带分流叶片离心泵流固耦合诱导振动特性研究-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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带分流叶片离心泵流固耦合诱导振动特性研究

项目名称：带分流叶片离心泵流固耦合诱导振动特性研究
项目类别：青年科学基金项目
批准号：51009072
申请代码：E090601
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2011-01-01-2013-12-31

项目负责人：张金凤
负责人职称：副研究员
依托单位：江苏大学
批准年度：2010

中文摘要：

分流叶片设计法是提高低比转数离心泵综合性能的有效途径。目前带分流叶片离心泵的研究主要集中在内流分析和参数优化设计等方面，至今，分流叶片的添置对泵内非定常流动的结构和运行稳定性的影响规律的研究还不够深入，分流叶片的设计方法尚属初步。本项目采用ANSYS对多方案分流叶片离心泵在不同工况下的非定常流场和结构场进行耦合求解，搭建振动测试实验台，获取泵进出口脉动压力和振动信号，分析泵内非定常流动现象与诱导振动之间的关系，揭示流场与结构变形的相互作用规律以及泵结构的瞬时动力特性；利用PIV详细测试瞬态流场，与非定常模拟结果对比分析，揭示非定常流动现象的流动结构；最终获得叶轮所受非定常激振力与分流叶片设计参数和运行工况之间的关系。项目预期将初步建立带分流叶片低振动离心泵设计方法，为提高离心泵的性能和运行稳定性奠定理论和技术基础。

中文主题词：分流叶片；低比转数离心泵；流固耦合；流动诱导振动；非定常流动

英文摘要：

splitter blade；low-specific centrifugal pump；fluid-solid interaction；fluid-induced virbration；unsteady flow

英文主题词： splitter blade；low-specific centrifugal pump；fluid-solid interaction；fluid-induced virbration；unsteady flow

结论摘要：

本项目采用CFD和PIV对有/无分流叶片离心泵的非定常流场、流场和结构的耦合场进行求解，揭示了非定常流动特性、与结构变形的作用规律以及瞬时结构动力特性等；搭建了离心泵振动测试实验台，分析泵内非定常流动现象与诱导振动之间的关系；总结设计方法，推广应用于系列离心泵的优化设计，主要研究内容及结论有 (1) 采用CFX对某低比转数离心泵的5个具有不同分流叶片进口直径、周向偏置度的叶轮方案进行了全流场非定常数值模拟，分析了主要设计参数对叶轮进口、蜗壳出口及叶轮-蜗壳交界面处压力脉动特性的影响规律分流叶片有利于降低叶轮进口压力且提高蜗壳出口压力，从而提高泵的扬程；有利于减小叶轮进、出口处的压力脉动；有利于减小叶轮-蜗壳交界面处的压力脉动，从而改善叶轮出口的“射流-尾迹”结构。（2）对该模型进行了PIV内流测试，捕捉不同工况下叶轮-蜗壳交界面的动静干涉、叶轮进口管路和蜗壳出口管路的非稳定流动现象。目前测试基本结束，正在整理实验数据。（3）搭建了高速泵振动测试台，采用高频动态压力传感器测量了进出口监测点压力脉动特性。在各个工况下，与不带分流叶片的高速泵相比，带分流叶片的高速泵脉动幅值有一定的减小，尤其在低频区表现的尤为明显；采用分流叶片改善其流场分布和出口监测点的压力脉动特性，即动静干涉作用减弱。（4）进行了流场和结构场的双向流固耦合计算，分析了瞬态动力学特性、模态和谐频响应分布等。可知在非设计工况下运行时，离心泵内部流场不稳定性加剧，对结构变形影响相对较大，产生了一定的变形量，且变形量分布非对称；叶轮径向偏心量大小呈明显的四周期分布，设计工况下，波动相对较小，非设计流量下波动明显；不同工况下离心泵转子的等效应力和剪切应力随时间的波动明显，应力值远小于叶轮材料的极限破坏应力。（5）分析了带分流叶片离心泵无过载实现的理论条件，推导出最大轴功率及其位置预估公式，建立了该模型的BP性能预测模型。通过大量实验验证了预估公式的相对偏差分别为4.20%和 6.45%，BP模型效率和扬程预测平均相对偏差分别为5.97%和4.78%。（6）推广应用到系列离心泵的产品开发中，新产品效率比企业同款泵提高了5%～26.9%；且功率具有无过载特性；在规定点、最大流量点、最大扬程点和最大功率点的性能均有较大幅度的改善提高，基本满足样本多工况要求。

成果综合统计