潜水泵压力脉动与非定常特性数值分析

潜水泵压力脉动与非定常特性数值分析

李延孟

中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司贵州省贵阳市550081

摘要：为了对潜水泵的压力脉动特性进行研究，笔者决定选择基于ANSYSCFX软件对潜水泵的压力进行系统性的压力脉动模拟分析。结果证明，在潜水泵的一个压力周期之内，叶轮中叶片的工作面以及背面的压力脉动均具有明显的周期性，并且均出现了五大波峰：蜗壳壁面上的静压均值由Ⅰ-Ⅷ断面均呈现了先增大后缩小的趋势，在隔舌处的静压均值经测定是大于I断面处的；而在蜗壳的内部监测点处，其主频都明显地表现出其与叶频的具体数值所相关，同时，I断面处的蜗壳和叶轮在动静干涉方面最为明显。最后，模拟结果准确地从侧面表明了潜水泵内部所受的压力脉动情况，从而真正地为减少潜水泵的内部压力脉动以及噪声形成的解决提供了重要的理论依据。

关键词：潜水泵；压力脉动；叶轮；蜗壳；非定常特性；数值分析

引言

笔者发现有关潜水泵内部压力脉动的相关研究却是绝大多数潜水泵研究人员没有涉及到的[2]。因此，笔者决定，通过运用CATIA来建立潜水泵的三维模型，然后将ANSYS软件应用于对潜水泵压力脉动的监测上面。最终达到揭示潜水泵中叶轮以及蜗壳壁面的压力在时间和流量的变化中所蕴含着的变化规律，从而为实际减少潜水泵的内部压力脉动提供最为准确的数据参考。

1.对非定常压力脉动的监测

1.1监测点的布置过程

笔者分别在半径为25、35、45和55mm等处的叶轮工作面及其背面来进行监测点的布置工作。在隔舌和I-Ⅷ的断面还有蜗壳的中间对陈勉的交接处均需要对蜗壳的壁面测点进行设置。

2.2对叶轮所收到的压力脉动的分析

将非定常数值在计算时的收敛精度设置为10^-5。为了防止在进行频谱分析时发生频谱泄露的现象，可以将计算时间设置为6个周期，并设置叶轮每旋转3°为一个时间步长。由于压力脉动在第6个周期时既达到稳定状态，因此笔者以第6个周期为例来进行分析。

下图（图1）即为叶轮半径分别为25、35、45以及55mm时工作面以及背面监测点的食欲图。

图1设计工况下叶轮内部监测点压力脉动的时域图

从上图中可以明显看出，第0时刻所对应的是压力脉动的第六圈的开始时间。而在非定常模拟中，叶轮的内部监测点是随着叶轮一起转动的，因而叶轮的内部检测点的压力脉动主要是由叶轮内部的流场变化所引起的。同时，观察上图还可以发现，在一个叶轮的旋转周期内，工作面以及背面的压力脉动是极为相似的，它们在压力变化方面均出现了明显的周期性（均出现了五次波峰）。而在1/5个周期之内，叶片在工作面以及工作面的背面的各个检测点的静压值均出现了开始逐渐下降、之后逐渐稳定、最后出现波峰。与此同时，在相同半径下的叶片工作面的静压是明显高于工作面的背面的。

而在下图（图2）中所展现的又是另外一种情况。

图2叶轮内部检测点在不同工况下压力脉动均方根对比图

上图所展现的是叶轮内部检测点在0.8Q、1.0Q以及1.2Q三个不同的工况下的压力脉动均方根的对比图。从图中可以明显看出，在不同的工况下，各个检测点的压力脉动均方根是呈现一个“先渐渐减小，再慢慢回升”的变化现象[5]。但是在设计工况下，压力脉动均方根的数值是最小的。这一结果有力地从侧面证明了设计工况下的压力波动值小的现象。同时，在相同的工况下，半径分别为35、45和55mm的叶片工作面监测点的压力脉动均方根都是明显比叶片背面监测点高的。不过在1.2Q的工况下，半径为25mm时，情况却截然相反。

3.结语

笔者通过对不同工况下的叶轮的各个检测点之后发现：只有在设计工况下，压力脉动均方根的数值才是最小的，也就是在这一情况下，潜水泵的设计是最好的。而通过对相同工况下的叶轮的各个监测点进行比较之后可以发现，除了半径为25mm处情况反常外，其余叶片工作面监测点的压力脉动均方根在同等的半径条件下都是高于叶片背面的监测点的。而在对叶轮内的各个监测点进行压力变化分析之后则可知，在同一个叶轮的旋转周期之内，叶轮叶片的工作面以及其背面的压力脉动周期性是非常明显的（都出现了五次波峰）。从上述的这两大实验结果来看，可以认为笔者所选用的这款型号的潜水泵在性能和设计等方面是非常优秀的。

参考文献：

[1]季磊磊，李伟，施卫东，等.叶片数对混流泵内部非定常压力脉动特性的影响[J].排灌机械工程学报，2017，35（8）：666-673.

[2]王秀勇，黎义斌，毕祯，等.多级旋涡泵内部流动特性与压力脉动的数值分析[J].排灌机械工程学报，2016，34（10）：853-859.

[3]王凡，钱忠东，郭志伟，等.可调导叶式轴流泵压力脉动数值分析[J].农业机械学报，2017，48（3）：119-123.

[4]常欣，梁宁，王超，等.斜流中螺旋桨非定常水动力性能的数值分析[J].哈尔滨工程大学学报，2017，38（7）：1048-1055.

[5]张春泽，刁伟，尤建锋，等.长短叶片水轮机尾水涡带动态特性数值分析[J].华中科技大学学报（自然科学版），2017，45（7）：66-73.