轴流泵叶片安放角增大过渡过程特性.docx

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1、轴流泵叶片安放角增大过渡过程特性苏文博1 ,刘卫东1 ,周大庆1 ,姜胜文1 ,陈会向2（1.河海大学能源与电气学院，南京211100;2.河海大学农业工程学院，南京210024）摘要：建立配置虹吸式出水流道的立式轴流泵几何模型，提出轴流泵在运行中调节叶片安放角过程的三维非定常数值 模拟方法，采用动网格及网格重构技术实现叶片自转与其随叶轮公转的复合运动。选定3种调节规律进行数值模拟， 获得相关工作参数变化规律和内部流场变化情况。结果表明：采用3种不同时间增大叶片安放角2。，机组流量增加4 . 4% 4 . 9%,叶轮水力矩增加5 . 1% 5.9%,叶轮进出口平面的测点静压波动范围较大；在叶片

2、安放 角增大的过程中，叶轮区域流态恶化、有涡核分布，叶片吸力面出现分布不均匀的低压区域；调节时间为IS时，叶 轮进出口平面测点静压及叶轮水力矩的波动范围要大于其他两种规律，叶轮区域的涡核分布也要多于其他两种规律， 故在较短时间增大叶片安放角会增加叶轮区域的不稳定性。关键词：轴流泵；三维数值模拟；叶片变角度调节；动网格；参数变化规律中图分类号：T V 1 3 6文献标志码：A 开放科学（资源服务）标志码（OSID）:轴流泵是一种低扬程泵,其主要特点为结构简 单、安装灵活、过流量大。轴流泵主要应用在农业 灌溉、跨流域调水以及工业循环用水等领域C 3】。对于轴流泵而言，不同的叶片安放角会对泵的 特性

3、产生影响46，大型泵站工程根据实际运行 水位普遍采用采用液压系统或机械调节机构实时调 节叶片角度，使水泵性能发生变化，以达到调节目 的】，但试验成本较高，且存在不确定性18采 用三维C F D技术对轴流泵的特性进行研究能够有 效地节约研究成本并直观反映泵的内流特性，何乃 昌I 91通过数值模拟发现轴流泵在马鞍区内运行时 叶轮进口靠近前缘侧出现回流，叶轮出口靠近轮毂 处产生明显旋涡；陈世杰。）对比分析了轴流泵在 不同工况下的内流特性，发现在大流量工况时叶轮 出口流态紊乱、压力分布不均；戴景等11】对某特 低扬程双向立式轴流泵装置进行研究，发现该装置 设计工况下的内、外特性较为理想；张毅等12 通

4、 过对2种不同轮毂比的轴流泵模型进行数值计算， 发现轮毂比较大的轴流泵水力模型效率更高，气蚀 性能较差。同时，三维CF D技术也被引入到了过 渡过程研究C 3 1 6 当中，其中对水泵机组研究多 集中于机组的开、停机过程以及断电飞逸过程S7 2还有部分叶片角度调节的研究集中在风力机 方向，多采用二维数值模拟方法对不同桨距角下的 风力机气动性能进行对比分析12 1 2 3 J。由于复杂动边界模拟方法的限制，在三维模型 中实现叶片自转与其随叶轮公转的复合运动难度较 发，实现叶轮及叶片同时旋转的复合运动，并对轴 流泵在运行中叶片安放角增大的过程进行数值模 拟，旨在探究轴流泵在该过程中的水力特性变化规

5、 律，为轴流泵机组的调节运行提供依据。表1轴流泵机组参数Tab. 1 P a rametersofaxialflowpumpuni t设计净扬程/m下游水位/m上游水位/m流量/ (m3s 1 )额定转速/(rmin 1 )叶轮平均直径/ mm转动惯量/(k g -m 2 )4.750.85.7511.5214.317753300大，故目前对于轴流泵在运行中调节叶片安放角过 程的研究尚未见报道。本文建立配置虹吸式出水流 道的立式轴流泵几何模型，应用基于任意拉格朗日欧拉方法的变速滑移网格法实现网格的变形重 构，通过用户自定义函数（UDF）程序的二次开图1轴流泵机组的三维模型F i g . 1 3

6、Dmodelofaxial flo Wpumpunit为监测静压变化情况，在机组流道 内设定9个压强测点，测点位置见图2,所有测点 均位于机组流道的子午剖面。1.2网格划分及无关性验证对全部模型采用适应性较强的非结构化网格进 行网格划分24 1 ,其中叶轮区域和导叶区域采G A M BIT软件进行划分（划分效果见图3 ）,其 余区域采用工CEMCF D软件进行划分。选择5 种网格划分方案进行网格无关性验证，网格划分方 案及计算结果见表2。经检验后发现，当网格总数 达到一定数值时，网格数的变化对计算结果影响很 小，最终选择划分方案3进行数值计算。1数值计算模型1.1计算模型及测点分布本文建立配置

7、虹吸式出水流道的立式轴流泵几 何模型并作为研究对象。机组部分参数见表1。建 立的轴流泵几何模型见图1。图2压力测点分布F i g . 2 Dist ribut Ionofpressure图3叶轮及导叶区域的网格划分效果F i g . 3 Meshdivi s ionofimpel Ierandguidevanea r e a第18卷第6期 南水北调与水利科技（中英文）2 O 2 O年1 2月T a b . 2Gridindependenceval ioni d a t方案网格总数/万个静扬程/m装置水力效率 /%11844 .7 584. 3 022 4 94 .8 08 3.1 533 5

8、84 .7 38 3.4 644 114 .7 18 2.6 055 4 04 .7 884.7 0表2网格无关性验证式中：槁为控制体体积；状为控制体边界处微元面积的外法向单位向量；犀为控制面积；精为边界移动速度。整个计算在FLUENTl6 . O软件平台上完成，由于RNG狩模型通过修正湍流黏度考三维过渡过程计算方法虑了平均流动中的旋转及旋转流动情况，可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度大的流动，计算采用RNG毋W湍流模型。为方便对泵的流量变化对于叶轮及叶片转动的动网格计算域，采用A进行分析，进口和出口采用压力进出口边界条件,E(arbit rarylagrange e同时在计算过程中考虑重力

9、对流场的影响，并采用Ier）方法给定网格运动速度，该描述下的质有限体积法离散方程组。方程组中压力项采用二阶量守恒方程和动量方程分别为中心差分格式，对流项、湍动能以及耗散率均采用二阶迎风格式，近壁处采用标准壁面函数处理，应 用SlMPLEC方法对流场进行联立求解25。际v+ (pv )(v-3生)=-冲+ 2牲 +迭代时间步长设为O O O 5 s ,总计算时长为17 s式中：p为流体密度；V为流体速度矢量；牲为网 格运动速度矢量；标为时间；为哈密顿算子；独为 静压；为动力黏度系数；2为拉普拉斯算符；发J 为重力加速度。在动网格计算中，动边界网格运动速度和控制 体体积变化须满足的几何守恒方程为C

10、d橘二Wd（ 3 ）2.3 叶轮与叶片复合转动实现方法以FLUEN T软件为基础，通过用户自定义 函数（UDF）程序的二次开发，实现叶轮与叶片 的复合转动。采用以下方法获取叶片不同时刻在 被、呢、坳3个方向的旋转速度，通过用户自定义 函数（UDF）中的刚体运动宏赋值给叶轮及叶 片。由于叶轮的旋转轴为坳轴，故叶片的公转轴也 为坳轴，叶片在坳方向的旋转速度为给让玲畦(4 )式中：玲蛛为在U D F程序中直接给定 的叶轮绕坳轴的旋转速度，同时也是叶片的公转速叶轮水力矩均开始上升，在叶片安放角增大过程结 束后，流量和叶轮水力矩均没有在叶片停止转动时度；玲地为叶片在坳方向的旋转速度。立即趋于平稳，而是在

11、叶片停止转动后又继续上升叶片在随叶轮旋转的同时，旋转轴位置不断变 化，通过时间步长与公转速度的乘积累加，确定每 一个时刻下旋转轴的位置，方程为e = 独X玲饵 (5 )式中：A标为时间步 长；玲叶轮的意义与式(4 )相同，求得的即为当前 时刻旋转轴的位置，之后将叶片自转的速度在被、 泥平面内进行分解，分解方程为於被=羚桨叶X I c o s I ( 6 )玲坦=玲桨叶X I s i n I ( 7 ) 式中：正、负号分别与叶片质心位置被、泥方向坐 标的正、负号一致，质心位置坐标通过U D F中的一段时间后逐渐稳定。由于叶片安放角变大，液流 的轴面速度增大，故流量增加；同时叶片的受力面 积随着安

12、放角的增大而增大，导致叶轮水力矩增 大。1 S增大2。后流量增加4 .5%、水力矩增 加5 . 9% , 5 S增大2。后流量增加4 . 4%、 水力矩增加5 . 4%, 10 S增大2。后流量增加 4.9%、水力矩增加5 . l% 1 S增大安放角 2。时叶轮水力矩波动较为严重，力矩最大增加至 10.9%,后又减小至5.9%左右并逐渐稳 定，说明较短时间增大叶片安放角，叶轮水力矩会图4叶片安放角增大过程中流量及叶轮水力矩变化a t e rmomen tof impel 1e r reaseofbladeangle 出现大范围的波动。F i g . 4 Flowrateandw Changed

13、uringtheinc 自带函数获取；玲桨叶为在U D F程序中设定的叶片自转速度；玲X与羚狙分别为叶片在披、呢方向的旋 转速度。2.4 叶片安放角增大规律选取3种叶片安放角增大规律进行数值模拟，分别是ol S增大2。、5 S增大2。”以及1 0 S增大2。在计算中做如下设定,0 1 s叶片不动，1 s末叶片开始转动。叶片转动过程结束后，继续进行数值模拟至1 7 s结束。3结果与分析3.1 参数变化规律图4为在不同增大规律下机组流量和叶轮水力矩的变化。当标二IS时，叶片开始转动,流量与3.2 测点压力变化分析为方便分析，引入压力差值冲来表征各监测 点瞬态压力脉动特性：冲二冲i -Aave (

14、8 )式中：衡为各 时间步长所测压力值；冲a Ve为所有压力值的平均 值。记录舛的最大值与最小值，两者之差冲 为脉动峰峰值，压力脉动幅值A犁及脉动振幅悟定 义为A犁=冲 / (Pjg) ( 9 )悟二(犁/犁)lOO% (IO)式中：P为水的密度； 比为重力加速度；犁为泵装置扬程，取4 . 7 5m。表3为在不同规律下各监测点的A冲和培。 可以看出：在叶片安放角增大的过程中，不同测点 的压力脉动峰峰值及振幅存在较大差异，测点1、 测点8和测点9的压力脉动峰峰值及振幅整体较 小；位于叶轮进、出口平面的测点2至7的压力脉 动峰峰值及振幅较大，其中测点2、3与4的脉动 振幅均超过了 50%; 1 s

15、增大安放角2。时的脉 动振幅要明显大于其他两种规律，说明较短时间增 大叶片的安放角，会加剧叶轮区域的压力波动。表3叶片安放角增大过程中各监测点的井和悟T a b . 3 A冲 and宿OfeaChmOnitoringp o i n t d u r ingtheinc reaseofbladeangle1 S增大20 5 S增大2 IOS增大2测点编号冲/ k P a恰/% 舛/ kPa恰A冲 / kPa培/%/%12.75 . 92 . 35 . 0 1 . 84 . 15392 2625259.3 73 . 03 . 60 . 8 3 . 81 . 2743 3725253.471 . 86 . 77 . 3 5 . 1 3 . 9144 41 036379.14