离心泵瞬态空化流动及压力脉动特性

力脉动对饱和压力影响修正空化模型， 对小流量工况离心泵瞬态空化流动进行数值模拟， 计算所得扬程随进口压力变化 曲线与试验结果吻合较好， 能较准确预测离心泵在空化临界点扬程陡降过程。在离心泵叶轮流道中间与叶片压力面、 吸 力面布置监测点， 对比分析非空化、 空化时叶轮内压力脉动特性。结果表明： 叶轮内压力脉动主频为叶轮转频； 在叶轮流 道及叶片吸力面， 叶轮内压力脉动最大幅值由进口至出口逐渐增大， 而在叶片压力面， 压力脉动最大幅值在叶片进口 ４ ／ ５ 处最大。空化流动各监测点压力脉动最大幅值大于非空化， 在流道进口处约为非空化时 ２倍。受蜗舌结构影响， 叶轮内 各流道空化区域分布不均匀。 关键词：离心泵； 瞬态特性； 空化流动； 压力脉动 中图分类号：Ｔ Ｈ ３ １ １ 文献标识码：Ａ
频闪光源与高速摄像机观测空化在叶片压力面的自激 振荡形态。 空化流动数值模拟基本分界面追踪法、 界面捕获 法两类， 而界面捕获法中的均相流模型应用最广， 在均 相流假设下， 空化模型可分为空泡动力学模型、 状态方
７ － １ ０ ］ 程模型及输运方程模型等三类 ［ 。湍流模型对空化
第２ ２期 王松林等：离心泵瞬态空化流动及压力脉动特性
模型， 考虑不凝结性气体质量分数的非均匀分布、 气体 含量与压力关系、 液体可压缩性影响， 数值模拟了泵内
１ ４ ］ 对离心泵临界空化点进行非 部空化流动。杨敏官等 ［
定常数值模拟结果表明， 蜗舌附近压力脉动幅值在叶 片通过频率下最大， 随叶轮内空化发展压力脉动幅值
１ ５ ］ 逐渐增大。王秀礼等 ［ 选三种工况进行离心泵空化非
振 动 与 冲 击 第３ ２卷第 ２ ２期 Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ ＬＯ ＦＶ Ｉ Ｂ Ｒ Ａ Ｔ Ｉ Ｏ ＮＡ Ｎ ＤＳ Ｈ Ｏ Ｃ Ｋ Ｖ ｏ ｌ ． ３ ２Ｎ ｏ ． ２ ２２ ０ １ ３

离心泵瞬态空化流动及压力脉动特性
１ － ２ ］ 。离心泵空化对机组运 其运行特性具有重要影响 ［ ４ ］ 进口边位置对离心泵空化性能影响。 Ｆ ｒ ｉ ｅ ｄ ｒ ｉ ｃ ｈ ｓ 等［ 以
％为临界空化点， 通过试验研究低比转速离 扬程下降 ３
５ ］ 心泵旋转空化问题。Ｂ ａ ｃ ｈ ｅ ｒ ｔ 等［ 通过 Ｐ Ｉ Ｖ试验研究离
行稳定性影响较大， 空化严重时产生的大量空泡在离 心泵流道内堵塞会导致扬程、 效率急剧下降， 使其不能 正常运行。Ｌ ｕ ｏ 等
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｅ ｎ ｔ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｆ ｌ ｏ ｗ ｓ ｉ ｎａ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｉ ｆ ｕ ｇ ａ ｌ ｐ ｕ ｍ ｐｗ ｉ ｔ ｈｓ ｍ ａ ｌ ｌ ｆ ｌ ｏ ｗｒ ａ ｔ ｅ ｗ ｅ ｒ ｅ ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄｕ ｓ ｉ ｎ ｇ Ｒ Ｎ Ｇｋ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｃ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｐ ｏ ｒ ｔ ｅ ｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ，ｂ ｏ ｔ ｈｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｍ ｏ ｄ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄｂ ｙ ｔ ａ ｋ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ εｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｆ ｌ ｕ ｉ ｄｏ ｎｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｆ ｌ ｕ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｎｓ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｉ ｎ ｔ ｏ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｔ ｈ ｅｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄｖ ａ ｒ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｐ ｕ ｍ ｐｈ ｅ ａ ｄｗ ｉ ｔ ｈｐ ｕ ｍ ｐｉ ｎ ｌ ｅ ｔ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅａ ｇ ｒ ｅ ｅ ｄｗ ｅ ｌ ｌ ｗ ｉ ｔ ｈｔ ｈ ｅｔ ｅ ｓ ｔ ｄ ａ ｔ ａ ．Ｔ ｈ ｅｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｄ ｅ ｍ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｎ ｄｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄｃ ａ ｎａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｔ ｅ ｌ ｙ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｆ ｌ ｏ ｗ ｓ ｉ ｎａ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｉ ｆ ｕ ｇ ａ ｌ ｐ ｕ ｍ ｐ ．Ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅｆ ｌ ｕ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｗ ｉ ｔ ｈａ ｎ ｄｗ ｉ ｔ ｈ ｏ ｕ ｔ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｗ ｅ ｒ ｅ ｃ ｏ ｍ ｐ ａ ｒ ｅ ｄａ ｎ ｄａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ．Ｉ ｔ ｗ ａ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｎｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｄ ｏ ｍ ｉ ｎ ａ ｎ ｔ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｏ ｆ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅｆ ｌ ｕ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｉ ｎａ ｎｉ ｍ ｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ；ｆ ｒ ｏ ｍｔ ｈ ｅ ｉ ｍ ｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ ｉ ｎ ｌ ｅ ｔ ｔ ｏ ｏ ｕ ｔ ｌ ｅ ｔ ，ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍａ ｍ ｐ ｌ ｉ ｔ ｕ ｄ ｅ ｓ ｏ ｆ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅｆ ｌ ｕ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｉ ｎｆ ｌ ｏ ｗｐ ａ ｓ ｓ ａ ｇ ｅａ ｎ ｄｂ ｌ ａ ｄ ｅｓ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｉ ｄ ｅｇ ｒ ａ ｄ ｕ ａ ｌ ｌ ｙｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ；ｂ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍａ ｍ ｐ ｌ ｉ ｔ ｕ ｄ ｅｒ ｅ ａ ｃ ｈ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｓ ｔ ｖ ａ ｌ ｕ ｅａ ｔ ｔ ｈ ｅ ４ ／ ５ｌ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｆ ｒ ｏ ｍｔ ｈ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｉ ｎ ｌ ｅ ｔ ｓ ｉ ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｉ ｎ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｆ ｌ ｏ ｗｓ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎｔ ｈ ｉ ｓ ａ ｒ ｅ ａ ；ｔ ｈ ｅｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅｆ ｌ ｕ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍａ ｍ ｐ ｌ ｉ ｔ ｕ ｄ ｅｏ ｆ ｔ ｈ ｅｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｆ ｌ ｏ ｗｉ ｓｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｒ ｔ ｈ ａ ｎｔ ｈ ａ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅｎ ｏ ｎ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｌ ｏ ｗ ，ｔ ｈ ｅｆ ｏ ｒ ｍ ｅ ｒ ｉ ｓ ａ ｂ ｏ ｕ ｔ ２ｔ ｉ ｍ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｆ ｌ ｏ ｗｐ ａ ｓ ｓ ａ ｇ ｅ ｉ ｎ ｌ ｅ ｔ ；ｗ ｉ ｔ ｈｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ａ ｓ ｙ ｍ ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｖ ｏ ｌ ｕ ｔ ｅ ｔ ｏ ｎ ｇ ｕ ｅ ，ｔ ｈ ｅｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｉ ｎｔ ｈ ｅｉ ｍ ｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ ｉ ｓ ｎ ｏ ｔ ｕ ｎ ｉ ｆ ｏ ｒ ｍ ． Ｋ ｅ ｙｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ：ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｉ ｆ ｕ ｇ ａ ｌ ｐ ｕ ｍ ｐ ；ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｅ ｎ ｔ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ；ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｆ ｌ ｏ ｗ ；ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅｆ ｌ ｕ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ 离心泵作为通用机械应用广泛， 内部流动状况对
Ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｅ ｎ ｔ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｆ ｌ ｏ ｗａ ｎ ｄｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅｆ ｌ ｕ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｆ ｏ ｒａｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｉ ｆ ｕ ｇ ａ ｌ ｐ ｕ ｍｐ
１ ６ ９
流动数值模拟结果影响较大， 故应处理好空泡生成、 溃
１ １ ］ ｅ ｄ ｖ ｉ ｔ ｚ 等［ 基于输运方程空 灭时对湍流发展影响。 Ｍ
化模型数值计算离心泵空化流场， 分析非设计工况或 管网压 力 低、 离 心 泵 在 低 空 化 数 时 扬 程 下 降 原 因。
１ ２ ］ Ｐ ｏ ｕ ｆ ｆ ａ ｒ ｙ 等［ 基于状态方程空化模型对离心泵内部空 １ ３ ］ 化流场进行数值模拟。 Ｄ ｉ ｎ ｇ 等［ 基于输运方程空化
图１ 离心泵计算域及网格 Ｆ ｉ ｇ ． １Ｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｄ ｏ ｍ ａ ｉ ｎａ ｎ ｄｇ ｒ ｉ ｄｏ ｆ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｉ ｆ ｕ ｇ ａ ｌ ｐ ｕ ｍ ｐ
定常数值模拟结果表明， 蜗壳内压力脉动幅值在隔舌 处最大， 沿叶轮旋转方向各监测点逐渐减小。刘厚林 等
王松林１， 谭 百度文库２， 王玉川２
（ １ ．华北水利水电学院 水利学院，郑州 ４ ５ ０ ０ １ １ ； ２ ．清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ４ ）
摘 要：基于 Ｒ Ｎ Ｇｋ － 湍流模型及输运方程空化模型， 考虑空化流动可压缩性影响修正湍流模型， 考虑湍流压 ε
１ ２ ２ Ｗ Ａ Ｎ ＧＳ ｏ ｎ ｇ ｌ ｉ ｎ ，Ｔ Ａ ＮＬ ｅ ｉ ，Ｗ Ａ Ｎ ＧＹ ｕ ｃ ｈ ｕ ａ ｎ
（ １ ．Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｃ ｏ ｎ ｓ ｅ ｒ ｖ ａ ｎ ｃ ｙ ，Ｎ ｏ ｒ ｔ ｈＣ ｈ ｉ ｎ ａＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙｏ ｆ Ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅａ ｎ ｄＥ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃＰ ｏ ｗ ｅ ｒ ，Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ４ ５ ０ ０ １ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ．Ｓ ｔ ａ ｔ ｅＫ ｅ ｙＬ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙｏ ｆ Ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅａ ｎ ｄＥ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｔ ｓ ｉ ｎ ｇ ｈ ｕ ａＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ８ ４ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
［ ３ ］
心泵压水室喉部空化流场， 发现在压水室喉部出现空
６ ］ 化形态与绕单个翼型空化形态类似。Ｃ ｏ ｕ ｔ ｉ ｅ ｒ 等［ 采用
以扬程下降 ３ ％ 为临界空化点， 对
５个进口边位置不同离心泵叶轮进行试验研究， 并分析
基金项目：国家自然科学基金项目（ ５ １ １ ７ ６ ０ ８ ８ ） ； 水利部公益性行业科研 专项经费资助项目（ ２ ０ １ ２ ０ １ ０ ８ ５ ） ０ １ ３－ ０ ４－ ２ ４ 修改稿收到日期： ２ ０ １ ３－ ０ ６－ １ ４ 收稿日期：２ 第一作者 王松林 男， 硕士， 副教授， １ ９ ７ ２年 ２月生 通讯作者 谭 磊 男， 博士， 助理研究员， １ ９ ８ ４年 ２月生
［ １ ６ ］
１ ２ 基本方程 流体运动 基 本 控 制 方 程 为 基 于 Ｒ ｅ ｙ ｎ ｏ ｌ ｄ ｓ 平均的 Ｎ ａ ｖ ｉ ｅ ｒ Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ 方程： （ ） ＝０ ρ）＋（ ρ ｍｕ ｔ ｍ （ １ ）