调整相应的控制参数来生成最终的叶轮网格。
风机其它部分的网格生成需要首先划分区域，然后手动划分网格。
图2为风机整机网格示意图。
图2风机整机网格示意图1.3 边界及初始条件计算过程的运动方程模型为湍流Navier-Stokes方程，采用Spalart-Allmaras湍流模型，选用中心差分格式进行空间离散。
仿生蜗壳离心泵内部非定常流动特性分析
仿生蜗壳离心泵内部非定常流动特性分析牟介刚;刘剑;谷云庆;代东顺;郑水华;吴登昊【摘要】为了改善离心泵内部流场的非定常流动特性,基于仿生学原理构建仿生非光滑表面蜗壳,利用滑移网格技术对标准蜗壳、仿生蜗壳离心泵内部流场进行非定常计算,研究不同时刻下不同蜗壳离心泵静压场及速度场的差异,对比不同蜗壳离心泵压水室内压力脉动特性.结果表明:在不同时刻下,仿生蜗壳扩散段内静压分布更均匀、压力梯度更小,速度方向、大小基本保持一致,相对标准蜗壳更不易出现漩涡、二次流及边界层分离现象;叶片扫过隔舌瞬间,仿生蜗壳叶轮流道内流线分布相对更对称;一个周期内,仿生蜗壳离心泵压力脉动最大与最小处的脉动幅值均明显降低.说明仿生蜗壳能改善离心泵内部非定常流场,且对压水室内压力脉动有明显的抑制作用.【期刊名称】《浙江大学学报（工学版）》【年(卷),期】2016(050)005【总页数】7页(P927-933)【关键词】离心泵;仿生蜗壳;流场;非定常流动;压力脉动【作者】牟介刚;刘剑;谷云庆;代东顺;郑水华;吴登昊【作者单位】浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州310014;浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州310014;浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州310014;浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州310014;浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州310014;浙江工业大学之江学院,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】TB17离心泵作为一种通用机械,广泛应用于各行各业.但由于过流部件较为复杂,同时伴随着叶轮与蜗壳之间的动静干涉,使得离心泵内部呈现复杂的三维非稳态湍流[1-2].且非定常流体引起的水力激励及动静干涉带来的压力脉动,会诱导流体振动,从而影响离心泵工作性能,严重时会损坏系统设备.若要提高离心泵工作稳定性,需要对内部流动规律深入研究[3-4].当前针对离心泵内部非定常流场的研究主要集中在压力脉动及径向力脉动特性2方面.崔宝玲等[5]分析了复合叶轮离心泵内的非定常流动特性,认为离心泵内部压力和速度在时间上呈现高度非定常性,在空间上呈现高度非对称性.裴吉等[6]对低比转数离心泵内部非定常不稳定流动现象的内在机理进行深入研究,结论表明叶轮叶片背面相对速度及叶片后缘尾迹现象随时间变化明显,且叶轮出口处流动周期性较强.通过对离心泵叶轮与蜗壳耦合的三维流动进行数值模拟,郭鹏程等[7]证实了蜗壳与叶轮间的相互作用会引起离心泵全流场的不对称性.王玉川等[8]在对离心泵叶轮区瞬态流动特性进行研究后,发现叶轮出口处附近随时间变化的漩涡是内部流场不均匀的主要原因.虽然以上文献都对离心泵内部非定常流场进行了一定程度探讨,但并未提出较为创新的水力结构.仿生技术作为一种较为成熟的技术,被应用于各个行业,但在离心泵行业尚处于探索阶段.任露泉等[9]为了提升离心泵效率,在叶轮区域采用仿生非光滑技术,结论表明仿生技术具有明显增效作用.Tian等[10]则模仿海豚特殊皮肤结构在离心泵叶轮表面应用仿生耦合结构进行水泵增效研究,试验证明确能降低离心泵水力损失.上述研究证明仿生技术可以被应用于离心式的相关领域,但针对离心泵内仿生技术的研究主要集中在叶轮区域,在蜗壳区域应用仿生技术的文献未见报道.为了改善离心泵内部非定常流场的流动特性,运用仿生学原理,提取生物原型中的非光滑体表特征形态,建立仿生蜗壳结构模型.本文通过数值模拟的方法,对比分析不同时刻标准蜗壳与仿生蜗壳对泵内部流场的影响,并在离心泵压水室各断面设置监测点,研究仿生蜗壳对整个离心泵压水室脉动特性的影响.1.1 生物原型与计算模型经过亿万年的生物进化,自然界中有些生物具有适应环境的体表特征.长耳鸮可以在扑食过程中实现高速静音飞行,经研究表明其独特的体表消音降噪特性得益于其体表羽翼的特殊结构[11].如图1(a)所示为长耳鸮生物原型,其羽翼边缘基本都呈现非光滑圆弧形态,前后缘则呈现宏观正弦曲线形态.长耳鸮的该特殊形态翼型目前被主要应用于离心式风机中对气流噪声的控制作用方面[12-14],基于两者工作原理及结构基本类似,故将长耳鸮翼前缘非光滑特征形态融合于离心泵蜗壳的水力设计中. 研究过程中选取IS80-50-250为原型泵,在设计工况下,基本参数为：流量qm=50 m3/h,扬程H=80 m,转速n=2 900 r/min,叶轮相关参数为叶轮进口直径D1=80 mm,叶轮出口直径D2=252 mm,叶片出口宽度b=6.5 mm,叶片数Z=5.基于长耳鸮翼型形态参数[14],并结合蜗壳的设计要求,最终确定仿生非光滑表面蜗壳结构的具体参数.其中：非光滑单元高度h=3～7 mm,非光滑间隔s=26～42 mm,且两者满足比值处于0.1～0.2的关系,非光滑单元个数为2个.该仿生蜗壳的具体结构主要分布在离心泵内部流场最为复杂的部位,即从蜗壳隔舌头部沿蜗壳圆周方向延伸到蜗壳第Ⅰ断面附近[15].所得仿生非光滑蜗壳的纵截面轮廓形状为线性正弦曲线(原蜗壳轮廓曲线为该线性正弦曲线的中线),起点位于隔舌与基圆相切处、终点延伸至蜗壳压水室的第Ⅰ断面与第Ⅱ断面之间,并且第Ⅰ断面的形状面积与原第Ⅰ断面的形状面积必须保持一致.监测点分布在压水室各重要断面处,共12点分别对应各断面序号为P1、P2、…、P12模型及监测点示意图如图1(b)所示.1.2 控制方程及边界条件离心泵内部流动为复杂的三维黏性湍流流场,基于此,在数值模拟计算中选用RNG k-ε湍流模型[16-17],方程为采用ICEM对离心泵计算域进行网格划分,其中计算域包含进水管、叶轮、蜗壳、出水管4部分.叶轮和蜗壳部分选用适应性强的四面体非结构化网格,并在隔舌及仿生蜗壳处进行局部加密处理.通过对网格进行无关性分析,综合扬程的理论值及计算机资源,可知当网格数大于或等于100万左右时,扬程相对于网格数的波动保持在0.2%以内.最终确定标准蜗壳和仿生蜗壳情况下理论模型计算域网格总数分别为102万和120万.采用CFX设置离心泵计算域的边界条件,进口边界选用速度进口,出口边界为自由出流边界；固壁均设置为无滑移边界,壁面粗糙度设置为0.03 mm；流体介质为常温常压下水.在定常计算时,叶轮交界面选用冻结转子模型.在非定常计算时,叶轮交界面采用瞬态动静转子模型,以定常的结果文件为初始条件.非定常时间步长定义为叶轮每旋转3°所需时间,叶轮的转动频率为48.33 Hz,则叶片通过频率为241.7 Hz.计算周期为6周,选取第6周的数据进行统计分析.2.1 中截面静压场分析离心泵叶轮包含5个叶片,定义叶轮每旋转72°为一个计算周期T.一个周期T内,不同时刻标准蜗壳与仿生蜗壳中截面静压等值线分布如图2所示,图中,p为静压、t 为时间,FS为仿生蜗壳离心泵、BZ为标准蜗壳离心泵.由图2可知,由于叶轮与蜗壳之间的动静干涉作用,以及蜗壳的不同型式,使得叶轮与蜗壳内静压分布呈现不同的趋势：在不同时刻下,叶片相对于隔舌处于不同位置时,仿生蜗壳离心泵内流场更优于标准蜗壳离心泵,尤其表现在扩散段内,仿生蜗壳扩散段内静压分布更均匀、压力梯度更小,标准蜗壳扩散段内静压则分布更分散,更容易形成漩涡及二次流；当叶片扫过隔舌瞬间时,离心泵内部静压分布相对于其他时刻更大,此时隔舌区域的静压显示为整个中截面上最大,而叶轮进口低压区是一个周期中最小的时刻；叶片远离隔舌,离心泵整体静压开始减小,进口区域的低压区却开始增大,当位于时刻t=2/4T时,泵整体静压处于最低值,叶轮进口低压区域最大.这是因为当叶轮与隔舌相距最近时,两者间隙最小使前一个叶片流道内流体无法通过间隙向蜗壳喉部排出,而是由叶轮流道被甩出后,直接形成对蜗壳壁的冲击,产生强烈的水力激励以及漩涡,即表现为隔舌区域最大静压.而仿生蜗壳非光滑结构则形成流体弹性区域,对流体的冲击其缓冲作用,吸收其压力能,同时能抑制流体漩涡的形成,从而造成仿生蜗壳非光滑结构上突结构处静压最大,但整泵内流场更稳定,尤其表现在扩散段.说明仿生非光滑蜗壳结构能有效的改善离心泵非定常流场.2.2 中截面速度场分析一个计算周期T内,不同时刻标准蜗壳与仿生蜗壳中截面速度等值线分布如图3所示,图中,v为速度.不同型式蜗壳,在不同时刻叶轮区域的速度分布基本一致,但在扩散段内速度分布呈现较大的差别：在不同时刻下,叶片相对于隔舌处于不同位置时,仿生蜗壳离心泵扩散段内流动特性更优异,速度分布更均匀,尽管在扩散段入口处会形成漩涡,但扩散段中部或出口处速度分布基本一致,有利于流体流动,标准蜗壳扩散段内速度分布较为混乱,且扩散段壁面边界层分离严重,造成整个扩散段内均会产生漩涡及二次流,较严重地阻碍了流体的出流情况,且大量的漩涡及二次流会极大消耗流体的能量；当叶片扫过隔舌瞬间时,仿生蜗壳扩散段入口处低速区最大,速度梯度大,容易形成大漩涡,但沿着扩散段出流到出口处,仿生蜗壳扩散段低速区逐渐减小,整个扩散段内速度分布更加均匀,更利于流体流动；标准蜗壳在整个扩散段内壁面边界层分离现象十分严重,低速区混乱分布,甚至在出口处也会形成漩涡,极大的影响流体出流.2.3 中截面流线分析对比叶片扫过隔舌瞬间与远离隔舌的各不同时刻发现,蜗壳、叶轮区域的相对速度分布情况变化不大.现取仿生蜗壳与标准蜗壳中叶片扫过隔舌瞬间,蜗壳与叶轮中截面的相对速度流线图对比分析,其中蜗壳与叶轮等间距样本均取为200,即流线密度一致,如图4所示.由图4(a)可知,流体进入扩散段后,流场产生严重的分化.顺着扩散段流线方向,流场一分为二,扩散段右侧流体流动顺畅,但出流面积逐渐缩小,左侧流体流动混乱,出流面积却逐渐增大；标准蜗壳扩散段相比仿生蜗壳,其扩散段左侧流场更为混乱无序,流线形成方向不一致的曲线预示着该流域将产生大量漩涡或二次流,仿生蜗壳扩散段左侧虽然存在一个局部漩涡,但其扩散段中部及出口处流场方向基本保持一致,说明该流域流动较为均匀.由图4(b)可知,流体在流经叶轮流道时,在每一叶片压力侧中部会形成明显的漩涡,仿生蜗壳叶轮5个漩涡大小、形状一致,且漩涡速度基本一致；标准蜗壳叶轮中5个漩涡却并未呈现中心对称状态,靠近隔舌的2个叶片处的漩涡形状较小,且对应的速度大于其他3个漩涡.这将改变整个叶轮流场的分布,使其压力脉动及受力不均匀,从而影响离心泵的运行.其原因是由于叶片扫过隔舌时,阻碍了上一叶片流道内流体的出流,使其直接撞击蜗壳形成漩涡,漩涡同时对叶轮流道产生反作用,而仿生蜗壳则由于弹性区域吸收了部分冲击能量,大量减缓了漩涡对叶轮区域的影响.这说明在采用仿生蜗壳时,可以明显改善蜗壳内流体的流动状态,且使叶轮内流场分布相对更为均匀、对称.3.1 各监测点压力脉动如图5所示为设计工况下所有监测点在一个计算周期内的压力脉动分布.由图5(a)、(b)可知,压水室第Ⅰ到第Ⅷ断面的压水室处压力脉动幅值波动更明显,特别是第Ⅰ断面脉动幅值为所有监测点中脉动幅值最大处,而扩散段的4个断面处压力脉动则相对更稳定,尤其是第Ⅸ断面脉动幅值为所有监测点中脉动幅值最小处.由图2或图3中云图可以很好地解释上述现象,由于隔舌与叶轮之间的动静干涉,使液流受到冲击作用发生边界层分离,以及叶片出口的的“射流-尾迹”等因素的影响,离心泵内压力脉动最强烈处沿流体偏移到了第Ⅰ断面附近；而扩散段进口处流体的流动状态良好,并没有如同扩散段中部出现大量的漩涡扰动,使得第Ⅸ断面处压力脉动处于整个离心泵内较低值.3.2 脉动幅值最大与最小截面基于同一周期内,仿生蜗壳与标准蜗壳各对应监测点处压力脉动特性分布趋势基本类似,故分别取压力脉动幅值波动最大处(P1)与最小处(P9)监测点具体分析.如图6(a)、(b)所示分别为不同蜗壳离心泵P1处压力脉动时域图与频域图,如图6(c)、(d)所示则分别为不同蜗壳离心泵P9处压力脉动时域图与频域图,其中A为监测点静压脉动幅值.由图6(a)、(c)可知,不同蜗壳离心泵压水室内静压分布呈现明显的周期性,且周期数与叶片数相当；当采用仿生蜗壳时,P1处压力值时而高于标准蜗壳,时而低于标准蜗壳,但同一周期内,仿生蜗壳P1处压力值标准差为73 468,标准蜗壳则为79 857；当采用仿生蜗壳时,其压力幅值及平均值均比标准蜗壳小2倍有余.这说明采用仿生蜗壳时,P1、P9处压力脉动较标准蜗壳更稳定.由图6(b)、(d)可知,不同蜗壳离心泵P1处主频均为240.8 Hz,与叶片通过频率241.7 Hz一致；采用仿生蜗壳时P1处主频脉动幅值相对于标准蜗壳时降低了8.6%,在次主频(481.7 Hz)处降低了10.3%,在3阶主频(963.4 Hz)处则降低了20.1%,在高频处也相对低于标准蜗壳；P9处脉动幅值除了在主频处稍低于标准蜗壳,高频处基本高于标准蜗壳,但由于采用仿生蜗壳时,P9处压力数值远小于标准蜗壳,故其压力脉动幅值的少许上升对该处流场或整个离心泵内流场的影响甚微.综上所述,当采用仿生蜗壳时,可明显改善其压水室内压力脉动特性.(1)在不同时刻下,仿生蜗壳离心泵内流场更优于标准蜗壳,尤其表现在扩散段及叶轮处,相对于标准蜗壳更不易出现漩涡及边界层分离现象.(2)在不同时刻下,仿生蜗壳扩散段入口处容易形成大漩涡,但沿着扩散段出流到出口处低速区逐渐减小,速度分布更加均匀,更利于流体流动,标准蜗壳扩散段在整个扩散段均表现为混乱分布的低速区及严重的边界层分离现象,极大的影响流体出流. (3)叶片扫过隔舌瞬间,流体在流经叶轮流道时,仿生蜗壳可以明显改善蜗壳内流体的流动状态,且使叶轮内流场分布相对更为均匀、对称.(4)在同一周期内,当采用仿生蜗壳时,压水室压力脉动最大处P1处压力值标准差降低了8.7%；压力脉动最小处P9处压力幅值及平均值均比标准蜗壳小2倍有余；当采用仿生蜗壳时，P1、P9处压力脉动较标准蜗壳更稳定.。
蜗壳喉部面积对泵性能的影响研究
蜗壳喉部面积对泵性能的影响研究于晴;王晓锋;张聃;李惠敏【摘要】在某型液体火箭发动机研制中,为了适应发动机推力的提升,需要对泵结构进行适应性改进.基于面积比原理对泵压式液体火箭发动机泵蜗壳喉部与叶轮的匹配进行设计与研究.采用数值模拟和试验研究相结合的方法研究了蜗壳喉部面积变化对泵性能的影响.分别对两种不同面积比的泵模型进行计算分析,结果表明:在高效区范围内,随着蜗壳喉部与叶轮出口面积比值的增大,泵的扬程和效率均有所提高,试验结果与计算结果也较为吻合.因此,蜗壳喉部面积扩大后,与叶轮匹配性有所改善,可以适应发动机推力提升的要求,结构改动简单易行,而且对已制品可以进行返修,减少经济损失.%During the development of a certain liquid rocket engine, the adaptability improve-ment of the pump structure needs to be realized to promote the thrust of the engine. Based on the area ratio principle, the match of the volute throat and impeller in the turbopump-fed liquid rocket engine is designed and studied in this paper. The influence of the variation of volute throat area on pump per-formance is studied by using the method of combining numerical simulation with experimental re-search. The pump models with two different area ratios were analyzed. The results indicate that, in the range of the high efficiency, both the pump lift and efficiency are increased with the increase of area ratio of the volute throat to the impeller outlet. The experimental results are tallied with the cal-culation results. Thus, the match of the volute throat and the impeller can be improved as the volute throat area is widened, which can satisfy the requirement of the thrust enhancement of the engine. Furthermore, thestructure is easy to alter, even the final products can be sent back for modification. It is sure that its cost will be reduced greatly.【期刊名称】《火箭推进》【年(卷),期】2017(043)006【总页数】5页(P44-47,96)【关键词】液体火箭发动机;泵;蜗壳喉部面积;发动机推力;数值模拟【作者】于晴;王晓锋;张聃;李惠敏【作者单位】西安航天动力研究所, 陕西西安710100;西安航天动力研究所, 陕西西安710100;西安航天动力研究所, 陕西西安710100;西安航天动力研究所, 陕西西安710100【正文语种】中文【中图分类】V434.2-34随着战略武器的发展和航天活动的需要，液体火箭发动机技术近些年得到了飞速发展。
离心泵流体激励力的研究:蜗壳部分
离心泵流体激励力的研究：蜗壳部分蒋爱华;章艺;靳思宇;章振华;黄修长;华宏星【摘要】研究了叶轮转动过程中离心泵蜗壳所受流体激励力.基于CFD计算了离心泵叶轮转动过程中的瞬态内流场,而后积分得出蜗壳内表面三个方向上流体激励合力并进行频谱分析,最后运用九次多项式拟合、傅里叶级数与分段多项式拟合分别建立叶轮单周转动各向流体合力数学模型.结果表明:蜗壳所受出口方向、进口方向与垂直于进出口方向的流体激励力以叶片通过频率为基频波动,且波动幅值依次减小,波谷均出现于叶片通过蜗舌时；采用三段多项式拟合所建的数学模型与原始波形有最小的偏差,并且具有较低阶次.%Fluid exciting vibration of centrifugal pump volute was studied. Based on the results of transient fluid flow analysis via CFD simulation, three-direction orthogonal fluid exciting syntheszied forces on volute were gained by integrating the forces on interior fluid-solid interface of volute. The three-direction components of the forces were then compared among themselves both in whole transient simulation process and in sole period. Power spectrums of these forces in one period during which impeller rotates 360 degrees were analysed. The methods of nine-order polynomial curve fitting, Fourier series and multi polynomial curve fitting were used respectively to built mathematic model of three-direction single period fluid exciting forces. The result shows that, the volute suffers three-direction periodical fluid forces whose frequency is the same as the passing frequency of vanes in impeller. The direction of the first force which is perpendicular to the volute exit plane is opposite to the flowing direction and it owns the biggest amplitude fluctuation, whilethe direction of the second force which is perpendicular to the volute inlet plane is the same as that of the flowing. The direction of the third force, whose amplitude fluctuation is the smallest, changes periodically. It also can be known that, the peak of the second force and the trough vale of the third force in single period both appear at the location where the tip of vane passes the tangent line of volute trough, which crosses the center of impeller in the symmetrical plane of volute. The mathematic model by multi polynomial curve fitting can results in smallest deviation from the original signal and is of less polynomial order.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2012(031)004【总页数】7页(P60-66)【关键词】离心泵;蜗壳;流体激振;CFD【作者】蒋爱华;章艺;靳思宇;章振华;黄修长;华宏星【作者单位】上海交通大学机械系统振动国家重点实验室,上海200240;中国船舶重工集团公司第704研究所,上海200031;中国船舶重工集团公司第704研究所,上海200031;上海交通大学机械系统振动国家重点实验室,上海200240;上海交通大学机械系统振动国家重点实验室,上海200240;上海交通大学机械系统振动国家重点实验室,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TH311离心泵的振动是广泛关注的问题，流体激励力是离心泵振动的主要原因之一。
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文章编号：1005 -0329(2017)02-0038 -05蜗壳喉部面积对离心泵非定常特性的影响陈颖S李国平2，张宁3，杜文强3，高波3(1.海军驻温州地区军事代表室，浙江温州325000;2.中国船舶重工集团第七〇四研究所，上海200031 ;3.江苏大学，江苏镇江212013)摘要：为研究蜗壳喉部面积对离心菜非定常特性的影响,针对同一离心菜叶轮，设计匹配4种不同喉部面积的蜗壳,并采用数值计算方法对菜内流非定常流动进行计算。
结合面积比原理，分析了喉部面积对菜性能、径向力以及压力脉动 的影响规律。
结果表明：喉部面积对离心菜水力性能影响显著，设计工况下,随着喉部面积的减小，扬程和效率逐渐降 低;受喉部面积影响,不同工况叶轮所受径向力大小不同且具有极小值，但极小值所对应的工况点有所不同;合理的喉部 面积能有效降低菜内的压力脉动水平，随着喉部面积减小，菜内压力脉动水平增加，而当增加喉部面积时,压力脉动水平 降低。
通过分析蜗壳不同喉部面积对离心菜性能的影响,可为低噪声离心菜面积比设计提供参考。
关键词：离心菜;喉部面积;水力性能;径向力;压力脉动中图分类号：TH313 文献标志码：A doi： 10. 3969/j. issn. 1005 -0329.2017.02.008 Research on the Influence of Volute Throat Area on Unsteady Characteristics in a Centrifugal Pump CHEN Y in g^L I Guo-ping2；ZHANG Ning3；DU Wen-qiang3；GAO Bo3 (l.T h e Navy Martial Commissary Office Stationed at Wenzhou, Wenzhou 325000 ,China；2. 704th Research Institute,China Shipbuilding Industry Corporation,Shanghai 200031 ,China；3. Jiangsu University,Zhenjiang 212013 ,China) Abstract：For a given impeller,four pumps with different volute throat areas,were calculated based on numerical simulation method. Unsteady flow characteristics of the pumps were obtained. The influences of throat area on hydraulic performance, radial force and pressure pulsation were discussed. Results show that throat area has a great effect on the pump hydraulic performance. The head and hydraulic efficiency decrease with throat area decreasing at nominal flow rate. The radial forces of four impellers differ significantly at various flow rates,which would reach a minimum value. But the corresponding flow rates of the minimum points are different. The reasonable throat area could effectively reduce the amplitude of pressure pulsation, and it would increase with the throat area decreasing. Meanwhile, pressure pulsation energy decreases with the throat area increasing. The obtained results would provide some supports for low noise centrifugal pump design considering different throat areas.Key words：centrifugal pump；volute throat area；hydraulic performance；radial force；pressure pulsationi前言离心泵广泛应用于化工、水利等领域，也是航 空航天、舰船等高技术装备的关键设备。
离心泵 叶轮与蜗壳的动静干涉作用会诱发泵内非稳态流 动，这种动静干涉激励的低频压力脉动甚至会造 成泵体产生共振，严重影响泵的稳定与安全运行[1〜3]。
而叶轮与蜗壳是否良好匹配将严重影响 泵的整体性能。
Anderson早在20世纪50年代就 提出了面积比原理，指出叶轮出口过流面积与泵收稿日期：2016 -08 -31体喉部面积之比是离心泵扬程、流量和轴功率等 特性的主要决定因素[4’5]。
Worster从理论上证明 了Anderson所提出的面积比原理的合理性[6]。
邓文剑等研究了叶轮与蜗壳的匹配关系对离心泵 性能的影响，分析了面积比对水力性能的作用规 律[7]。
刘在伦等基于面积比理论，提出了在面积 比系数及泵体不变的条件下只改变叶轮的泵设计 方法[8]。
然而大多数基于面积比原理设计的研 究仅针对泵的水力性能进行了探讨，鲜有文献研 究面积比对泵非定常特性的影响。
本文基于面积比原理，针对同一叶轮，对4种 不同蜗壳喉部面积条件下的模型泵进行研究，分 析不同面积比对离心泵水力性能、径向力以及压 力脉动水平的影响，以期为低噪声离心泵面积比 设计理论提供参考。
2模型主要参数及设计方案本文以I台比转速~ =69的离心泵为研究 对象，设计扬程丑= 20m，扬程系数々=《丑/^ = 0.506,设计流量仏=55 m3/h，流量系数少= 仏/( ）=0.0459，额定转速 a = 1450 r/min。
其中％为叶轮出口圆周速度，&为叶轮半径，p 为介质密度。
根据Anderson的面积比理论，定义 面积比F为：Y = 0.957：D2b2s i n(32/F t(1)式中仏—叶轮直径b2—叶轮出口宽度(S2——叶片出口安放角F t—蜗壳喉部面积在原始面积比值F= 3.32的基础上，保持蜗 壳其它的参数不变，仅改变蜗壳喉部面积，设计4 种蜗壳与同一叶轮匹配，各面积比值如表1所示,口。
对求解域进行六面体结构网格划分，并对网 格进行局部加密。
为减小网格数量对计算的影 响，进行了网格无关性检验，最终所选网格总数为3.1x l O%3.2数值计算方法及边界条件定常计算采用R N G k-s湍流模型，压力与速 度的耦合采用S I M P L E算法。
边界条件采用速度 进口和压力出口，壁面采用无滑移壁面函数。
为了验证数值计算的精度，对面积比值F= 3.32的模型泵进行性能测试。
图2给出了面积 比F= 3.32时模型泵的性能参数的数值计算结果 与试验测试结果的对比。
通过对比发现试验值与 计算值在设计点的扬程误差约为3.4%，因此可 以认为所采用的计算方法可以捕捉到泵内主要流 动结构。
表1各方案面积比值方案A B C DY 3.04 3.32 3.684.15 3数值计算方法3.1网格划分及计算模型模型泵计算域网格如图1所示。
图1结构网格示意计算域包括4个部分:进口、叶轮、蜗壳和出图2试验值与计算值对比非定常计算时，米用大涡模拟方法，并米用亚 格子Smagorinsk-Lilly模型使方程封闭[9~111&将 定常计算结果作为非定常计算的初始条件，取叶 轮旋转1°作为一个时间步长，S卩仏=1. 149 X 1(T4s，每计算360°为1个叶轮旋转周期。
为了获得不同面积比对离心泵压力脉动信号 的影响，在叶轮的中间截面布置12个监测点，监测 点位于直径D=275 m m的圆上。
计算过程中每计 算1°记录一次压力信号，监测点位置如图3所示:0图3压力监测点布置4结果分析4.1 水力性能水力性能对比如图4所示。
从图4(a)可以 看出，面积比对离心泵的扬程具有显著的影响，当面积比F= 3.04和F= 3.68时，扬程在全工况范 围内波动较小。
与原始泵相比，设计工况下，F= 3.04时的扬程增加了 1.28%，F= 3.62时的扬程 降低了 1.1%，而当F= 4. 15时，扬程出现显著的 降低，降幅达7.34%。
从图4(b)可知，面积比对 效率影响较大，改进设计泵的最高效率出现偏离 设计工况现象。
F= 4.15和F= 3.68时偏小流量 工况，而F= 3.04时则偏大流量工况，这与文献 [12]的结论“减小蜗壳喉部面积，在小流量工况 时水力损失较小，泵的最高效率向小流量工况偏 移”相一致。
与原始泵相比，设计工况下，F = 3.04时的泵效率增加了0.83%，F= 3.68时的泵 效率基本保持不变，而F= 4. 15时的效率显著降 低，降低7%左右。
4.2 叶轮径向力分布叶轮径向力对轴系振动有显著影响[13~18]。
图5给出了不同面积比时叶轮径向分力的分布特征。
出口所受径向力最大，F= 3.68时则最小。
设计工况下，随着面积比值的增加，每个流道 所受径向力基本呈增加趋势，即F= 3.04时最小，F= 4. 15时最大;大流量工况下，不同面积比所受 径向力的分布规律与设计工况下基本相同，即F = 3.04时最小，r= 4. 15时最大。
图6所示为叶轮所受径向合力随流量的变化特性，将径向力进行无量纲化处理，表达式如下：C F R⑵式中F R l—各面积比方案在不同工况下的径向力F R]—原始泵在设计工况下的径向力图6叶轮径向力随流量的变化各面积比条件下，径向力随着流量的增加呈 现出先降低后增加的规律，径向力曲线存在一个 最小值。
但不同面积比值下的最小值不同且最小 值所在的工况也不同。
F= 4. 15时，径向力的最 小值出现在少=0.02〜0.035之间；7 = 3.68和F =3. 32时，径向力最小值出现在少=0. 03〜〇.045之间；F= 3.04时，径向力的最小值出现在 少=0.04〜0. 05之间，这与各面积比下的最高效 率点的分布较为吻合。