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离心泵不同叶轮与隔舌径向间隙对泵压力脉动特性影响的研究

更新时间:2016-07-05

离心泵是各类管路系统中的重要装置,其内部流场的压力波动特性关系到泵的稳定运行和整个管路系统的噪声特性。Chu等[1]通过PDV实验指出,离心泵中叶轮与螺旋形压水室隔舌的相互作用及叶轮的非均匀出流是造成当地压力波动及远场噪声的主要因素。隔舌周围流动区域的压力分布与叶轮和隔舌的相对位置有关。隔舌周围压力变化的峰值与压水室下游噪声的峰值相对应。Sinha等[2-3]通过对带导叶扩压器的离心泵进行PIV测定,进一步阐述了与叶轮相对导叶位置有关的非定常流动结构跟流场压力变化的关系。Wang等[4]采用涡方法求解了带导叶和螺旋形压水室的离心泵的内部流场,并分析了流场的压力波动特性。Shi等[5]将数值模拟的结果与上述研究进行了比对,并展示了不同方法求解泵内压力波动的结果。基于对泵瞬时流场变化过程的观测,文献[1]指出在一定范围内小幅度增加叶轮与压水室隔舌之间的间隙可明显改变隔舌区域的流动结构,并降低由此造成的噪声。Khalifa等[6]通过实验,研究了对叶轮V形切割和延长或切割压水室隔舌对泵外特性、压力脉动和振动特性的影响,并指出在一定的工况范围内(0.25~1.75倍最佳工况)泵度高强度的叶频压力脉动和叶频振动与不恰当的叶轮与压水室隔舌间隙值有关。González等[7]通过改变叶轮直径的方法,研究了不同叶轮与隔舌间隙对泵压力脉动特性和径向力的影响。祝磊等[8-9]研究了不同造型和形式的隔舌对泵压力脉动特性的影响。Bachert等[10]通过实验研究了压水室隔舌附近的周期性空化结构。

(一)思维理念转变不够到位。有的观念陈旧不想转,总以动员工作的“老资格”自居,身子进了新体制,脑子还在“过去时”,惯性思维、路径依赖比较严重,翻老皇历看新情况,用老套路对新问题,拿旧观念待新事物;有的“水土不服”不会转,新任职新交流干部对省军区工作特点规律认识不清、把握不准,生搬硬套作战部队建设模式,或者对新岗位存有“干不出什么名堂”“难有大的作为”等模糊认识;有的动力不足转得慢,感到工作舞台小,晋升机会少,存有“到了人武部、别想再进步”等消极想法,工作拖拉、行动迟缓,推一推动一动,甚至推了也不动。

虽然RANS模型和LES方法无法为叶轮出流的流动结构及其与固体边界相互作用进行细致的预测[3],但是可以为泵内速度场压力场的非定常变化特征提供具有参考意义的结果[5-7,11]。我们采用数值模拟方法,以比转速数为63的单极单吸离心泵为研究对象。叶轮入口直径80 mm,出口直径D2为210 mm。叶片数为5,额定转速2 900 rpm。最佳工况流量Qopt为55 m3/h,扬程(实验值)51 m。该泵具有螺旋形压水室。对比分析了3种方法改变隔舌与叶轮之间径向间隙值c对泵外特性及压力脉动特性的影响。这3种方法分别为:改变压水室基圆直径D3,改变压水室隔舌的径向位置,以及隔舌的切割和延伸。3种方法对应方案序号和每个方案的间隙变化值如表1。

表1 研究方案

Table 1 Research plan

方案间隙改变方式2c/D2取值/%1原型泵2.4,2改变D31.5,4.8,7.1,9.5,3改变隔舌径向位置1.5,4.8,7.1,9.5,4隔舌“切割”和延伸1.5,4.8,

方案3的隔舌位置如图1所示。改变隔舌径向位置前后保持压水室喉部和压出段过流面积不变。其中隔舌切割是指在原型泵的基础上,去除隔舌的一部分结构(见图2),使2c/D2达到4.8%,同时隔舌安放角增加了15°。隔舌延伸是指在保持新增结构曲面的曲率与上游变化一致的前提下,将隔舌延伸直到2c/D2达到1.5%,同时隔舌安放角减少了5°。分别研究了各方案在Qopt、1.2Qopt和0.8Qopt3个工况下的外特性和压力脉动特性。

对于施工现场设备的操作以及规范化作业,必须要建立相关的岗前培训制度,对新进的员工进行设备方面的性能解释以及相关的实际操作指引进行学习和实践的演练,通过一系列的考核与实践工作,新进员工具备相关的操作设备方面的能力,采取颁发上岗资格证进行自主的上岗作业,同时还需要重视操作人员的选拔和技能培训,操作人员的选拔和培训是搞好国际项目设备管理的重中之重,设备管理部门应协助人力资源部门做好操作人员的选拔考核,开展形式多样的培训活动,利用多媒体进行图文并茂的培训,选派有经验的人员进行现场演练和讲解都是比较有效的方式。

图1 方案3示意图 Fig.1 Schematic diagram of plan 3

图2 隔舌造型与压力检测面 Fig.2 Cut-water shape and pressure detection surface

1 湍流模型和计算模型

1.1 湍流模型

(2) 通过改变隔舌径向位置来改变叶轮与隔舌之间间隙,泵和压水室的效率普遍低于通过改变压水室基圆直径D3后的效率值。采用这一方式小幅度减小叶轮与隔舌之间的间隙,可降低叶轮与压水室径向力的脉动幅值。

[2] Sinha Manish,Katz Joseph.Quantitative Visualization of the Flow in a Centrifugal Pump with Diffuser Vanes-Ⅰ:on Flow Structures and Turbulence[J].Journal of Fluids Engineering,2000,122(1):97-107.

定义7 潜在制造能力(MCP)指在原有生产资料基础及约束条件下,通过一定技术手段及管理优化等方法所能够达到的制造能力水平。

其中:k为湍动能;ρ为介质密度;β*=0.09;α1=5/9;β1=3/40;σk1=0.85;σω1=0.5;α2=0.44;β2=0.082 8;σk2=1;σω2=0.856。

使用商业软件FLUENT进行求解计算。时间和空间离散格式具有二阶精度。

其中:S为应变速率,F2定义为

1.2 计算模型

研究区域为叶轮和压水室流动区域。叶轮上游管段长为4倍叶轮入口直径。压水室下游管段长为6倍压水室出口直径。

叶轮上游管段和叶轮流域采用六面体网格进行划分,距壁面0.5 mm距离内包含10层以上的网格,且壁面网格y+<1。螺旋形压水室和下游管段流域采用四面体和棱柱体网格进行划分(见图3)。各模型网格单元数为1.8×106。以Aspect ratio考察网格质量,各算例最低网格质量>0.25。计算时间步长为1.15×10-4 s,对应叶轮旋转2°。

入口给定速度,出口压力为0。入口湍流强度0.5%。固体壁面为无滑移条件,粗糙高度为0。流域内介质为20 C°状态下水。

图3 网格生成 Fig.3 Mesh generation

2 计算结果

2.1 压力检测与无量纲化方式

将隔舌造型曲面分为3份:隔舌顶圆面,及相邻面积接近的2个曲面(见图2)。记某一时刻隔舌外侧压力检测面的面积平均压力为Pout,隔舌内侧压力面的为Pin。对于隔舌压差Pout-Pin进行无量纲化处理。

压力系数CP

CORDIC算法是一种数值逼近的算法,由一个角度旋转到另一个角度不断进行迭代来逼近目标角,圆周系统下CORDIC算法的基本迭代关系如下:

由于所接收到的语音信号包含声道传输的影响,多个麦克风所接收到的语音信号经过不同的传播路径,我们希望在多路麦克风信号的相关性计算中尽量去除传输的影响,因此对各路麦克风接收的语音信号进行LPC[10]处理,得到反映语音激励特征的残差信号用于相关性计算[11]。基于p阶LPC的残差信号由式(7)给出。式中N为一帧信号的长度。

(1)

其中:U2为叶轮叶尖速度;ρ为介质密度。

12) oasis [əʊ'eɪsɪs] n. 绿洲13) limit ['lɪmɪt] n.限制14) wave [weɪv] n.波浪

2.2 结果与分析

原型泵计算结果显示,叶轮径向力、压水室受到的径向力和隔舌压差以叶频为主要变化周期(见图4),其中fb为叶频。

图4 原型泵计算结果 Fig.4 Prototype pump calculation results

记在一个叶频周期内,径向力最大值和最小值分别为FmaxFmin,则径向力脉动幅值AF

地形图中应标示测绘范围内的测量控制点、建(构)筑物、道路、绿地、水系、管线及附属设施等地物、地貌要素以及地理名称、注记等。对建筑物单体原则上不综合取舍,要详细测绘建筑物轮廓及阳台等其他附属设施,如柱廊、檐廊、架空通廊、底层阳台、门廊和室外楼梯等。对及涉及保留和拆除要求的建筑物也要进行测绘。对项目所属的配套工程,如绿地、停车场、配套的公共服务设施、物业管理设施、市政公用设施等,要进行测绘。

与方案2相比,方案4的泵和压水室的效率更低。如在0.8Qopt工况下,2c/D2=4.8%时,方案4泵的效率低于方案2约1.4个百分点。由于压水室的流动规律得到保持,方案4与方案2的叶轮径向力均值非常接近(见图6)。在Qopt、1.2Qopt工况下,方案4的径向力脉动幅值要低于方案2。其中压水室径向力脉动幅值最大下降了17%。而在0.8Qopt工况,2c/D2=4.8%时,方案4的压水室径向力脉动幅值约为方案2的2倍,且叶轮径向力脉动幅值高于方案39%。2c/D2=1.5%时,不同工况下,方案4的隔舌压力系数脉动幅值与方案2相比没有显著的差异。

(2)

其中:z为叶片数。

同理可得压力系数脉动幅值AC

从表4可以看出,处理T4、T5、T6之间千粒质量差异不显著,其大小顺序为 T6、T4、T5,处理 T4、T6 显著高于T2,处理T1、T2之间差异不显著。施加沼肥的处理中除T3外,其千粒质量都高于T1(不施肥)和T2(化肥),其中处理T4、T6的千粒质量显著高于未施加沼肥的的处理T1、T2。T6的千粒质量分别比处理T1、T2高 3.40%、2.65%, 处理 T4的千粒质量分别比处理 T1、T2高 3.35%、2.60%, 处理 T5的千粒质量分别比处理 T1、T2高 2.31%、1.57%。 数据表明,前茬施加沼肥对后茬玉米子粒产生了有利影响,提高了后茬玉米的子粒饱满度。

(3)

方案2的计算结果显示,随着D3的增加,叶轮与压水室径向力脉动幅值和隔舌压差脉动幅值快速下降(见图5、图6)。

图5 方案2和方案4计算结果 Fig.5 Calculation results of plan 2 and plan 4

图6 方案2和方案4计算结果 Fig.6 Calculation results of plan 2 and plan 4

当2c/D2由1.5%增加至4%,Qopt、1.2Qopt和0.8Qopt工况下叶轮的径向力脉动幅值下降50%以上,压水室径向力脉动幅值下降60%以上。效率在该D3范围内亦快速下降。当2c/D2>4%,径向力脉动幅值和隔舌压差的脉动幅值下降速度减缓,Qopt和1.2Qopt工况下泵和压水室的效率逐渐上升。当2c/D2达到5%,效率存在一个极大值。当2c/D2>5%,泵和压水室的效率快速下降,而径向力的脉动幅值和隔舌压差脉动幅值的下降速度则较为缓慢。在整个D3变化的范围内,叶轮和压水室的径向力均值在一个叶轮周期内的不存在显著变化。

当2c/D2达到1.5%,在所研究的3个工况下,方案3要普遍低于方案2。如当流量为Qopt时,方案3叶轮径向力脉动幅值是方案2的75%,压水室径向力脉动幅值是方案2的65%。但是当采用方案3来增大间隙,由于破坏了压水室内流动的对称性,在研究的3个工况下,径向力的脉动幅值要显著高于方案2,叶轮径向力的均值要显著高于方案2,同时压水室的效率要低于方案2。例如当2c/D2达到7.1%,流量为Qopt时,方案3叶轮径向力的均值为方案2的2.5倍,压水室效率下降了1.7个百分点;流量为1.2Qopt时,方案3是方案2的1.6倍,且压水室效率低于方案2约2.6个百分点(见图8)。

图7 方案3计算结果 Fig.7 Calculation results of plan 3

方案3径向力脉动幅值的变化与方案2不同(见图7)。

图8 方案3计算结果 Fig.8 Calculation results of plan 3

汉族男生138名,维吾尔族112名,回族11名,哈萨克族6名,其他民族8名;中专生75名,大专生115名,本科生85名。

3 结论

3种改变叶轮与螺旋形压水室隔舌之间间隙的方案均能够不同程度地改变离心泵的压力脉动的特性,但是这3种方案具有不同的适用范围和特性。

(1)叶轮和压水室径向力脉动幅值、隔舌压差脉动幅值以及泵的效率随压水室基圆直径D3的增加而逐渐下降。当叶轮与隔舌间隙2c/D2>5%,泵效率的下降速度逐渐高于径向力脉动幅值的下降速度。

采用SST k-ω模型进行计算,其控制方程为

(3) 切割与延伸隔舌会使得泵效率下降。按照压水室的流动规律延伸隔舌可有效改善压水室的过通性。而切割隔舌可有效改善压水室在设计工况和大流量工况下的过通性能。

在高速公路工程建设过程当中,中心试验室通过对各项施工原材料进行合理的检测,能够将质量不过关的施工原材料及时淘汰,有效提升高速公路工程的施工质量。由于高速公路工程的施工规模比较大,工程中的各项施工原材料种类与数量不断增多,为了保证各项施工原材料得到更加高效的使用,中心试验室检测人员要对各项原材料进行科学的检测试验,针对质量不过关的原材料,要及时更换原材料或者重新购买。

参考文献

[1] Chu S,Dong R,Katz J.Relationship between Unsteady Flow,Pressure Fluctuations,and Noise in aCentrifugal Pump—Part A:Use of PDV Data to Compute the Pressure Field[J].Journal of Fluids Engineering,1995,117:24-29.

其中:

[3] Sinha Manish,Katz Joseph.Quantitative Visualization of the Flow in a Centrifugal Pump with Diffuser Vanes-Ⅱ:Addressing Passage-averaged and Large-eddy Simulation Modeling Issues in Turbomachinery Flows[J].Journal of Fluids Engineering,2000,122(1):108-116.

[4] Wang H,Tsukamoto H.Fundamental Analysis on Rotor-stator Interaction in a Diffuser Pump by Vortex Method[J].Journal of Fluids Engineering,2001,123:737-747.

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[7] González José,Parrondo Jorge,Santolaria Carlos,et al.Steady and Unsteady Radial Forces for a Centrifugal Pump With Impeller to Tongue Gap Variation[J].Journal of Fluids Engineering,2005,128(3):454-462.

[8] 祝磊,袁寿其,袁建平,等.阶梯隔舌对离心泵压力脉动和径向力影响的数值模拟[J].农业工程学报,2010,41(增刊1):21-26.

[9] 祝磊,袁寿其,袁建平,等.不同型式隔舌离心泵动静干涉作用的数值模拟[J].农业工程学报,2011,27(10):50-55.

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[11] González José,Fernandez Joaquin,Blanco Eduardo,et alNumerical Simulation of the Dynamic Effects due to Impeller-volute Interaction in a Centrifugal Pump[J].Journal of Fluids Engineering,2002,125(2):348-355.

事情是这样的,那天,当我穿过教学楼大厅走到储物柜附近时,听到几个同学正在闲聊。“我觉得他看起来像个半兽人。”这是朱利安的声音,我一听便知。接下来是周围的一片附和声。“可你为什么总和他在一起呀?”朱利安向身旁一个打扮成“木乃伊”模样的同学发问。“唉,我也不知道,开学时校长图什曼吩咐我多和他在一起,我虽然不怎么情愿,可也得听校长的话呀。”说完,“木乃伊”耸了耸肩。啊!这是杰克常做的招牌动作啊!平时,朱利安对我的歧视是明目张胆的,可杰克总是表现出对我关爱有加的样子啊!他怎么可以这样?我转身离开,没有引起任何人的注意,然后去洗手间痛哭了一场。

杨从新,杨焘,王玲
《甘肃科学学报》 2018年第02期
《甘肃科学学报》2018年第02期文献

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